CN1096597A - 滤波伺服方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软件滤波伺服方法及其系 统。该方法根据主、随动信号采样数据通过限幅修正 或加权余度计算伺服信号，并可实现滤波处理和参数 自动调节。该系统采用传感器加计算机形式，省却伺 服机构，避免机电参数匹配，显著提高可靠性，降低造 价，简化设计制造安装维修调试，改善性能，实现一机 多系统，便于修正误差提高精度。应用该方法的摆式 传感器——陀螺方位姿态系统还可采用公共程序及 计算消除支架误差。

Description

本发明涉及一种滤波伺服方法及使用这种方法的滤波伺服系统。具体地说，这种方法适用于对这种系统中的主动装置提供的经常存在交变误差的主动信号进行滤波，然后用以修正随动装置提供的存在漂移误差的随动信号，输出其经修正的伺服信号。

工程检测领域中现有的这种滤波伺服方法及使用这种方法的各种功用各异的滤波伺服系统都应用伺服机构来驱动随动装置或其随动信号传感器，使其输出伺服于主动信号的伺服信号;其伺服速率与伺服信号和主动信号之差成比例，对主动信号的滤波作用就是通过减小这个比值或给这个差值限幅来实现的。这种滤波伺服系统不仅结构复杂，而且为使各部件具有配套互换性而增加了许多限制性要求和配套调整试验;尽管如此，系统配套调试仍十分困难，而且每次安装和维修之后都要重新调试，使系统造价大大高于部件之和，可靠性大大低于各部件，动静态性能不佳，装卸也不方便;此外，这种滤波伺服方法对其工作方式和参数缺少选择性，更不能自动调节参数，难于为提高性能而采取恰当的辅助措施，例如为修正误差要采用凸轮带修正机构逐点调整，既不方便也不准确。

本发明的目的是提供一种滤波伺服方法及使用这种方法的滤波伺服系统，其结构简单，配套方便;工作可靠，造价较低。

为达到上述目的，本发明所述的滤波伺服方法采用一种数据运算方法，使用这种方法的滤波伺服系统由软件实现滤波伺服功能。

这种滤波伺服方法是采集主、随动信号的实时连续同步数据，并按下列步骤进行数据运算：

a）根据主、随动信号同步采样数据或经虑波处理的数据x₀、y₀，计算随动信号采样数据的初始修正量

△₀＝x₀-y₀;

b）根据上述修正后的每一次（第i次）主、随动信号同步采样数据x_i、y_i和此前（第i次）计算所得的随动信号采样数据修正量△_i，通过对（△_i+y_i）和x_i进行加权余度计算，或应用（△_i+y_i-x_i）的限幅的值修正（△_i+y_i）的方法，获取伺服信号实时数据Z_i;

c）根据采样计算数据，计算随动信号本次采样数据的修正量

△_i＝z_i-y_i

供此后计算伺服信号实时数据之用。

上述方法可以是应用下列公式或其等效变换公式，计算伺服信号实时数据

$Z_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+y_{i}k{x}_i}{1+k}$ 或 $Z_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+y_i+{{\mathrm{kx}}^{\′}}_i}{1+k}$

k-给定常数或采样计算数据的给定函数;

△X_m-给定常数;

上述计算△₀所用的经虑波处理的数据X₀、y₀可以是将主、随动信号的一批实时连续同步采样数据，按时间顺序排列成数列x₀₁、x₀₂、…x_0i…和y₀₁、y₀₂、…y_0i…，或其差值的数列△₀₁、△₀₂…△_0i…，并进行中值滤波，然后取相距最远的峰值和/或谷值之间的所有数据的统计平均值。

上述计算Z_i所用的采样计算数据的给定函数，可以是

$\mathrm{k=}\frac{\mathrm{k\text{'}}}{{\mathrm{｜Z}}_i{\mathrm{-\; X}}_i｜}$

其中X_i、Z_i-本次采样之前（第i次）所得的主动信号采样数据和计算所得的伺服信号实时数据，为△_i的同步采样计算数据，

k′-给定常数。

使用上述方法的滤波伺服系统除了提供主、随动信号的主、随动装置外，还包括采样装置和计算机;随动装置及其随动信号传感器不受驱动;采样装置对主、随动信号进行实时连续同步采样，并输给计算机;计算机设置的程序包括进行上述滤波伺服方法所述的数据运算程序，存贮有关给定数据，并经数据运算输出伺服信号的实时连续数据。

这种滤波伺服系统还可以包括状态选择器和/或直接向计算机发指令的专用指令线;计算机设置相应的状态地址和状态选择程序，根据人工操作的状态选择器或由其它装置控制的专用指令线发出的不同指令，选择并执行上述方法所述的不同的数据运算程序。

本发明的滤波伺服方法及其系统的优点是：（1）不需要伺服机构，简化了结构;（2）系统没有机械和电气调节因素，简化了生产、安装、维修后的配套工作;（3）避免了机械、电气参数匹配，不需要限制主、从动装置的性能特性，改善了互换性;（4）降低造价;（5）显著提高可靠性;（6）避免了伺服机构带来的不灵敏误差和间隙、惯性等因素造成的系统稳定性和调节质量问题，提高了性能;（7）可根据需要，方便地改变滤波伺服工作方式和参数，设置多种状态，并可自动调节参数（如k），实现最佳选择;（8）可利用计算机进行各种修正和补偿，提高部件和系统精度;（9）可实现多系统综合，除了主、从动装置，其它部件甚至软件均可共用。

下面结合附图以软件滤波伺服式方位姿态系统作为实施例，对本发明作进一步详细的描述。

图1是软件滤波伺服式方位姿态系统结构框图;

图2是软件滤波伺服式方位姿态系统的运算程序框图。

由图1可知，本实施例所述的软件滤波伺服式方位姿态系统包括摆式磁方位传感器[3]、框架式方位陀螺[4]、摆式二轴姿态传感器[5]、框架式垂直陀螺[6]、采样装置[2]、计算机[1]、状态选择器[7]和直接给计算机[1]发指令的专用指令线[8];实际是共用采样装置[2]，计算机[1]，状态选择器[7]，专用指令线[8]和图2所示数据运算程序的方位、横滚、俯仰三套滤波伺服系统。其中，采样装置[2]采集摆式磁方位传感器[3]提供的方位信号x

框架式方位陀螺[4]提供的方位信号y

摆式二轴姿态传感器[5]提供的横滚信号x_γ和俯仰信号x_θ、框架式垂直陀螺[6]提供的横滚信号y_γ和俯仰信号y_θ的实时连续同步数据，并输入计算机[1];状态选择器[7]由人工操纵，可向计算机[1]发出“一次采样修正”、“连续采样修正”、“伺服中断”、“慢速伺服”、“中速伺服”或“快速伺服”各状态指令，也可以置于“无指令”状态;专用指令线[8]由本系统之外的敏感载体直线加速度的传感器和转弯仪控制，其指令与状态选择器的“伺服中断”指令等效;计算机[1]设置相应的状态地址和状态选择程序，并规定专用指令优先于状态选择器指令，还设置图2所示的各种指令对应的运算程序。其不同状态的适用场合，程序先决条件和数据运算公式如下：

a）一次采样修正状态：修正状态用于计算陀螺（包括方位陀螺和垂直陀螺，下同）输出信号采样数据的初始修正值△₀。由于载体进行直线运动或转弯时，传感器（包括摆式磁方位传感器和摆式二轴姿态传感器，下同）将出现单向误差，所以规定修正指令只在没有专用指令时有效。当载体处于静止或匀速直线运动、且振动不足于导致传感器输出信号出现摆动误差时，可由人工发出一次采样修正指令，计算机根据传感器和陀螺输出信号的一次采样数据x₀和y₀，计算陀螺输出信号的初始修正值

△₀＝x₀-y₀;（1）

b）连续采样修正状态：当载体振动、颠簸，摇摆等导致传感器输出信号出现摆动误差时，每一次采样数据都是不可信的，此时可由人工发出连续采样修正指令，计算机根据传感器和陀螺输出信号的一批采样数据x₀₁、x₀₂…x_0i…和y₀₁、y₀₂、…y_0i…，经一定程序处理后求出△₀，其程序是：先根据每一次（第i次）采样数据，计算差值

△_0i＝x_0i-y_0i;（2）

再对按时间顺序排列的数列△₀₁、△₀₂…△_0i…进行中值滤波，剔除其中异常值并将其包络线理顺为正弦脉动曲线;最后进行峰谷值寻址，并取相距最远的峰值和/或谷值之间的所有数据的统计平均值△_ocp，并令

△₀＝△_ocp（3）

c）伺服中断状态：当载体加速运动或转弯时，传感器输出信号的单向误差相当大，因而不可信，此时，若中断伺服，陀螺虽有漂移误差，在相当长时间内仍比传感器的单向误差影响小得多。所以，可根据专用指令或可由人工发出伺服中断指令，计算机执行下列运算程序：伺服信号实时数据

Z_i＝△_i+y_i（4）

上式实际上是令Z_i的基本运算公式

$Z_i=\frac{{△}_i{\mathrm{+y}}_i{\mathrm{+kx}}_i}{\mathrm{1+k}}$

中的给定常数k＝0，

其中y_i-陀螺输出信号的实时（第i次）采样数据

x_i-传感器输出信号的实时采样数据

△_i-陀螺输出信号的此前（第i次）采样数据的修正量

d）慢速伺服状态：伺服状态只能用于传感器输出信号无单向误差的条件，所以均在无专用指令的前提下由人工发出。当载体振动剧烈或出现颠簸、摇摆等时，传感器输出信号的交变误差较大。为防止其输出信号滤波不彻底而使伺服信号实时数据出现仿形误差，此时可由人工发出慢速伺服指令、计算机执行下列运算程序：伺服信号实时数据

$Z_i=\frac{{△}_i{\mathrm{+y}}_i{\mathrm{+k}}_L{x}_i}{{\mathrm{1+k}}_L}\mathrm{(5)}$

△x_m-给定常数，

k_L-给定常数k的较小的值，

△x_m是限幅值，k是滤波衰减系数。限幅和较小的k值，使各次运算伺服修正量仅够消除陀螺输出信号的漂移误差，从而限制其由于传感器输出信号摆动引起的仿形误差;

e）中速伺服状态：当载体振动、颠波、摇摆等较轻或不太经常时，传感器输出信号的交变误差较小，为有效地抵消陀螺输出信号的漂移误差，此时可由人工发出中速伺服指令，计算机执行下列运算程序：伺服信号实时数据

$Z_i=\frac{{△}_i{\mathrm{+y}}_i{\mathrm{+k}}_H{x}_i}{{\mathrm{1+k}}_H}\mathrm{(7)}$

其中k_H-给定常数k的较大的值，

该状态仍予限幅，但滤波较弱，从而适当提高伺服速度;

f）快速伺服状态：当载体振动、颠簸、摇摆等十分微弱时，传感器输出信号的交变误差不足以影响伺服信号实时数据，此时可由人工发出快速伺服指令，计算机执行下列运算程序：伺服信号实时数据

$Z_i=\frac{{△}_i{\mathrm{+y}}_i{\mathrm{+k}}_H{x}_i}{{\mathrm{1+k}}_H}\mathrm{(8)}$

该状态不予限幅，且滤波较弱，从而实现快速伺服。

g）恒速伺服状态：当操作者对载体振动，颠簸，摇摆等引起的传感器输出信号的交变误差不清楚或对伺服信号实时数据的准确性要求不高时，可由人工将状态选择器置于“无指令”状态，计算机执行下列运算程序：伺服信号实时数据

$Z_i=\frac{{△}_i{\mathrm{+y}}_i{\mathrm{+k}}_O{x}_i}{{\mathrm{1+k}}_O}\mathrm{(9)}$

其中

$k_o=\frac{\mathrm{k\text{'}}}{{\mathrm{｜Z}}_i{\mathrm{-X}}_i｜}\mathrm{(10)}$

x_i、z_i-本次（第i次）采样之前（第i次）采样所得的主动信号数据和计算所得的伺服信号实时数据，为△_i的同步采样计算数据，

k′-给定常数。

这是计算机自动调节参数k的程序。其中k′代表陀螺输出信号在两次采样间隔时间内的漂移误差。｜z_i-x_i｜近似代表传感器输出信号在此前采样瞬时的误差，所以k_o随其变化，起到自动调节限幅值和滤波衰减系数的作用，又足以抵消陀螺输出信号的漂移误差。

上述c、d、e、f、g状态计算Z_i之后还计算本次采集的陀螺输出信号实时数据y_i的修正量

△_i＝Z_i-y_i（11）

供此后计算伺服信号实时数据之用。

上述软件滤波伺服方法计算所得的△_i也可以作为伺服机构消除陀螺输出信号误差的信号源。只要计算机输出△_i，并经数/模转换器、功率放大器和力矩器驱动陀螺进动，或伺服电机和减速机构驱动陀螺输出信号角位移传感器相对于陀螺信号轴转动，便构成硬件滤波伺服系统。方位系统没有必要构成此种系统;但垂直陀螺的转子轴不宜过分偏离垂直姿态，必要时可以应用上述硬件滤波伺服方法定期扶正之。

上述方位伺服信号实时数据z

，计算公式成立的前提是框架式方位陀螺[4]输出信号只有漂移误差，但本实施例中的框架式方位陀螺[4]没有设置随动托架，在载体倾斜时可出现很大的支架误差，需要加以扣除。这也可由软件实现。其运算程序是：

a）根据载体自水平姿态绕自身纵轴旋转的横滚角伺服信号实时数据z_γi和载体横滚之后再绕自身横轴旋转的俯仰角伺服信号实时数据z_θi，计算载体倾斜度实时数据α_i和相对于自身纵轴的倾斜方向实时数据β_i：

α_i＝cos^-1（cosz_θicosz_γi）

${\beta }_i\mathrm{=tg}{}^{\mathrm{-1}}\frac{{\mathrm{-cosz}}_{\mathrm{8i}}{\mathrm{sinz}}_{\mathrm{\gamma i}}}{{\mathrm{sinz}}_{\mathrm{8i}}}$

b）根据α_i、β_i和框架式方位陀螺[4]的以载体纵轴为方位基准的输出信号实时同步采样数据y

，应用公式

tg（β_i+y

-2△y

）＝tg（β_i+y

-△y ）cosα_i

计算或采用迭代逼近方法近似计算支架误差实时数据△y

;

c）根据y 和△y 计算扣除支架误差后的实时数据

y′

＝y -△y

并以y′

替代y

供计算方位伺服信号实时数据z

之用。

Claims (7)

1、一种滤波伺服方法，该方法用于对经常存在交变误差的主动信号滤波，然后用以修正存在漂移误差的随动信号，输出其经修正的伺服信号，其特征在于：采集主、随动信号的实时连续同步数据，并按下列步骤进行数据运算：

a)根据主、随动信号同步采样数据或经滤波处理的数据x₀、y₀，计算随动信号采样数据的初始修正量。

Δ₀=x₀-y₀；

b)根据上述修正后的每一次(第i次)主、随动信号采样数据x₁、y₁和此前(第j次)计算所得的随动信号采样数据修正量Δ₁，通过对(Δ₁+Y₁)和X₁进行加权余度计算，或应用(Δ₁+Y₁-X₁)的限幅的值修正(Δ₁+Y₁)的方法，获取伺服信号实对数据Z₁；

c)根据采样计算数据，计算随动信号本次采样数据的修正量

Δ₁=Z₁-y₁

供此后计算伺服信号实时数据之用。

2、根据权利要求1所述的滤波伺服方法，其特征在于：应用下列公式或其等效变换公式，计算伺服信号实时数据

$Z_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+y_i{\mathrm{kx}}_i}{1+k}$ 或 $Z_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+y_i+{{\mathrm{kx}}^{\′}}_i}{1+k}$

k-给定常数或采样计算数据的给定函数;

△X_m-给定常数;

计算△₀所用的经虑波处理的数据X₀、y₀是将主、随动信号的一批实时连续同步采样数据按时间顺序排列成数列X₀₁、X₀₂、…X_0i…和y₀₁、y₀₂、…y_0i…，或其差值的数列△₀₁、△₀₂、…△_0i…，并进行中值滤波;然后取相距最远的峰值和/或谷值之间的所有数据的统计平均值;

计算Z_i所用的采样计算数据的给定函数

$\mathrm{k=}\frac{\mathrm{k\text{'}}}{{\mathrm{｜Z}}_i{\mathrm{-\; X}}_i｜}$

其中X_i、Z_i-本次采样之前（第i次）所得的主动信号采样数据和计算所得的伺服信号实时数据，为△_i的同步采样计算数据，

k′-给定常数。

3、一种滤波伺服系统，它包括提供权利要求1所述的主、随动装置，其特征在于：它还包括采样装置和计算机;随动装置及其随动信号传感器不受驱动;采样装置对主、随动信号进行实时连续同步采样，并输给计算机;计算机设置的程序包括进行权利要求1或2所述的数据运算程序，存贮有关给定常数，并经数据运算输出伺服信号的实时连续数据。

4、根据权利要求3所述的滤波伺服系统，其特征在于：它还包括状态选择器和/或直接向计算机发指令的专用指令线;计算机设置相应的状态地址和状态选择程序，根据人工操作的状态选择器或由其它装置控制的专用指令线发出的不同指令，选择并执行权利要求1和/或2所述的不同的数据运算程序。

5、根据权利要求4所述的滤波伺服系统，该系统中的主动装置是摆式磁方位传感器，随动装置是框架式方位陀螺，构成软件滤波伺服式方位系统，其特征在于：该状态选择器设置的状态还包括伺服中断状态和/或不同伺服速度的状态，与这些状态相应的运算程序分别为给定常数k＝0和/或等于不同值的运算程序;该专用指令线受控于载体上的直线加速度计和/或转弯仪，其表示载体出现加速度的指令与伺服中断状态指令等效，并对状态选择器其它指令具有优先权。

6、根据权利要求5所述的软件滤波伺服式方位系统，其特征在于：该采样装置还采集载体上的姿态传感器提供的姿态信号同步数据;该计算机还设置进行下列运算的程序：根据框架式方位陀螺的以载体纵轴为方位基准的输出信号实时采样数据y 载体上的姿态传感器提供的或经计算而得的载体相对于自身纵轴的倾斜方向实时同步数据β_i和倾斜度实时同步数据α_i，应用公式

tg（β₁+y

-2△y

）＝tg（β₁+y

-△y

）cosα₁

计算或采用迭代逼近方法近似计算支架误差实时同步数据△y

，然后计算扣除支架误差后的实时数据

y′

＝y

-△y

并以y′

替代y

供计算方位伺服信号实时数据之用。

7、根据权利要求4所述的滤波伺服系统，该系统中的主动装置是摆式姿态传感器，随动装置是框架式垂直陀螺，构成软件滤波伺服式姿态系统，其特征在于：该状态选择器设置的状态还包括伺服中断状态和/或不同伺服速度的状态，与这些状态相应的运算程序分别为给定常数k＝0和/或等于不同值的运算程序;该专用指令线受控于载体上的直线加速度计和/或转弯仪，其表示载体出现加速度的指令与伺服中断状态指令等效，并对状态选择器其它指令具有优先权。