CN109870098A - 一种无人机舵系统位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机舵系统控制技术领域，具体公开了一种无人机舵系统位置检测方法。该方法包括：步骤1、通过无人机舵系统微型控制器发出固定频率与占空比的方波信号，驱动并控制LVDT原边线圈的电源通断；步骤2、利用模数转换器来采集LVDT副边线圈的电压输出信号值；步骤3、对采集到的电压信号进行解调处理，并根据LVDT的特性进行非线性补偿，从而获得LVDT拉杆的位置信息；步骤4、利用温度传感器检测LVDT内部温度，根据LVDT的温度特性采用分段线性差值的方法对位置信号进行温度补偿；步骤5、将获得的位置信号通过微型控制器的通信外设输出。该方法可对LVDT进行非线性补偿与温度补偿，不仅大大缩小了LVDT的体积，提高了线性度，且具有很小温漂。

Description

一种无人机舵系统位置检测方法

技术领域

本发明属于无人机舵系统控制技术领域，具体涉及一种无人机舵系统位置检测方法。

背景技术

考虑到无人机的重复使用性和高可靠性，舵系统的位置检测必须具有较长的使用寿命。线性差动变压器(LVDT)属于非接触式直线位移传感器，理论上具有无限次的使用寿命，非常适合用于无人机舵系统的位置检测。然而大多线性差动变压器的模拟式调制解调方法，不仅线性区小、有效量程短，造成LVDT的体积过大，而且由于不易补偿存在温漂较大的问题，模拟电压的输出形式还易受外界干扰，混合在输出信号中的高频的激磁信号成分如果滤波不彻底，在经过模数采集后易产生低频噪声影响舵系统性能，而过度滤波又会给位置反馈信号带来相位滞后，对系统的控制效果不利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机舵系统位置检测方法，可解决现有技术的不足，具有占用空间小、温漂低、寿命长以及抗干扰等优点，适用于无人机舵系统的位置检测。

本发明的技术方案如下：一种无人机舵系统位置检测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、通过无人机舵系统微型控制器发出固定频率与占空比的方波信号，驱动并控制LVDT原边线圈的电源通断；

步骤2、利用模数转换器来采集LVDT副边线圈的电压输出信号值；

步骤3、对采集到的电压信号进行解调处理，并根据LVDT的特性进行非线性补偿，从而获得LVDT拉杆的位置信息；

步骤4、利用温度传感器检测LVDT内部温度，根据LVDT的温度特性采用分段线性差值的方法对位置信号进行温度补偿；

步骤5、将获得的位置信号通过微型控制器的通信外设输出。

所述的步骤1具体包括：

无人机舵系统微型控制器通过PWM发送固定频率与占空比的方波信号，频率在在2kHz～8kHz之间，占空比为50％；利用该方波信号控制PNP三极管的开通与关断，从而实现对LVDT原边线圈供电的控制。

所述的步骤2具体包括：LVDT中的2组副边线圈感应出原边线圈的电压信号，经过滤波后由微信控制器中的模数转换器采集，分别获得两组信号A和B。

所述的步骤3具体包括：

将步骤2获得的两组信号A和B进行数学处理，获得LVDT拉杆位移

x成近似线性关系的位置信息，用y表示：

在理想情况下：y＝k·x，其中k为比例系数；

受工艺以及磁场空间变化的影响，x与y并非绝对线性关系，线性度指标要求越高，LVDt的有效量程越短；为提高LVDT有效量程，必须对y进行非线性补偿；

假设LVDT的非线性特性可以用函数y＝f(x)表示，则补偿函数为其反函数f^-1(y)。对LVDT输出信号y进行补偿完成后得到函数值即为LVDT拉杆的实际位置x；

对LVDT进行测试标定，获得一组输入输出数据，其中，输入x(LVDT拉杆位移)：x₁,x₂,x₃,…,x_N；输出y(传感器输出)：y₁,y₂,y₃,…,y_N；

利用多项式对y＝f(x)的反函数进行拟合为：

x＝a_nyⁿ+a_n-1y^n-1+…+a₁y+a₀

根据最小二乘法确定系数a₀,a₁,a₂,…,a_n；令函数F(y)

将函数F(y)对各个变量求偏导，并令其等于零，获得一组方程为：

将上式进行简化，利用矩阵表示为：

将上述范德蒙矩阵简化可得：

定义

则Y·A＝X，那么A＝Y’·X，求得系数矩阵A，即系数a₀,a₁,a₂,…,a_n的值，同时也得到了拟合曲线函数。

所述的步骤4具体包括：

步骤4.1、通过温度循环试验，分别在不同的温度下，测试传感器的输入输出特性，获得一组标定数据；

通过温度循环试验，分别在不同的温度下获得一组标定数据为：

T₁:(x₁₀,y₁₀),(x₁₁,y₁₁),…,(x₁₉,y₁₉)

T₂:(x₂₀,y₂₀),(x₂₁,y₂₁),…,(x₂₉,y₂₉)

…

T_m:(x_m0,y_m0),(x_m1,y_m1),…,(x_m9,y_m9)

步骤4.2、对步骤4.1获得的标定数据进行非线性补偿，获得m个补偿函数；

分别对步骤4.1获得的标定数据中的m组数据进行非线性补偿，获得m各补偿函数为x_T＝f_T ^-1(y)，即获得m条补偿曲线；

步骤4.3、根据实际温度和传感器输出计算获得输出位移量；

根据实际温度T和传感器输出y计算输出位移量；假设y_T为传感器输出，T₁、T₂为最接近T的两个标定温度点，则补偿算法为：

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种无人机舵系统位置检测方法，其对LVDT进行非线性补偿与温度补偿，不仅大大缩小了LVDT的体积，提高了线性度，且具有很小温漂；系统结构简单，无需复杂的正弦波激励电路以及后级的解调电路，因此结构尺寸小，可放入LVDT壳体内部，集成度较好。

附图说明

图1为本发明所述的一种无人机舵系统框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种无人机舵系统结构，包括片载温度传感器、PNP型三极管、LVDT以及二极管，其中，无人机舵系统微型控制器中的PWM管脚与PNP型三极管的基极相连接，与电源正极相连的LVDT原边线圈连接在PNP型三极管的发射极上，并将PNP型三极管的集电极与地相连接；LVDT副边线圈中的2组副边线圈分别通过串联的二极管、电阻与微型控制器的ADC1、ADC2两个管脚相连接，并微型控制器的ADC1、ADC2端口与地之间接入电容。

一种无人机舵系统位置检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、通过无人机舵系统微型控制器发出固定频率与占空比的方波信号，驱动并控制LVDT原边线圈的电源通断；

无人机舵系统微型控制器通过PWM发送固定频率与占空比的方波信号，频率在在2kHz～8kHz之间，占空比为50％；利用该方波信号控制PNP三极管的开通与关断，从而实现对LVDT原边线圈供电的控制；

步骤2、利用模数转换器来采集LVDT副边线圈的电压输出信号值；

LVDT中的2组副边线圈感应出原边线圈的电压信号，经过滤波后由微信控制器中的模数转换器采集，分别获得两组信号A和B；

步骤3、对采集到的电压信号进行解调处理，并根据LVDT的特性进行非线性补偿，从而获得LVDT拉杆的位置信息；

将步骤2获得的两组信号A和B进行数学处理，获得LVDT拉杆位移

x成近似线性关系的位置信息，用y表示：

在理想情况下：y＝k·x，其中k为比例系数；

受工艺以及磁场空间变化的影响，x与y并非绝对线性关系，线性度指标要求越高，LVDt的有效量程越短；为提高LVDT有效量程，必须对y进行非线性补偿；

假设LVDT的非线性特性可以用函数y＝f(x)表示，则补偿函数为其反函数f^-1(y)。对LVDT输出信号y进行补偿完成后得到函数值即为LVDT拉杆的实际位置x；

对LVDT进行测试标定，获得一组输入输出数据，其中，输入x(LVDT拉杆位移)：x₁,x₂,x₃,…,x_N；输出y(传感器输出)：y₁,y₂,y₃,…,y_N；

利用多项式对y＝f(x)的反函数进行拟合为：

x＝a_nyⁿ+a_n-1y^n-1+…+a₁y+a₀

根据最小二乘法确定系数a₀,a₁,a₂,…,a_n；令函数F(y)

将函数F(y)对各个变量求偏导，并令其等于零，获得一组方程为：

将上式进行简化，利用矩阵表示为：

将上述范德蒙矩阵简化可得：

定义

则Y·A＝X，那么A＝Y’·X，求得系数矩阵A，即系数a₀,a₁,a₂,…,a_n的值，同时也得到了拟合曲线函数；

步骤4、利用温度传感器检测LVDT内部温度，根据LVDT的温度特性采用分段线性差值的方法对位置信号进行温度补偿；

步骤4.1、通过温度循环试验，分别在不同的温度下，测试传感器的输入输出特性，获得一组标定数据；

通过温度循环试验，分别在不同的温度下获得一组标定数据为：

T₁:(x₁₀,y₁₀),(x₁₁,y₁₁),…,(x₁₉,y₁₉)

T₂:(x₂₀,y₂₀),(x₂₁,y₂₁),…,(x₂₉,y₂₉)

…

T_m:(x_m0,y_m0),(x_m1,y_m1),…,(x_m9,y_m9)

步骤4.2、对步骤4.1获得的标定数据进行非线性补偿，获得m个补偿函数；

分别对步骤4.1获得的标定数据中的m组数据进行非线性补偿，获得m各补偿函数为x_T＝fT^-1(y)，即获得m条补偿曲线；

步骤4.3、根据实际温度和传感器输出计算获得输出位移量；

根据实际温度T和传感器输出y计算输出位移量；假设y_T为传感器输出，T₁、T₂为最接近T的两个标定温度点，则补偿算法为：

步骤5、将获得的位置信号通过微型控制器的通信外设输出。

Claims (5)

1.一种无人机舵系统位置检测方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

步骤1、通过无人机舵系统微型控制器发出固定频率与占空比的方波信号，驱动并控制LVDT原边线圈的电源通断；

步骤2、利用模数转换器来采集LVDT副边线圈的电压输出信号值；

步骤3、对采集到的电压信号进行解调处理，并根据LVDT的特性进行非线性补偿，从而获得LVDT拉杆的位置信息；

步骤4、利用温度传感器检测LVDT内部温度，根据LVDT的温度特性采用分段线性差值的方法对位置信号进行温度补偿；

步骤5、将获得的位置信号通过微型控制器的通信外设输出。

2.根据权利要求1所述的一种无人机舵系统位置检测方法，其特征在于：所述的步骤1具体包括：

无人机舵系统微型控制器通过PWM发送固定频率与占空比的方波信号，频率在在2kHz～8kHz之间，占空比为50％；利用该方波信号控制PNP三极管的开通与关断，从而实现对LVDT原边线圈供电的控制。

3.根据权利要求1所述的一种无人机舵系统位置检测方法，其特征在于：所述的步骤2具体包括：LVDT中的2组副边线圈感应出原边线圈的电压信号，经过滤波后由微信控制器中的模数转换器采集，分别获得两组信号A和B。

4.根据权利要求3所述的一种无人机舵系统位置检测方法，其特征在于：所述的步骤3具体包括：

将步骤2获得的两组信号A和B进行数学处理，获得LVDT拉杆位移

x成近似线性关系的位置信息，用y表示：

在理想情况下：y＝k·x，其中k为比例系数；

受工艺以及磁场空间变化的影响，x与y并非绝对线性关系，线性度指标要求越高，LVDt的有效量程越短；为提高LVDT有效量程，必须对y进行非线性补偿；

假设LVDT的非线性特性可以用函数y＝f(x)表示，则补偿函数为其反函数f^-1(y)。对LVDT输出信号y进行补偿完成后得到函数值即为LVDT拉杆的实际位置x；

对LVDT进行测试标定，获得一组输入输出数据，其中，输入x(LVDT拉杆位移)：x₁,x₂,x₃,…,x_N；输出y(传感器输出)：y₁,y₂,y₃,…,y_N；

利用多项式对y＝f(x)的反函数进行拟合为：

x＝a_nyⁿ+a_n-1y^n-1+…+a₁y+a₀

根据最小二乘法确定系数a₀,a₁,a₂,…,a_n；令函数F(y)

将函数F(y)对各个变量求偏导，并令其等于零，获得一组方程为：

…

将上式进行简化，利用矩阵表示为：

将上述范德蒙矩阵简化可得：

定义

则Y·A＝X，那么A＝Y’·X，求得系数矩阵A，即系数a₀,a₁,a₂,…,a_n的值，同时也得到了拟合曲线函数。

5.根据权利要求1所述的一种无人机舵系统位置检测方法，其特征在于：所述的步骤4具体包括：

步骤4.1、通过温度循环试验，分别在不同的温度下，测试传感器的输入输出特性，获得一组标定数据；

通过温度循环试验，分别在不同的温度下获得一组标定数据为：

T₁:(x₁₀,y₁₀),(x₁₁,y₁₁),…,(x₁₉,y₁₉)

T₂:(x₂₀,y₂₀),(x₂₁,y₂₁),…,(x₂₉,y₂₉)

…

T_m:(x_m0,y_m0),(x_m1,y_m1),…,(x_m9,y_m9)

步骤4.2、对步骤4.1获得的标定数据进行非线性补偿，获得m个补偿函数；

分别对步骤4.1获得的标定数据中的m组数据进行非线性补偿，获得m各补偿函数为即获得m条补偿曲线；

步骤4.3、根据实际温度和传感器输出计算获得输出位移量；

根据实际温度T和传感器输出y计算输出位移量；假设y_T为传感器输出，T₁、T₂为最接近T的两个标定温度点，则补偿算法为：