CN114234973B - 一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，首先根据四轴三框架平台框架轴系与台体坐标轴对应关系计算框架角偏差在台体坐标系投影、再以各轴角度差分配加矩量的粗加矩开环控制，使框架角从任意位置快速转动至目标位置，同时降低三轴交联的影响，最后在目标附近进行粗加矩闭环控制和精加矩闭环控制，使框架稳定在目标位置。本发明三轴同时快速转动至目标位置且保持高精度的方法，有利于消除平台交联的现象，进而实现对惯性导航系统快速发射的目的。

Description

一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法

技术领域

本发明属于惯性导航系统快速转位技术领域，涉及一种相关四轴惯性平台系统的飞行器快速转位的方法。

背景技术

惯性平台为飞行器提供惯性信息，是惯性导航系统的重要组成部件，其初始对准的时间和精度，直接影响飞行器的准备时间和最终精度。缩短对准的时间并具有稳定的高精度对准，是提高飞行器的发射机动性的有效途径，对飞行器的机动能力有重要的意义。

目前，平台式惯性导航系统的发射准备时间与平台转至目标位置的时间相关，针对四轴三框架平台，其环架多投影关系复杂、存在转位时间长、转位过程容易发生交联现象及短时间不能保证精度的问题。

通过以上分析可以看出，准确快速地从任意位置转至目标角度，需要解决平台转位快速性和精度问题。使平台能迅速转至目标位置，解决在转位过程中由于投影关系复杂引起的平台各个环架交联导致的持续转动或飞转问题，针对该难题提出合理控制方案；同时平台在规定时间要达到精度稳定的要求，需要在快速转位至目标位置附近后，提出精加矩控制算法，独立地控制平台三个轴。因此降低转位时间，保持平台精度，是惯性导航快速发射领域的迫切需求。因此，需要研究一种新的平台高精度转位的方法，解决四轴三框架平台从极限位置转至目标位置的快速性和精度的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，首先根据四轴三框架平台框架轴系与台体坐标轴对应关系计算框架角偏差在台体坐标系投影、再以各轴角度差分配加矩量的粗加矩开环控制，使框架角从任意位置快速转动至目标位置，同时降低三轴交联的影响，最后在目标附近(给定值)进行粗加矩闭环控制和精加矩闭环控制，使框架稳定在目标位置。本发明三轴同时快速转动至目标位置且保持高精度的方法，有利于消除平台交联的现象，进而实现对惯性导航系统快速发射的目的。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，包括如下步骤：

步骤(1)，在每个控制周期，获取当前框架角的位置θ_Fi，根据框架角期望值θ_FDi和当前框架角的位置θ_Fi，计算框架角偏差Δθ_Fi，i＝y′，x，y，z,分别对应平台随动轴，外环轴，内环轴和台体轴；

步骤(2)，根据框架轴系与台体坐标轴的对应关系计算框架角偏差Δθ_Fi在台体坐标系投影Δθ_Pi，i＝x，y，z；

步骤(3),根据步骤(2)所得Δθ_Pi对陀螺进行粗加矩角度差转动控制，并判断框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi是否小于给定值α，如果Δθ_Pi＜α，使对应的陀螺进行步骤(4)，否则，重复步骤(1)至步骤(3)；

步骤(4)，根据框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，对陀螺进行粗加矩闭环控制，同时判断框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi是否同时小于给定值β，i＝x，y，z；如果各框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi同时小于给定值β，则进行步骤(5)，否则重复步骤(4)；

步骤(5)，根据框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，对陀螺进行精加矩闭环控制，直至各框架角稳定在目标位置。

进一步的，所述步骤(1)中，考虑负反馈控制的要求，使框架角偏差Δθ_Fi为[-180°,180°]，

其中，Δθ′_Fi＝θ_Fi-θ_FDi。

进一步的，随动环正常工作的随动状态下：

当台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°时，随动轴框架角偏差Δθ_Fy'和内环轴框架角偏差Δθ_Fy都取负；

当外环轴框架角期望值θ_FDx为180°，随动轴框架角偏差Δθ_Fy'取负；

当台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°且外环轴框架角期望值θ_FDx为180°时，随动轴框架角偏差Δθ_Fy’取正；

随动环工作在锁零状态的随锁状态时：

当外环轴框架角期望值θ_FDx为90°或270°时，平台框架轴系方位轴为台体轴；

其他情况下，平台框架轴系的方位轴为内环轴；

平台框架轴系的方位轴为内环轴时，若台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°时，则平台框架轴系方位轴的框架角偏差取负。

进一步的，所述步骤(2)中，框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi为：

随动环正常工作的随动状态时，

其中/>

为对应关系矩阵；

随动环工作在锁零状态的随锁状态时，

其中/>

为对应关系矩阵。

进一步的，所述步骤(3)中，对陀螺进行粗加矩角度差转动控制的具体方法包括：

步骤(3.1)，计算框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，i＝x，y，z的绝对值的最大值，Δθ_Pmax＝max(abs(Δθ_Px),abs(Δθ_Py),abs(Δθ_Pz))；

步骤(3.2)，根据Δθ_Pmax计算施加到陀螺的无量纲控制量u_i。

进一步的，所述步骤(3.2)中，u_i的值域为[-1,1]，与Δθ_Pmax相对应的陀螺的无量纲控制量为1或-1，分别表示该陀螺正向满加矩或负向满加矩。

进一步的，所述步骤(3.2)中，陀螺的无量纲控制量的计算公式为：

进一步的，所述步骤(3)中，给定值α为1°～3°。

进一步的，所述步骤(4)和步骤(5)中，加矩闭环控制采用以下离散控制率：

u_i(k)＝G_cΔθ_Pi(k)，

其中，G_c为控制率，Δθ_Pi(k)为输入角度，u_i(k)为输出控制量，i＝x,y,z。

进一步的，所述步骤(4)中的给定值β小于步骤(3)中的给定值。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，在三轴同时转动情况下，充分考虑了极大缩短转位时间、不同控制率对发生平台交联影响及精度保持等多个方面，通过框架角偏差与台体坐标系的投影关系，对各框架角偏差进行判断，对其中最大的框架角偏差对应的陀螺仪施加满加矩，其余根据偏差角施加等比例的加矩量，可使平台各框架角等比例接近目标位置，避免平台框架发生交联而失去控制；

(2)本发明适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，对最大的框架角偏差对应陀螺以满加矩最大转速由极限位置迅速转至目标位置附近，进入目标位置给定值附近后，粗加矩闭环控制可较快速使三轴同时进入精加矩状态，在精加矩闭环控制下，实现了平台可在快速转至目标位置并达到较高的精度的目的；

(3)本发明为针对四轴惯性平台由任意位置快速转至目标位置，并保持高精度的一种转位方法，具有精度高、转速快，编程容易实现的优点，对导弹缩短发射准备时间、提高精度有重要意义。

附图说明

图1为本发明中一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法的流程图；

图2为本发明中快速转位各轴框架角实时位置的示意图，其中(a)为随动轴框架角转动示意图，(b)为外环轴框架角转动示意图，(c)为内环轴框架角转动示意图，(d)为台体轴框架角转动示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

图1是本发明实施例中的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法的流程图，本发明方法具体可以包括如下步骤：

(1)在每个控制周期，获取当前框架角的位置信息θ_Fi，根据期望的目标框架角位置，计算框架角偏差Δθ_Fi；

具体地，θ_Fi、θ_FDi分别为框架角实际值和期望值，首先计算：

Δθ′_Fi＝θ_Fi-θ_FDi (1)

综合考虑负反馈控制的要求，框架角偏差角度范围为[-180°,180°]，则有框架角偏差计算公式：

式中：i＝y′,x,y,z分别对应平台随动轴、外环轴、内环轴和台体轴。

由于平台框架轴系与台体坐标轴的对应关系在位置转动过程中将发生变化，需特别注意台体坐标系方位轴与平台框架轴系方位轴的极性对应关系。在各框架轴期望标称角度为90°整数倍的情况下：

平台竖直放置时，平台框架轴系的方位轴始终为随动轴，此时方位轴的框架角偏差为随动轴和内环轴偏差的和。

若下列情况存在，则平台框架轴系的框架角偏差应在框架角偏差算法计算值的基础上进行如下处理：

随动环正常状态工作(随动状态)：

当台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°时，随动轴框架角偏差Δθ_Fy′和内环轴框架角偏差Δθ_Fy都取负；

当外环轴框架角期望值θ_FDx为180°，随动轴框架角偏差Δθ_Fy′取负(上述两种情况都存在时，随动轴框架角偏差Δθ_Fy′两次取负，负负为正)。

随动环工作在锁零状态(随锁状态)：

当外环轴框架角期望值θ_FDx为90°或270°时，平台框架轴系方位轴为台体轴；

其他情况下，平台框架轴系的方位轴为内环轴；

平台框架轴系的方位轴为内环轴时，若台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°时，则平台框架轴系方位轴的框架角偏差应在框架角偏差算法计算值的基础上取负。

(2)根据框架轴系与台体坐标轴对应关系计算框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi：

由于四轴平台工作有随动和随锁两种工作状态，下面分别介绍计算方法如下：

随动环正常工作(随动状态)时，框架轴角度偏差与台体坐标轴的对应关系算法为：

式中：Δθ_Fi(i＝x，y′，z)分别为外环轴、随动轴、台体轴框架角度偏差；Δθ_Pi(i＝x,y,z)分别为外环轴，内环轴和台体轴框架角偏差在台体坐标系投影；

为对应关系矩阵，其中，θ_Fx、θ_Fz分别为外环轴、台体轴框架角的实际值，即当前框架角的位置信息。

随动环工作在锁零状态(随锁状态)时，框架轴角度偏差与台体坐标轴的对应关系为：

式中：Δθ_Fi(i＝x,y,z)分别为外环轴、内环轴、台体轴框架角偏差；Δθ_Pi(i＝x,y,z)分别为外环轴，内环轴和台体轴框架角偏差在台体坐标系投影；

为对应关系矩阵，其中θ_Fz为台体轴框架角的实际值，即当前台体轴框架角的位置信息。

(3)分别判定Δθ_Pi的范围，为保证转动的快速性，进行粗加矩角度差转动控制，即对偏差角最大的陀螺进行满加矩，其余进行偏差角等比例转动，保证最大偏差角转至目标的转速为设定的最大角速度；分别判断各框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，若存在某框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi小于给定值α(α优选范围为1°～3°)，则使对应陀螺进行步骤(4)，未进入给定值范围内则继续步骤(1)至步骤(3)；本发明中提到的粗加矩为一种分辨率低的加矩方式；

具体地，粗加矩角度差等比转动控制实施如下：

a.计算Δθ_Pi(i＝x,y,z)的绝对值中的最大值(°)

Δθ_Pmax＝max(abs(Δθ_Px),abs(Δθ_Py),abs(Δθ_Pz)) (5)

b.计算控制量(无量纲)

其中u_i表示施加到陀螺的控制量，i＝x,y,z，u_i的值域为[-1,1]，当u_i＝1时，表示该陀螺正向满加矩，当u_i＝-1时，表示该陀螺负向满加矩。

(4)根据框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，进行陀螺粗加矩闭环控制，同时判断各框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi是否同时小于给定值β(β<α)，如果各框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi同时小于给定值β，则进行步骤(5)，否则重复步骤(4)；

进一步地，根据指标要求进行控制器设计，采用以下离散控制律：

u_i(k)＝G_cΔθ_Pi(k) (7)

式中：G_c为控制率，Δθ_Pi(k)为输入角度，u_i(k)为输出控制量，i＝x,y,z。

(5)根据平台框架轴系方位轴判定，进行精加矩闭环控制至稳定在目标位置。根据平台框架轴系方位轴判定，进行框架锁定精加矩控制至达到目标位置。本发明中提到的精加矩为一种分辨率高的精密加矩方式，具体地，选用精加矩控制器，采用如下离散控制率：

u_i(k)＝G_cΔθ_Pi(k) (8)

式中：G_c控制率，Δθ_Pi(k)为输入角度，u(k)为输出控制量，i＝x,y,z。

实施例1：

本实施例中适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法如下：

a、首先输入期望的目标位置(随动轴、外环轴、台体轴)框架角数值。本例中框架角期望值θ_FDy’、θ_FDx、θ_FDz分别为(210,0,0)。

b、控制软件每个控制周期采集一次当前框架角实时位置θ_Fi，根据θ_Fi与框架角期望值θ_FDi利用公式(1)和(2)进行计算框架角偏差值Δθ_Fi。

本例中采集的当前框架角的位置θ_Fy’、θ_Fx、θ_Fz(随动轴、外环轴、台体轴)为(20,310,110)，则：

综合考虑负反馈控制的要求，则有框架角偏差：

c、本实施例中随动环正常工作(随动状态)，根据公式(3)计算框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi。

式中：Δθ_Fi(i＝xy′，z)分别为外环轴、随动轴、台体轴框架角偏差；Δθ_Pi(i＝x,y,z)分别为外环轴，内环轴和台体轴框架角偏差在台体坐标系投影；

为对应关系矩阵，其中，θ_Fx、θ_Fz分别为外环轴、台体轴框架角的实际值，即当前框架角的位置信息。

d、根据框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi(i＝x,y,z)，计算各轴加矩量，粗加矩角度差等比转动控制实施如下：

计算Δθ_Pi(i＝x,y,z)的绝对值中的最大值(°)

Δθ_Pmax＝max(abs(Δθ_Px),abs(Δθ_Py),abs(Δθ_Pz))＝176

根据投影偏差最大值计算控制量(无量纲)

其中u_i表示施加到陀螺的控制量，i＝x,y,z，u_i的值域为[-1,1]，当u_i＝1时，表示该陀螺正向满加矩，当u_i＝-1时，表示该陀螺负向满加矩。

e、根据框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，分别判断三个轴角度，若Δθ_Pi小于给定值α(设给定值为1°)，分别对陀螺进行闭环控制。

f、根据平台框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，当各框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi均小于给定值β(设给定值为0.5°)，进行精加矩闭环控制至稳定在目标角度。

本例中，选用加矩控制器均选择为比例积分控制器。

本实施例在每个控制周期内，实时采集当前框架角的位置θ_Fi，根据框架角期望值θ_FDi和当前框架角的位置θ_Fi获取框架角偏差Δθ_Fi，通过框架轴系与台体坐标轴对应关系计算框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，以最大偏差角为满加矩控制，采用偏差角等比控制，使平台快速进入目标位置附近，同时保持平台偏差比不随控制发生改变，有效消除了环架的交联现象。首先进入目标值的框架采用比例控制进一步靠近目标位置，当框架角同时进入给定值后，采用框架锁及调平锁的精加矩方式，保持平台的高精度。实现了平台快速且高精度的转位控制，使基于惯性平台的飞行器可达到快速高精度转位的目的。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，在每个控制周期，获取当前框架角的位置θ_Fi，根据框架角期望值θ_FDi和当前框架角的位置θ_Fi，计算框架角偏差Δθ_Fi，i＝y′，x，y，z,分别对应平台随动轴，外环轴，内环轴和台体轴；

步骤(2)，根据框架轴系与台体坐标轴的对应关系计算框架角偏差Δθ_Fi在台体坐标系投影Δθ_Pi，i＝x，y，z；

步骤(3),根据步骤(2)所得Δθ_Pi对陀螺进行粗加矩角度差转动控制，并判断框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi是否小于给定值α，如果Δθ_Pi＜α，使对应的陀螺进行步骤(4)，否则，重复步骤(1)至步骤(3)；

步骤(4)，根据框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，对陀螺进行粗加矩闭环控制，同时判断框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi是否同时小于给定值β，i＝x，y，z；如果各框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi同时小于给定值β，则进行步骤(5)，否则重复步骤(4)；

步骤(5)，根据框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，对陀螺进行精加矩闭环控制，直至各框架角稳定在目标位置。

2.根据权利要求1所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(1)中，考虑负反馈控制的要求，使框架角偏差Δθ_Fi为[-180°,180°]，

其中，Δθ′_Fi＝θ_Fi-θ_FDi。

3.根据权利要求2所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，随动环正常工作的随动状态下：

当台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°时，随动轴框架角偏差Δθ_Fy′和内环轴框架角偏差Δθ_Fy都取负；

当外环轴框架角期望值θ_FDx为180°，随动轴框架角偏差Δθ_Fy′取负；

当台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°且外环轴框架角期望值θ_FDx为180°时，随动轴框架角偏差Δθ_Fy'取正；

随动环工作在锁零状态的随锁状态时：

当外环轴框架角期望值θ_FDx为90°或270°时，平台框架轴系方位轴为台体轴；

其他情况下，平台框架轴系的方位轴为内环轴；

平台框架轴系的方位轴为内环轴时，若台体轴框架角期望值θ_FDz为90°或180°时，则平台框架轴系方位轴的框架角偏差取负。

4.根据权利要求1所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(2)中，框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi为：

随动环正常工作的随动状态时，

其中/>

为对应关系矩阵；

随动环工作在锁零状态的随锁状态时，

其中/>

为对应关系矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对陀螺进行粗加矩角度差转动控制的具体方法包括：

步骤(3.1)，计算框架角偏差在台体坐标系投影Δθ_Pi，i＝x，y，z的绝对值的最大值，Δθ_Pmax＝max(abs(Δθ_Px),abs(Δθ_Py),abs(Δθ_Pz))；

步骤(3.2)，根据Δθ_Pmax计算施加到陀螺的无量纲控制量u_i。

6.根据权利要求5所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，u_i的值域为[-1,1]，与Δθ_Pmax相对应的陀螺的无量纲控制量为1或-1，分别表示该陀螺正向满加矩或负向满加矩。

7.根据权利要求6所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，陀螺的无量纲控制量的计算公式为：

8.根据权利要求1所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(3)中，给定值α为1°～3°。

9.根据权利要求1所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(5)中，加矩闭环控制采用以下离散控制率：

u_i(k)＝G_cΔθ_Pi(k)，

其中，G_c为控制率，Δθ_Pi(k)为输入角度，u_i(k)为输出控制量，i＝x,y,z。

10.根据权利要求1所述的一种适用于四轴惯性平台系统高精度快速转位方法，其特征在于，所述步骤(4)中的给定值β小于步骤(3)中的给定值α。

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