CN112558586A - 一种基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法 - Google Patents

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孙拓
戴川
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Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其中，包括：生成可调正弦扫频信号；控制系统执行扫频，包括：扫频过程中，每个频率点进行多个正弦周期测试；嵌入式软件随动正弦扫频信号计算电机控制信号，控制稳定平台随动正弦扫频信号完成正弦扫频运动；以及按照计算周期记录扫频数据，并按照固定帧格式完成扫频数据封装，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机；接收扫频数据，并根据固定帧格式完成数据解算。通过采用嵌入式软件生成扫频信号，降低了试验成本，缩减了系统电路外设，有利于系统的小型化集成，使扫频测试更加方便灵活。

Description

一种基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法
技术领域
本发明涉及机载稳定平台、轻小型吊舱等高集成度高精度小型伺服控制系统扫频测试技术，特别涉及一种基于嵌入式软件的扫频测试方法。
背景技术
无人机等天基平台轻量化小型化的发展趋势，使得作为其重要任务设备的吊舱结构尺寸重量等指标也越来越注重小型化的要求。与此同时，轻量化小型化前提下，隔离载机扰动的稳定平台动态性能指标愈发重要，稳定平台中对控制系统信号响应速度的要求也越来越高。
现有的控制系统的带宽可以通过稳定平台阶跃响应进行时域分析或动态信号分析仪进行频域分析的方法确定。通常时域分析法只能通过经验公式对控制系统带宽进行估算，将被控对象作为简单惯性环节进行分析，对于实际系统的谐振特性无法准确辨识，调试易将系统的谐振频率点包含在设计带宽之内，使稳定平台在正常工作时会有自激震荡的风险，系统不稳定。基于动态信号分析仪的频域分析测试能够准确的完成控制系统的扫频测试，得出控制系统频域特性，但是动态信号分析仪的使用需要数字信号处理器所处电路提供AD、DA等外设提供信号接口，不利于吊舱的轻小型化集成。同时动态信号分析仪造价昂贵，测试成本较高。
上述方法中，时域方法对系统带宽的测量不够准确，频域方法系统较大、造价高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其中，包括：生成可调正弦扫频信号；控制系统执行扫频，包括：扫频过程中，每个频率点进行多个正弦周期测试；嵌入式软件随动正弦扫频信号计算电机控制信号，控制稳定平台随动正弦扫频信号完成正弦扫频运动；以及按照计算周期记录扫频数据，并按照固定帧格式完成扫频数据封装，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机；接收扫频数据，并根据固定帧格式完成数据解算。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，生成可调正弦扫频信号包括：可调正弦扫频信号计算公式如下式：InputData＝SwapValue·sin(2π(fstart+m·Δf)·n·Δt)；其中InputData为正弦扫频信号，即控制系统输入，SwapValue为扫频信号幅值；(fstart+m·Δf)为扫频信号频率，fstart起始频率值、fstop结束频率值和变化步长Δf可根据系统需要进行调节；n·Δt为离散时间，Δt为嵌入式软件计算周期。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，控制系统执行扫频过程中，每个频率点进行20个正弦周期测试，完成后m值自加1进入下一频率点，重复进行20个正弦周期测试，直至fstart+m·Δf≥fstop扫频测试结束。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，每个频率点正弦周期测试次数为20次，取每个扫频点第2次至第19次中间18次的扫频过程，进行数据封装，在此过程中嵌入式软件按照计算周期记录扫频数据以及系统输出信号，并按照固定帧格式完成扫频数据封装，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，按接收时间顺序，采用列向量格式保存至.txt格式的数据文件；将数据文件导入matlab中，采用System Identification Tool工具箱进行数据处理得出控制系统BODE图，完成扫频测试。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，系统由两部分组成：上位机以及被测试设备，上位机负责设定扫频信号幅值、扫频频率步长以及扫频起止频率，接收并解算扫频数据，并将数据进行存储；被测试设备内部数字信号处理器平台上的嵌入式软件根据扫频信号的设定，生成扫频信号，并根据扫频信号计算电机控制信号驱动电机，同时完成扫频数据以及系统输出数据封装并发送至上位机。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，扫频信号的生成过程包括：利用(fstart+m·Δf)计算出扫频信号当前频率f，利用f计算当前频率扫频信号周期T，当n·Δt大于T时，扫频周期数加1；当扫频完成20个正弦周期后，m加1进入下一频率点，实现每20个正弦周期变频率的扫频信号的生成；fstart起始频率值、fstop结束频率值和变化步长Δf根据实际系统需要进行调节；n·Δt为离散时间，Δt为嵌入式软件计算周期。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，将扫频数据中的扫频信号值Ac以及系统输出值Ab按照保留精度要求分别乘以标度值10x，依次写入串口发送缓存数组，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，上位机通过查询的方式访问串口，将接收的数据进行解析存储，将解包得到扫频信号值以及系统输出值分别除以标度值10x得到Ac以及Ab，使用标准库函数中Write()函数按列向量将数据按列写入数据文件ScanData.txt中，其中Ac为第一列，Ab为第二列，下一包数据换行后仍按照Ac为第一列，Ab为第二列的格式进行存储。
根据本发明所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法的一实施例，其中，上位机软件完成基于串口的数据解析存储，存储频率不高于2KHz。
本发明一种基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法来测试控制系统带宽，实践结果表明该方法具有成本低、实现方便的特性。
附图说明
图1是一种基于嵌入式软件的轻小型吊舱的扫频测试系统组成。
图2是可调正弦扫频信号生成流程图。
图3是串口数据帧格式图。
图4是扫频测试结果。
图5是被测试系统BODE图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1至图5所示，本发明通过数字信号处理器上运行的嵌入式软件产生一种周期、幅值可调节的正弦扫频信号作为系统输入，嵌入式软件完成系统随动控制计算并同步将系统输入扫频信号、系统输出信号通过串口将信号以固定格式输出至上位机软件，最后通过采用matlab对上位机软件存储的信号进行分析实现控制系统扫频测试。其特点在于作为系统输入的扫频的正弦信号由数字信号处理器嵌入式软件产生，硬件电路无须预留AD、DA等外设信号接口，节省电路资源，有利于产品小型化集成；采用matlab工具箱完成数据分析处理，无需连接造价昂贵的动态信号分析仪；嵌入式软件完成扫频信号、系统输出信号的采集并通过串口进行输出，保证了输入输出信号的相位匹配；由上位机软件完成基于串口的数据解析存储，存储频率不高于2KHz，可实现200Hz信号特征不失真，满足绝大多数轻小型吊舱控制系统扫频测试的需求。具体包括下列步骤：
(1)生成可调正弦扫频信号
根据香浓定理和控制系统带宽设计经验，一般认为正弦扫频信号数据点频率为控制系统带宽10倍时能够保证扫频结果准确。可调正弦扫频信号计算公式如下式：InputData＝SwapValue·sin(2π(fstart+m·Δf)·n·Δt)
其中InputData为正弦扫频信号，即控制系统输入，SwapValue为扫频信号幅值；(fstart+m·Δf)为扫频信号频率，fstart起始频率值、fstop结束频率值和变化步长Δf可根据实际系统需要进行调节；n·Δt为离散时间，Δt为嵌入式软件计算周期。
(2)控制系统执行扫频
扫频过程中，每个频率点进行20个正弦周期测试，完成后m值自加1进入下一频率点，重复进行20个正弦周期测试，直至fstart+m·Δf≥fstop扫频测试结束。
嵌入式软件随动正弦扫频信号计算电机控制信号，控制稳定平台随动正弦扫频信号完成正弦扫频运动。
每个频率点正弦周期测试次数为20次，为排除扫频点频率变化引起的指令跳变，取每个扫频点第2次至第19次中间18次的扫频过程，进行数据封装，在此过程中嵌入式软件按照计算周期记录扫频信号、系统输出信号，并按照固定帧格式完成扫频数据封装，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机；
(3)扫频数据存储与处理
上位机基于VS完成，使用串口的发送库函数发送控制命令，接收库函数接收扫频数据，并根据固定帧格式完成数据解算，按接收时间顺序，采用列向量格式保存至.txt格式的数据文件；将数据文件导入matlab中，采用System Identification Tool工具箱进行数据处理得出控制系统BODE图，完成扫频测试。
本发明涉及一种基于嵌入式软件的扫频测试方法，它主要适用于机载稳定平台、轻小型吊舱等高集成度高精度小型伺服控制系统扫频测试，具体可应用于ARM、DSP等数字信号处理器平台的嵌入式控制软件中，通过串口等常用接口完成控制系统扫频测试。
如图1至图5所示，本发明一种基于嵌入式软件的轻小型吊舱的扫频测试的另一实施例包括：
(1)扫频测试方法的应用系统由两部分组成：上位机、被测试设备。其中，上位机负责设定扫频信号幅值、扫频频率步长、扫频起止频率，接收并解算扫频数据，并将数据进行存储；被测试设备内部数字信号处理器平台上的嵌入式软件根据扫频信号的设定，生成扫频信号，并根据扫频信号计算电机控制信号驱动电机，同时完成扫频数据、系统输出数据封装并发送至上位机。系统组成如图1所示；
(2)扫频信号的生成过程如图2所示，利用(fstart+m·Δf)计算出扫频信号当前频率f，利用f计算当前频率扫频信号周期T，当n·Δt大于T时，扫频周期数加1；当扫频完成20个正弦周期后，m加1进入下一频率点，实现每20个正弦周期变频率的扫频信号的生成；
(3)将扫频数据中的扫频信号值Ac、系统输出值Ab按照保留精度要求分别乘以标度值10x，依次写入串口发送缓存数组SendData[m]，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机，数据帧组成格式如图3所示；
(4)上位机软件通过查询的方式访问串口，将接收的数据进行解析存储，将解包得到扫频信号值、系统输出值分别除以标度值10x得到Ac、Ab，使用标准库函数中Write()函数按列向量将数据按列写入数据文件ScanData.txt中，其中Ac为第一列，Ab为第二列，下一包数据换行后仍按照Ac为第一列，Ab为第二列的格式进行存储。
(5)测试完成后将ScanData.txt文件导入matlab中，采用System IdentificationTool工具箱进行数据处理得出控制系统BODE图，如图4所示，完成扫频测试。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)采用嵌入式软件生成扫频信号，降低了试验成本，缩减了系统电路外设，有利于系统的小型化集成，使扫频测试更加方便灵活。
2)扫频信号幅值、扫频频率步长、扫频起止频率等可通过上位机软件设定，可满足不同型号设备的扫频测试需求，通用性强。
3)扫频信号存储处理去除了由于嵌入式软件生成扫频信号时由于频率变化引起的信号跳变造成的正弦信号变形失真，保证扫频结果准确。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，包括：
生成可调正弦扫频信号；
控制系统执行扫频，包括：
扫频过程中，每个频率点进行多个正弦周期测试；
嵌入式软件随动正弦扫频信号计算电机控制信号，控制稳定平台随动正弦扫频信号完成正弦扫频运动；以及
按照计算周期记录扫频数据，并按照固定帧格式完成扫频数据封装，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机；
接收扫频数据，并根据固定帧格式完成数据解算。
2.如权利要求1所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，生成可调正弦扫频信号包括：
可调正弦扫频信号计算公式如下式：InputData＝SwapValue·sin(2π(fstart+m·Δf)·n·Δt)；
其中InputData为正弦扫频信号，即控制系统输入，SwapValue为扫频信号幅值；(fstart+m·Δf)为扫频信号频率，fstart起始频率值、fstop结束频率值和变化步长Δf可根据系统需要进行调节；n·Δt为离散时间，Δt为嵌入式软件计算周期。
3.如权利要求2所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，控制系统执行扫频过程中，每个频率点进行20个正弦周期测试，完成后m值自加1进入下一频率点，重复进行20个正弦周期测试，直至fstart+m·Δf≥fstop扫频测试结束。
4.如权利要求1所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，每个频率点正弦周期测试次数为20次，取每个扫频点第2次至第19次中间18次的扫频过程，进行数据封装，在此过程中嵌入式软件按照计算周期记录扫频数据以及系统输出信号，并按照固定帧格式完成扫频数据封装，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机。
5.如权利要求1所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，按接收时间顺序，采用列向量格式保存至.txt格式的数据文件；将数据文件导入matlab中，采用System Identification Tool工具箱进行数据处理得出控制系统BODE图，完成扫频测试。
6.如权利要求1所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，系统由两部分组成：上位机以及被测试设备，上位机负责设定扫频信号幅值、扫频频率步长以及扫频起止频率，接收并解算扫频数据，并将数据进行存储；被测试设备内部数字信号处理器平台上的嵌入式软件根据扫频信号的设定，生成扫频信号，并根据扫频信号计算电机控制信号驱动电机，同时完成扫频数据以及系统输出数据封装并发送至上位机。
7.如权利要求1所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，扫频信号的生成过程包括：利用(fstart+m·Δf)计算出扫频信号当前频率f，利用f计算当前频率扫频信号周期T，当n·Δt大于T时，扫频周期数加1；当扫频完成20个正弦周期后，m加1进入下一频率点，实现每20个正弦周期变频率的扫频信号的生成；fstart起始频率值、fstop结束频率值和变化步长Δf根据实际系统需要进行调节；n·Δt为离散时间，Δt为嵌入式软件计算周期。
8.如权利要求7所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，将扫频数据中的扫频信号值Ac以及系统输出值Ab按照保留精度要求分别乘以标度值10x，依次写入串口发送缓存数组，按照嵌入式软件计算周期通过串口发送至上位机。
9.如权利要求8所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，上位机通过查询的方式访问串口，将接收的数据进行解析存储，将解包得到扫频信号值以及系统输出值分别除以标度值10x得到Ac以及Ab，使用标准库函数中Write()函数按列向量将数据按列写入数据文件ScanData.txt中，其中Ac为第一列，Ab为第二列，下一包数据换行后仍按照Ac为第一列，Ab为第二列的格式进行存储。
10.如权利要求1所述的基于嵌入式软件的机载稳定平台的扫频测试方法，其特征在于，上位机软件完成基于串口的数据解析存储，存储频率不高于2KHz。
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