CN116300446A - 一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法 - Google Patents

一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，包括：根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在Xp轴、Yp轴和Zp轴上的角速度分量
Figure DDA0004109056130000011
和
Figure DDA0004109056130000012
测量得到四轴惯性稳定平台内部相对转动的角度：βxk、βyk和βzk；根据给定的柔顺连续变结构参数k的值，计算得到柔顺连续变结构的角速度修正值Δω；根据βxk、βyk、βzk、
Figure DDA0004109056130000013
和Δω，计算得到ωz、ωy、ωx和ωyk′；将计算得到的ωz、ωy、ωx和ωyk′反馈给四轴惯性稳定平台伺服回路控制器，实现回路柔顺连续变结构控制。本发明所述方法可以确保四轴惯性稳定平台台体相对惯性空间稳定，具有全姿态、高精度的优点。

Description

一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，尤其涉及一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法。
背景技术
由于三轴惯性平台存在“框架锁定”现象，难以满足载体大机动运动的要求，因此，产生了四轴惯性平台。四轴惯性平台相对三轴惯性平台，在台体、内框架和中框架的基础上增加了外框架，外框架处于平台中框架和基座之间。
在工程应用中，为了使四轴惯性平台台体相对惯性空间稳定，在内框架轴上安装了限位挡钉以使内框架角度的范围受限(一般不超过±45°)。当βxk＝±90°时，内框架角将会随着载体的运动而发生变化，不能保持在零位。
一种解决方法如下：“将外框架转动90°的方法使内框架角回到零位附近，同时使中框架离开±90°位置，从而使得三框架四轴平台重新符合传统随动回路工作条件”，参见文献“四轴惯性平台随动框架控制策略研究，导航与控制2017年第4期”。采用该方法时，会使内框架角度和中框架角度处于不同的区间，内框架限位时柔顺连续变结构控制存在不同控制信号间的切换，在切换时刻会引起台体的瞬时抖动，导致台体相对空间有晃动。
因此，本领域亟需研究一种新的解耦方法以改进内框架受限时柔顺连续变结构控制的不足之处。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，克服了内框架限位时柔顺连续变结构控制在过渡过程中对台体稳定性的影响，使得台体相对惯性空间的稳定性增强，提高了四轴惯性稳定平台导航解算的精度。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，包括：
根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在Xp轴、Yp轴和Zp轴上的角速度分量ωxp、ωyp和ωzp；
测量得到四轴惯性稳定平台内部相对转动的角度：βxk、βyk和βzk；其中，βxk表示外框架绕中框架本体坐标系的Xp2轴转动的角度，βyk表示中框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动的角度，βzk表示内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度；
给定柔顺连续变结构参数k的值；
根据给定的柔顺连续变结构参数k的值，计算得到柔顺连续变结构的角速度修正值Δω；
根据βxk、βyk、βzk、ωxp、ωyp、ωzp和Δω，计算得到ωz、ωy、ωx和ωyk′；其中，ωz表示台体Zp轴的合成转动角速度，ωy表示内框架Yp1轴的合成转动角速度，ωx表示中框架Xp2轴的合成转动角速度，ωyk′表示外框架Yp3轴的合成转动角速度；
将计算得到的ωz、ωy、ωx和ωyk′反馈给四轴惯性稳定平台伺服回路控制器，实现柔顺连续变结构控制。
在上述四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法中，该方法用于实现四轴惯性稳定平台伺服回路内框架限位时柔顺连续变结构控制。
在上述四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法中，该方法基于四轴惯性稳定平台实现；四轴惯性稳定平台，包括：基座、外框架、中框架、内框架和台体；基座、外框架、中框架、内框架和台体各自对应的本体坐标系分别为：基座本体坐标系X1Y1Z1、外框架本体坐标系Xp3Yp3Zp3、中框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1和台体本体坐标系XpYpZp；其中，五个本体坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，中框架本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，外框架本体坐标系的Xp3轴与中框架本体坐标系的Xp2轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Yp3轴重合；其中，基座与载体固连，当述四轴惯性稳定平台在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的Yp3轴转动，外框架绕中框架本体坐标系的Xp2轴转动，中框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动。
在上述四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法中，Δω的计算公式如下：
Figure BDA0004109056110000031
其中，βm表示内框架限位值。
在上述四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法中，ωz、ωy、ωx和ωyk′的计算公式如下：
Figure BDA0004109056110000032
在上述四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法中，测量得到四轴惯性稳定平台内部相对转动的角度，包括：
在外框架的Xp2轴上安装角度传感器A，通过角度传感器A测量得到βxk；
在内框架的Yp1轴上安装角度传感器B，通过角度传感器B测量得到βyk；
在台体的Zp轴上安装角度传感器C，通过角度传感器C测量得到βzk。
在上述四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法中，βyk的取值范围为：-βm～βm。
在上述四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法中，βzk、βxk的取值范围均为：-180°～180°。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，克服了内框架限位时柔顺连续变结构控制在过渡过程中对台体稳定性的影响，消除了区间切换引起的频繁晃动导致的动态误差，从而提高了惯性导航的精度。
(2)本发明公开了一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，具有输出能量较小的特点，有利于节约控制能量。
(3)本发明公开了一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，具有超调量小的特点，且不需分区，控制算法简单，易于工程实现。
附图说明
图1是本发明实施例中一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种四轴惯性稳定平台中五个本体坐标系之间的关系示意图；
图3是本发明实施例中一种采用变结构分区控制时依据内框架角度和中框架角度划分的区域示意图；
图4是本发明实施例中一种采用变结构分区控制时框架角度随时间的变化过程示意图；
图5是本发明实施例中一种采用变结构分区控制时内框架和中框架角度所在区域示意图；
图6是本发明实施例中一种采用变结构分区控制时台体角速度随时间的变化过程示意图；
图7是本发明实施例中一种采用变结构分区控制时台体相对惯性空间的角度随时间的变化过程示意图；
图8是本发明实施例中一种采用本发明内框架限位时柔顺连续变结构控制时框架角度随时间的变化过程示意图；
图9是本发明实施例中一种采用本发明内框架限位时柔顺连续变结构控制时内框架和中框架角度所在区域示意图；
图10是本发明实施例中一种采用本发明内框架限位时柔顺连续变结构控制时台体角速度随时间的变化过程示意图；
图11是本发明实施例中一种采用本发明内框架限位时柔顺连续变结构控制时台体相对惯性空间的角度随时间的变化过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，主要用于实现四轴惯性稳定平台伺服回路内框架限位时柔顺连续变结构控制。该四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法基于四轴惯性稳定平台实现。其中，四轴惯性稳定平台，包括：基座、外框架、中框架、内框架和台体；基座、外框架、中框架、内框架和台体的位置和连接关系与现有的四轴惯性稳定平台类似，在此不再赘述。
如图1，在本实施例中，该四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，包括：
步骤101，根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在Xp轴、Yp轴和Zp轴上的角速度分量
Figure BDA0004109056110000051
和/>
Figure BDA0004109056110000052
在本实施例中，如图2，基座、外框架、中框架、内框架和台体各自对应的本体坐标系分别为：基座本体坐标系X1Y1Z1、外框架本体坐标系Xp3Yp3Zp3、中框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1和台体本体坐标系XpYpZp。其中，五个本体坐标系的原点重合，并且满足如下关系：台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，中框架本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，外框架本体坐标系的Xp3轴与中框架本体坐标系的Xp2轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Yp3轴重合。其中，基座与载体固连，当述四轴惯性稳定平台在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的Yp3轴转动，外框架绕中框架本体坐标系的Xp2轴转动，中框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动。
步骤102，测量得到四轴惯性稳定平台内部相对转动的角度：βxk、βyk和βzk。
在本实施例中，βxk表示外框架绕中框架本体坐标系的Xp2轴转动的角度，βyk表示中框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动的角度，βzk表示内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度。具体的，可在外框架的Xp2轴上安装角度传感器A，通过角度传感器A测量得到βxk；在内框架的Yp1轴上安装角度传感器B，通过角度传感器B测量得到βyk；在台体的Zp轴上安装角度传感器C，通过角度传感器C测量得到βzk。
优选的，βyk的取值范围为：-βm～βm。βzk、βxk的取值范围均为：-180°～180°。其中，βm表示内框架限位值。
步骤103，给定柔顺连续变结构参数k的值。
步骤104，根据给定的柔顺连续变结构参数k的值，计算得到柔顺连续变结构的角速度修正值Δω。
在本实施例中，Δω的计算公式如下：
Figure BDA0004109056110000061
步骤105，根据βxk、βyk、βzk、
Figure BDA0004109056110000062
和Δω，计算得到ωz、ωy、ωx和ωyk′。
在本实施例中，ωz表示台体Zp轴的合成转动角速度，ωy表示内框架Yp1轴的合成转动角速度，ωx表示中框架Xp2轴的合成转动角速度，ωyk′表示外框架Yp3轴的合成转动角速度。
优选的，ωz、ωy、ωx和ωyk′的计算公式如下：
Figure BDA0004109056110000071
步骤106，将计算得到的ωz、ωy、ωx和ωyk′反馈给四轴惯性稳定平台伺服回路控制器，实现柔顺连续变结构控制。
为进一步说明本发明所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法具有高精度的特点，下面结合一个实例进行说明。
参考文献“四轴惯性平台随动框架控制策略研究，导航与控制2017年第4期”，设内框架限位值βm＝45°，确定的内框架角限位时锁定式分区离散变结构控制的区域如图3所示。该方法的主要问题是运动轨迹不能由区域32跨越到区域31，只能沿界线不断切换前行，导致平台台体晃动。
设βyk′、βxk、βyk、βzk的初始值分别为0°、90°、0°、0°，采用变结构分区控制时，初始位置处于区域32。设平台基座角速度
Figure BDA0004109056110000072
采用内框架角限位时锁定式分区离散变结构分区控制的框架角随时间的变化过程如图4所示，内框架和外框架角度所在区域如图5所示，台体角速度随时间的变化过程如图6所示，台体相对惯性空间的角度θx、θy、θz随时间的变化过程如图7所示。在整个运行过程中，内框架角都没超过限位值45°，但切换过程中台体角速度和角度都有高频晃动。其中，台体角速度ωxp最大值近似为-291°/s、
Figure BDA0004109056110000073
在切换时刻最大值近似为-167°/s，台体相对惯性空间的角度θx在零时刻闭合瞬时最大值可达1.983°、θy在切换时刻最大值近似为0.96°。
采用本法明的内框架限位时柔顺连续变结构控制方法进行控制时，框架角随时间的变化过程如图8所示，内框架和中框架角度所在区域如图9所示，台体角速度随时间的变化过程如图10所示，台体相对惯性空间的角度θx、θy、θz随时间的变化过程如图11所示。在运行过程中，台体角速度
Figure BDA0004109056110000081
最大为-2.9°/s、/>
Figure BDA0004109056110000082
最大为-4.8°/s以上，台体相对惯性空间的角度θx最大为-0.08°、θy最大为0.16°。
通过对比分区离散变结构控制与本发明柔顺连续变结构控制方法，可以看出，采用本发明所述的柔顺连续变结构控制方法，台体相对惯性空间的角度和角速度的超调量明显减小，且不存在连续晃动过程，本发明的方法具有更高的精度。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，包括：
根据台体上安装的陀螺仪输出的角速度，得到台体在Xp轴、Yp轴和Zp轴上的角速度分量
Figure FDA0004109056100000011
和/>
Figure FDA0004109056100000012
测量得到四轴惯性稳定平台内部相对转动的角度：βxk、βyk和βzk；其中，βxk表示外框架绕中框架本体坐标系的Xp2轴转动的角度，βyk表示中框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动的角度，βzk表示内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度；
给定柔顺连续变结构参数k的值；
根据给定的柔顺连续变结构参数k的值，计算得到柔顺连续变结构的角速度修正值Δω；
根据βxk、βyk、βzk、
Figure FDA0004109056100000013
和Δω，计算得到ωz、ωy、ωx和ωyk′；其中，ωz表示台体Zp轴的合成转动角速度，ωy表示内框架Yp1轴的合成转动角速度，ωx表示中框架Xp2轴的合成转动角速度，ωyk′表示外框架Yp3轴的合成转动角速度；
将计算得到的ωz、ωy、ωx和ωyk′反馈给四轴惯性稳定平台伺服回路控制器，实现柔顺连续变结构控制。
2.根据权利要求1所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，该方法用于实现四轴惯性稳定平台伺服回路内框架限位时柔顺连续变结构控制。
3.根据权利要求1所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，该方法基于四轴惯性稳定平台实现；四轴惯性稳定平台，包括：基座、外框架、中框架、内框架和台体；基座、外框架、中框架、内框架和台体各自对应的本体坐标系分别为：基座本体坐标系X1Y1Z1、外框架本体坐标系Xp3Yp3Zp3、中框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2、内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1和台体本体坐标系XpYpZp；其中，五个本体坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，中框架本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，外框架本体坐标系的Xp3轴与中框架本体坐标系的Xp2轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Yp3轴重合；其中，基座与载体固连，当述四轴惯性稳定平台在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的Yp3轴转动，外框架绕中框架本体坐标系的Xp2轴转动，中框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动。
4.根据权利要求1所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，Δω的计算公式如下：
Figure FDA0004109056100000021
其中，βm表示内框架限位值。
5.根据权利要求1所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，ωz、ωy、ωx和ωyk′的计算公式如下：
Figure FDA0004109056100000022
6.根据权利要求1所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，测量得到四轴惯性稳定平台内部相对转动的角度，包括：
在外框架的Xp2轴上安装角度传感器A，通过角度传感器A测量得到βxk；
在内框架的Yp1轴上安装角度传感器B，通过角度传感器B测量得到βyk；
在台体的Zp轴上安装角度传感器C，通过角度传感器C测量得到βzk。
7.根据权利要求4所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，βyk的取值范围为：-βm～βm。
8.根据权利要求1所述的四轴惯性稳定平台伺服回路柔顺连续变结构控制方法，其特征在于，βzk、βxk的取值范围均为：-180°～180°。
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