CN110825033B

CN110825033B - 一种伺服控制系统

Info

Publication number: CN110825033B
Application number: CN201911117724.3A
Authority: CN
Inventors: 王元超; 杨永明; 匡海鹏; 于春风; 刘明; 刘禹; 华楠; 侯汉
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: CN110825033A

Abstract

本申请实施例提供一种伺服控制系统，应用于三轴惯性稳定平台，所述三轴惯性稳定平台可以搭载多种组配方式的传感器，所述伺服控制系统中预置有与所述多组组配方式分别适配的多套控制参数，工作时可以从中选取与确定的组配方式适配的控制参数，以保证在所使用的组配方式下三轴惯性稳定平台的性能。从而，本申请实施例提供了一种能够适应多种传感器组配方式的伺服控制系统。

Description

一种伺服控制系统

技术领域

本申请属于航空遥感领域，尤其涉及一种伺服控制系统。

背景技术

视频及图像传感器作为快速、直观获取信息的通道和手段，广泛应用于军事侦察、空间遥感、灾害预报、资源探测等领域。传感器工作时受到飞机等动载体姿态变化、振动、气流扰动等因素影响，不可避免地产生视轴晃动，影响系统成像性能。在航空遥感领域通过惯性稳定平台对航空平台在方位、俯仰、滚转3个方向的姿态变化进行角度补偿，保证光学遥感载荷能够在较好的成像环境中工作，从而提高获取的遥感数据的质量。

针对全天时、全天候灾害现场信息快速获取需求，单一视频或图像传感器的光学载荷难以满足要求。为此，以气象、环境等不利观测因素为边界条件，根据传感器成像模式和测量特点，采用定制化RGB视频传感器、短波视频传感器、中波视频传感器、长波视频传感器、低照度传感器、宽幅红外传感器、SAR传感器、高精度三轴惯性稳定平台、同一图像存储压缩及轻小型模块化设计，实现多种遥感系统快速互换集成，支撑多种灾害场景的三维立体成图、红外和可见图像以及实时视频，实时对灾害现场概要、详细、要素信息快速准确获取。

然而，不同的互换集成组件的结构差异造成质量上的差异，反映到惯性稳定平台三轴的转动惯量不同，一套控制参数已不能满足要求。并且，三轴惯性稳定平台受到复杂多样扰动因素（载机的扰动、环境扰动以及轴系间摩擦力矩扰动等各种干扰）的影响，尤其是来自载机的干扰，不易观测和隔离，比如，载机平台姿态变化会造成成像区域偏离目标区域和像移残余误差。

因此，目前希望提供一种能够适应多套互换集成组件和/或抗干扰能力强的伺服控制系统。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种伺服控制系统，以解决现有技术中由于控制参数单一造成伺服控制系统无法适应多套互换集成组件和/或平台受到复杂多样扰动因素的影响的问题。

本申请实施例提供一种伺服控制系统，应用于三轴惯性稳定平台，所述三轴惯性稳定平台可以搭载多种组配方式的传感器；所述伺服控制系统包括：

获取模块，用于获取主控系统发送的主控信息和传感器数据；

确定模块，用于根据所述主控信息确定传感器的组配方式；

参数选取模块，用于从预设的多套控制参数中选取与确定的组配方式对应的控制参数；

计算模块，用于根据所述主控信息和所述传感器数据计算相应的角位置指令值和角速度指令值。

在一些实施例中，传感器可以按照以下任一组配方式组配：RGB传感器和长波视频红外传感器、RGB传感器和中波视频红外传感器、宽幅红外传感器、RGB传感器和彩色测绘相机、短波视频红外传感器和低照度传感器、SAR传感器。

在一些实施例中，所述三轴惯性稳定平台具有包括GPS和IMU的定位定姿系统，所述定位定姿系统用于测量机载平台的姿态角、位置和速度；所述伺服控制系统还包括姿态补偿模块，所述姿态补偿模块用于根据所述定位定姿系统输出的姿态角控制所述三轴惯性稳定平台的三轴运动，以补偿机载平台的姿态变化造成的像移。

在一些实施例中，所述三轴惯性稳定平台搭载视频传感器；所述伺服控制系统还包括视频跟踪控制模块，所述视频跟踪控制模块用于控制方位轴和俯仰轴的复合运动，以实现目标区域的视频跟踪。

在一些实施例中，所述三轴惯性稳定平台搭载宽幅红外传感器或低照度传感器或彩色测绘相机；所述伺服控制系统还包括摆扫成像模块，所述摆扫成像模块用于控制滚转轴的运动以实现垂直于飞行方向的扫摆成像。

在一些实施例中，所述摆扫成像模块还用于控制俯仰轴的运动，以补偿曝光期间的前向像移。

在一些实施例中，所述伺服控制系统还包括反馈模块，所述反馈模块用于向主控系统反馈平台控制指令、平台状态、传感器通信异常状态和IMU数据中的至少一个。

在一些实施例中，所述主控信息包括平台控制指令；所述平台控制指令包括以下预设指令中的至少一种：空指令、等待指令、自检指令、单杆跟踪指令、视频跟踪指令、垂直准备指令、垂直拍照指令、摆扫准备指令、摆扫拍照指令、平台升指令、平台降指令。

在一些实施例中，所述主控信息包括用于标识不同组配方式的组配识别码。

在一些实施例中，所述主控信息包括可见光变倍倍率、图像控制指令、平台控制指令、方位单杆值、俯仰单杆值中的至少一种。

本申请实施例可能具有的有益效果包括：

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种三轴惯性稳定平台的剖视图；

图2示出了本申请实施例提供的一种应用于图1所示的三轴惯性稳定平台的电路原理图；

图3示出了本申请实施例提供的一种位置和速度双环控制流程图；

图4示出了本申请实施例提供的一种伺服控制系统的程序框架；

图5是本申请实施例提供的一种姿态补偿方式的空间示意图；

图6是本申请实施例提供的一种视频跟踪方式的空间示意图；

图7是本申请实施例提供的一种摆扫成像方式的空间示意图。

图标：110-方位机构;120-滚转机构；130-俯仰机构；140-三轴陀螺；150-定位定姿系统；160-电源通信接口；170-传感器通信接口；180-安装接口；190-通用接口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一路的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

请参照图1，图1是本申请实施例提供的一种三轴惯性稳定平台的剖视图。如图1所示，所述三轴惯性稳定平台可以包括方位机构110、滚转机构120、俯仰机构130、三轴陀螺140、定位定姿系统（Position and Orientation System, POS）150、电源通信接口160、传感器通信接口170、安装接口180和通用接口190。

其中：方位机构110可以包括方位框架、精密轴承、方位直流力矩电机和方位编码器；滚转机构120可以包括滚转框架、精密轴承、滚转直流力矩电机和滚转编码器；俯仰机构130可以包括俯仰框架、精密轴承、俯仰直流力矩电机和俯仰编码器。

最外环为方位轴（对应视轴），中间环为滚转轴（与飞行方向平行），最内环为俯仰轴（与视轴和飞行方向垂直）。俯仰框架上设置有具有标准接口的通用过渡板，用于满足不同类型传感器的快速换装。不同类型的传感器可以形成6种组配方式，具体包括：RGB传感器+长波视频红外传感器、RGB传感器+中波视频红外传感器、宽幅红外传感器、RGB传感器+彩色测绘相机传感器、短波视频红外传感器+低照度传感器、SAR传感器。

请再参照图2，图2示出了本申请实施例提供的一种应用于图1所示的三轴惯性稳定平台的电路结构。如图2所示，所述伺服控制系统可以包括接口电路、转换电路/芯片、电压输出芯片、接收芯片和中央处理单元。

在一些实施例中，如图2所示，中央处理单元可以连接有接口电路和电平转换电路，以在主控系统、图像处理器和/或IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）与中央处理单元之间进行数据和/或信息的传输。具体地，中央处理单元和主控系统之间可以通过接口电路收/发主控信息，中央处理单元可以通过接口电路接收图像处理单元给出的图像信息和IMU给出的IMU数据。另外，中央处理单元还可以通过接口电路接收GPS数据。

如图2所示，在一些实施例中，中央处理单元可以采用TMS320F28335微处理器，接口电路可以采用RS422接口电路。例如，主控系统向RS422接口电路发送422RXD+信号和422RXD-信号，并接收RS422接口电路给出的422TXD+信号和422TXD-信号。又如，图像处理器/IMU向RS422接口电路发送422RXD+信号和422RXD-信号。

本实施例中，通用光电载荷是指所述三轴惯性稳定平台搭载的具有多种组配方式的传感器。在一些实施例中，通用光电载荷可以通过DA（数字转模拟）模拟电压输出芯片与中央处理单元连接，以接收中央处理单元输出的表征滚转角速度的模拟电压，从而控制传感器滚转轴的运动。

在一些实施例中，所述三轴惯性稳定平台的电源接口可以采用图2所示的DC/DC（直流/直流）转换电路。进一步地，该DC/DC转换电路将电源系统提供的5V标准电压转换成3.3V/1.9V电压提供给中央处理单元。

在一些实施例中，中央处理单元可以通过电平转换电路向方位轴、滚转轴和俯仰轴电机的驱动器输出PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制电压信号。在一些实施例中，如图2所示，电平转换电路可以将中央处理单元输出的3.3V电压转换成足以驱动电机的5V电压。类似地，中央处理单元可以通过电平转换芯片接收POS反馈的姿态角速度。在一些实施例中，中央处理单元可以通过两片串行接收芯片分别接收三轴陀螺和三轴编码器输出的数据。在一些实施例中，串行接收芯片可以采用TL16C752B芯片。

按模块划分，所述伺服控制系统可以包括获取模块、确定模块、参数选取模块和计算模块。其中：获取模块可以用于获取主控系统发送的主控信息和传感器数据；确定模块可以用于根据所述主控信息确定传感器的组配方式；参数选取模块可以用于从预设的多套控制参数中选取与确定的组配方式对应的控制参数；计算模块可以用于根据所述主控信息和所述传感器数据计算相应的角位置指令值和角速度指令值。

本实施例中，所述伺服控制系统中预置有与所述多组组配方式分别适配的多套控制参数，工作时可以从中选取与确定的组配方式适配的控制参数，以保证在所使用的组配方式下三轴惯性稳定平台的性能。从而，本申请实施例提供了一种能够适应多种传感器组配方式的伺服控制系统。

在一些实施例中，所述主控信息包括可见光变倍倍率、图像控制指令、平台控制指令、方位单杆值、俯仰单杆值中的至少一种。其中，所述组配识别码用于识别不同的组配方式，所述平台控制指令可以包括以下预设指令中的至少一种：空指令、等待指令、自检指令、单杆跟踪指令、视频跟踪指令、垂直准备指令、垂直拍照指令、摆扫准备指令、摆扫拍照指令、平台升指令、平台降指令。

所述伺服控制系统还可以包括反馈模块，所述反馈模块用于向主控系统反馈平台控制指令、平台状态、传感器通信异常状态和IMU数据中的至少一个。

本实施例中，方位轴、滚转轴和俯仰轴独立控制，均采用相同的如图3所示的位置和速度双环控制结构，速度控制和位置控制两种模式可互相切换。其中，速度环采用三轴陀螺输出的姿态（包括方位轴、滚转轴和俯仰轴）角速度作为速度控制/位置控制时的速度反馈，位置环采用编码器给出的角度作为位置控制时的位置反馈且通过定位定姿系统输出的姿态信息反馈来实时补偿飞机的姿态扰动。

三轴惯性稳定平台在工作过程中，伺服控制系统的程序框架具体可以包括图4所示的流程：在通信收发正常情况下，首先对通信数据（例如，主控信息、图像信息、IMU数据、GPS数据、传感器数据等）按通信协议进行处理，然后根据主控信息获取组配识别码，选取该组配的控制器参数，其次实时获取主控信息的平台控制指令，解析并计算相应的位置和速度指令值。

在一些实施例中，由于机载平台的姿态（方位、横滚、俯仰）变化，造成成像区域偏离目标区域和像移残余误差，从而导致传感器任务执行质量下降或失效，在此情况下可以通过惯性稳定平台的伺服控制系统对传感器的姿态变化加以校正。具体地，三轴惯性稳定平台可以具有包括GPS和IMU的定位定姿系统，所述定位定姿系统用于测量机载平台的姿态角、位置和速度。相应地，所述伺服控制系统还可以包括姿态补偿模块，所述姿态补偿模块可以用于根据所述定位定姿系统输出的姿态角控制所述三轴惯性稳定平台的三轴运动，例如，带动相机做与姿态变化相反的运动，以补偿机载平台的姿态变化造成的像移。如图5所示，绕Z轴的角速度ω₃表示方位轴的姿态变化速率，绕Y轴的ω₂表示俯仰轴的姿态变化速率，绕X轴的ω₁表示滚转轴的姿态变化率。

在一些实施例中，当三轴惯性稳定平台搭载当搭载视频传感器时，所述伺服控制系统还可以包括视频跟踪控制模块，所述视频跟踪控制模块可以用于控制传感器方位轴和俯仰轴的复合运动，以实现目标区域的视频跟踪。优选地，该复合运动可以为大角度范围的运动，例如，方位轴的运动的角度范围可以是0~360度，俯仰轴的运动的角度范围可以是0~90度。如图6所示，绕Z轴的角速度ω₃表示方位轴的运动速率，绕Y轴的ω₂表示俯仰轴的运动速率。

当三轴惯性稳定平台搭载宽幅红外传感器或低照度传感器和彩色测绘相机时，所述伺服控制系统还可以包括摆扫成像模块，所述摆扫成像模块用于控制传感器滚转轴的运动以实现垂直于飞行方向的扫摆成像。优选地，扫摆的角度范围可以为大角度范围。例如，扫摆的角度范围可以是0~180度。进一步地，所述摆扫成像模块还可以用于控制俯仰轴的运动以补偿曝光期间的前向像移。优选地，俯仰运动可以为大角度范围的运动。例如，俯仰运动的角度范围可以是0~90度。如图7所示，绕Y轴的ω₂表示俯仰轴的运动速率，绕X轴的ω₁表示滚转轴的运动速率。

通过本申请的一个或多个实施例，能够实现多种传感器组配方式下的姿态补偿、视频跟踪和摆扫成像综合控制。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的三轴惯性稳定系统和/或伺服控制系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的伺服控制系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，模块的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种伺服控制系统，其特征在于，应用于三轴惯性稳定平台，所述三轴惯性稳定平台可以搭载多种组配方式的传感器；所述伺服控制系统包括：

确定模块，用于根据所述主控信息确定传感器的组配方式；

计算模块，用于根据所述主控信息和所述传感器数据计算相应的角位置指令值和角速度指令值；

所述三轴惯性稳定平台具有包括GPS和IMU的定位定姿系统，所述定位定姿系统用于测量机载平台的姿态角、位置和速度；所述伺服控制系统还包括姿态补偿模块，所述姿态补偿模块用于根据所述定位定姿系统输出的姿态角控制所述三轴惯性稳定平台的三轴运动，带动相机做与姿态变化相反的运动，以补偿机载平台的姿态变化造成的像移。

2.如权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，传感器可以按照以下任一组配方式组配：RGB传感器和长波视频红外传感器、RGB传感器和中波视频红外传感器、宽幅红外传感器、RGB传感器和彩色测绘相机、短波视频红外传感器和低照度传感器、SAR传感器。

3.如权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，所述三轴惯性稳定平台搭载视频传感器；所述伺服控制系统还包括视频跟踪控制模块，所述视频跟踪控制模块用于控制方位轴和俯仰轴的复合运动，以实现目标区域的视频跟踪。

4.如权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，所述三轴惯性稳定平台搭载宽幅红外传感器或低照度传感器或彩色测绘相机；所述伺服控制系统还包括摆扫成像模块，所述摆扫成像模块用于控制滚转轴的运动以实现垂直于飞行方向的扫摆成像。

5.如权利要求4所述的伺服控制系统，其特征在于，所述摆扫成像模块还用于控制俯仰轴的运动，以补偿曝光期间的前向像移。

6.如权利要求1-5中任一项所述的伺服控制系统，其特征在于，所述伺服控制系统还包括反馈模块，所述反馈模块用于向主控系统反馈平台控制指令、平台状态、传感器通信异常状态和IMU数据中的至少一个。

7.如权利要求1-5中任一项所述的伺服控制系统，其特征在于，所述主控信息包括平台控制指令；所述平台控制指令包括以下预设指令中的至少一种：空指令、等待指令、自检指令、单杆跟踪指令、视频跟踪指令、垂直准备指令、垂直拍照指令、摆扫准备指令、摆扫拍照指令、平台升指令、平台降指令。

8.如权利要求1-5中任一项所述的伺服控制系统，其特征在于，所述主控信息包括用于标识不同组配方式的组配识别码。

9.如权利要求1-5中任一项所述的伺服控制系统，其特征在于，所述主控信息包括可见光变倍倍率、图像控制指令、平台控制指令、方位单杆值、俯仰单杆值中的至少一种。