CN104848859B - 一种三轴惯性稳定平台及其自定位定向的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空遥感技术领域，涉及一种三轴惯性稳定平台及其自定位定向的控制方法，该方法适用于航空对地观测，基础测绘，地面侦察等领域。本发明在控制系统中加入捷联导航解算模块，对通过速率陀螺和加速度计敏感到的相应框架的角速率信息和线加速度信息进行解算得到精确的内框架姿态角信息，从而达到跟踪地理垂线的目的，摆脱了目前的三轴惯性稳定平台需要依赖POS才能工作的现状。

Description

一种三轴惯性稳定平台及其自定位定向的控制方法

技术领域

本发明属于航空遥感技术领域，涉及一种三轴惯性稳定平台及其自定位定向的控制方法，该方法适用于航空对地观测，基础测绘，地面侦察等领域。

背景技术

近年来，惯性稳定平台技术飞速发展，广泛应用到航空遥感领域。航空对地观测作业要求高精度实时成像，但是由于载机在飞行时受到各种扰动的影响，不能保证稳定匀速飞行，造成安装在载机上的相机视轴摇晃，成像质量下降。惯性稳定平台系统使用陀螺稳定装置作为相机机架，通过电机输出力矩补偿相机机架支承轴上的各种干扰力矩，从而抑制载机低频角运动对相机的干扰，使得相机机架相对惯性空间的方位不变，保证成像质量。

目前的惯性稳定平台系统用于遥感领域时，需要结合高精度位置姿态测量系统(positionandorientationsystem,POS)，根据POS提供的姿态角信息以及速率陀螺测量的框架相对于惯性空间的角速率信息实现控制系统位置环和速率环的闭环，跟踪当地的地理水平以及航向保持。

中国专利CN201110078207.7所描述的一种轻量型航空遥感三轴惯性稳定平台系统，控制系统根据POS或两支加速度计提供的台体姿态角信息跟踪当地的地理水平，在接收不到POS信息的情况下，利用加速度计提供的较粗的相机姿态角，实现粗调平，但是由于受加速度计漂移和载体运动的影响，支能在短时间内保持跟踪当地的地理水平。德国研制的三轴惯性稳定平台Aerostab-2自身没有安装加速度计，存在着没有POS提供姿态基准不能工作的问题。

航空遥感稳定平台控制系统包括横滚通道、俯仰通道、方位通道三个相互独立的子系统，横滚和俯仰通道的作用是抑制飞机横滚和俯仰角运动对相机的干扰，尽量保持相机光轴与当地地垂线重合。方位通道的作用是抑制飞机偏航角运动对相机的干扰，尽量保持相机对准某一航向。

三个通道的控制回路均包括速率陀螺稳定回路和姿态角(航向角)控制回路。速率陀螺稳定回路为内回路，作用是隔离机体角运动对相机的干扰。姿态角(航向角)控制回路为外回路，作用是驱动平台台体跟踪当地的水平姿态基准及参考航向。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种三轴惯性稳定平台及其自定位定向的控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种三轴惯性稳定平台，该三轴惯性稳定平台包括平台支架、平台台体、惯性测量组件、平台驱动单元和平台电子箱；

平台支架用以支撑平台台体；

平台台体包括外框架、中框架和内框架，内框架为方位框架，承载相机等有效载荷，中框架为俯仰框架，外框架为横滚框架；

惯性测量组件包括第一速率陀螺、第二速率陀螺、第三速率陀螺、第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计，第一速率陀螺、第二速率陀螺和第三速率陀螺为互相正交安装，第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计为互相正交安装；第一速率陀螺、第二速率陀螺、第三速率陀螺、第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计均安装在内框架中；第一速率陀螺、第二速率陀螺和第三速率陀螺测量得到内框架三个方向的惯性角速率信息，第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计测量得到内框架三个方向的线加速度信息，并将得到的信息提供给电子箱；

平台驱动单元包括带减速装置的第一力矩电机定义为中框架电机、带减速装置的第二力矩电机定义为外框架电机和带减速装置的第三力矩电机定义为内框架电机，内框架电机安装在中框架上并驱动内框架转动、中框架电机安装在外框架上并驱动中框架转动、外框架电机安装在平台支架上并驱动外框架转动；

平台电子箱包括数据采集模块、捷联导航解算模块、功率放大模块和稳定姿态控制模块；数据采集模块采集第一速率陀螺、第二速率陀螺、第三速率陀螺、第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计的信息；捷联导航解算模块跟据数据采集模块采集到的数据，经捷联导航解算得到精确的内框架姿态角信息和位置信息；功率放大模块把稳定姿态控制模块的计算结果进行功率放大后驱动电机朝指定方向转动；稳定姿态控制模块接收捷联导航解算得到的精确的内框架姿态角信息，将其与姿态角设定值作差，差值结果经过姿态控制器计算生成角速率设定值，完成姿态控制回路；角速率设定值与数据采集模块采集得到的陀螺角速率信息作差，差值结果经过角速率控制器计算生成电机驱动信号，完成角速率稳定回路；电机驱动信号经功率放大模块后驱动中框架电机、外框架电机和内框架电机转动，实现内框架的稳定控制以及对地姿态水平和航向保持；稳定姿态控制模块的作用是抑制飞机俯仰、横滚、偏航角运动对相机的干扰，保持相机光轴与当地地垂线重合并对准某一航向不变，实现相机的对地姿态水平和航向保持。

三轴惯性稳定平台系统由三个框架组成，外框架为横滚框架，中框架为俯仰框架，内框架为方位框架，方位框架相对于俯仰框架可绕方位轴自由转动，俯仰框架相对于横滚框架可绕俯仰轴自由转动，横滚框架相对于基座可绕俯横滚轴自由转动，分别实现飞机机体航向角运动、俯仰角运动、横滚角运动的隔离。惯性测量组件包括三支速率陀螺和三支加速度计，分别正交安装在平台系统的方位框架上，分别敏感平台三个框架的相对于惯性空间的角速率和线加速度，控制系统根据速率陀螺敏感到的框架角速率信息和加速度计敏感到的线加速度信息经过捷联导航解算得出精确的内框架姿态角信息和位置信息，产生控制信号，控制信号通过功率驱动模块驱动力矩电机输出控制力矩，反向控制相应框架转动，达到稳定内框架和相机视轴和跟踪地理垂线的目的。

本发明的一种三轴惯性稳定平台的自定位定向的控制方法，步骤为：

(1)数据采集。数据采集模块采集三支陀螺和三支加速度计得到内框架相对于惯性空间的角速率信息和线加速度信息。

(2)捷联导航解算。捷联导航解算模块根据采集到的三支陀螺和三支加速度计的信息进行捷联导航解算得到内框架的精确的姿态角信息和位置信息。

(3)稳定姿态控制计算。稳定姿态控制模块根据内框架的姿态角信息进行姿态控制计算，根据陀螺角速率信息进行速率稳定控制计算，得到电机的驱动信号。

(4)功率放大。电机驱动信号经功率放大后驱动三支电机朝指定方向转动，达到保持平台姿态水平和陀螺稳定的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

现有的三轴惯性稳定平台系统需要结合POS系统实现相机视轴精确跟踪地理垂线的目的，POS系统与相机一起安装在平台内框架上，平台接收POS的姿态角信息，进而实现姿态闭环。当没有POS系统时，由于加速度计的漂移特性和载体运动，平台仅能依靠自身的速率陀螺和加速度计实现短时的地理垂线跟踪功能。本发明在控制系统中加入捷联导航解算模块，对通过速率陀螺和加速度计敏感到的相应框架的角速率信息和线加速度信息进行解算得到精确的内框架姿态角信息，从而达到跟踪地理垂线的目的，摆脱了目前的三轴惯性稳定平台需要依赖POS才能工作的现状。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的控制系统原理图；

图3为本发明的捷联导航解算原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，一种三轴惯性稳定平台，该三轴惯性稳定平台包括平台支架1、平台台体、惯性测量组件、平台驱动单元和平台电子箱；

平台支架1用以支撑平台台体；

平台台体包括外框架2、中框架3和内框架4，内框架4为方位框架，承载相机等有效载荷，中框架3为俯仰框架，外框架2为横滚框架；

惯性测量组件包括第一速率陀螺5、第二速率陀螺7、第三速率陀螺10、第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9，第一速率陀螺5、第二速率陀螺7和第三速率陀螺10为互相正交安装，第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9为互相正交安装；第一速率陀螺5、第二速率陀螺7、第三速率陀螺10、第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9均安装在内框架4中；第一速率陀螺5、第二速率陀螺7和第三速率陀螺10测量得到内框架4三个方向的惯性角速率信息，第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9测量得到内框架4三个方向的线加速度信息，并将得到的信息提供给电子箱14；

平台驱动单元包括带减速装置的第一力矩电机定义为中框架电机11、带减速装置的第二力矩电机定义为外框架电机12和带减速装置的第三力矩电机定义为内框架电机13，内框架电机13安装在中框架3上并驱动内框架4转动、中框架电机11安装在外框架2上并驱动中框架3转动、外框架电机12安装在平台支架1上并驱动外框架2转动；

平台电子箱14包括数据采集模块、捷联导航解算模块、功率放大模块和稳定姿态控制模块；数据采集模块采集第一速率陀螺5、第二速率陀螺7、第三速率陀螺10、第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9的信息；捷联导航解算模块跟据数据采集模块采集到的数据，经捷联导航解算得到精确的内框架4姿态角信息和位置信息；功率放大模块把稳定姿态控制模块的计算结果进行功率放大后驱动电机转动；稳定姿态控制模块接收捷联导航解算得到的精确的内框架4姿态角信息，将其与姿态角给定值作差，差值结果经过姿态控制器计算生成角速率给定值，完成姿态控制回路；角速率给定值与数据采集模块采集得到的陀螺角速率信息作差，差值结果经过角速率控制器计算生成电机驱动信号，完成角速率稳定回路；电机驱动信号经功率放大模块后驱动中框架电机11、外框架电机12和内框架电机13转动，实现内框架4的稳定控制以及对地姿态水平和航向保持；稳定姿态控制模块的作用是抑制飞机俯仰、横滚、偏航角运动对相机的干扰，保持相机光轴与当地地垂线重合并对准某一航向不变，实现相机的对地姿态水平和航向保持。

平台电子箱14中的数据采集模块、捷联导航解算模块、功率放大模块和稳定姿态控制模块是通过数字、模拟混合电路系统来实现的。其中，数字电路部分采用DSP2812和FPGA相结合作为数字运算处理器，模拟电路部分包括电机驱动芯片及其外围电路。其中，数据采集模块主要由FPGA来完成，捷联导航解算模块和稳定姿态控制模块主要由DSP2812来完成，功率放大模块主要由电机驱动芯片及其外围电路来完成。

一种三轴惯性稳定平台的自定位定向的控制方法，如图2所示，步骤为：

(1)数据采集。FPGA每隔2ms采集一次第一速率陀螺5、第二速率陀螺7、第三速率陀螺10、第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9的信息，并将采集数据存储在内部寄存器中，等待DSP2812的读取命令。

(2)捷联导航解算。DSP2812每隔2ms通过地址和数据总线从FPGA读取一次第一速率陀螺5、第二速率陀螺7、第三速率陀螺10、第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9的信息，并进行一次捷联导航解算。捷联导航解算原理如图3所示，其中的坐标系定义如下：惯性坐标系o-x_iy_iz_i,内框架坐标系o-x_by_bz_b，地理坐标系o-x_ny_nz_n。安装在内框架4上的惯性测量组件测得内框架4相对于惯性空间的角速率和加速度经误差补偿后，与(地理坐标系相对于惯性空间的角速度)合成得到内框架4相对于地理坐标系的角速率进而通过姿态阵解算得到内框架4坐标系到地理坐标系的姿态转换矩阵及俯仰角偏航角(ψ)、横滚角(γ)。第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9测得的线加速度经实现加速度矢量从内框架4坐标系b到地理坐标系n的变换得经导航解算得到平台内框架4的速度、位置信息。

由于第一速率陀螺5、第二速率陀螺7、第三速率陀螺10、第一加速度计6、第二加速度计8和第三加速度计9的输出中除了内框架4运动的角速度、线加速度外，尚含有自身在测量中产生的各种误差信号，需根据所使用的速率陀螺、加速度计的误差模型，对输出作误差补偿处理。第一速率陀螺5、第二速率陀螺7和第三速率陀螺10的输出经误差补偿后得出内框架4的运动角速度，将其带入四元数微分方程式(式1)，

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{q_0}=\frac{1}{2}(-q_1{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b-q_2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b-q_3{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b)\\ \stackrel{\·}{q_1}=\frac{1}{2}(q_0{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b-q_3{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b+q_2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b)\\ \stackrel{\·}{q_2}=\frac{1}{2}(q_3{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+q_0{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b-q_1{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b)\\ \stackrel{\·}{q_3}=\frac{1}{2}(-q_2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b+q_1{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b+q_0{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b)\end{array}\right.$ (式1)

解此微分方程式，求得瞬时四元数的4个元q₀、q₁、q₂、q₃值，由此可求出姿态转换矩阵(式2)。

$C_b^n=\left(\begin{array}{ccc}{q^2}_0+{q^2}_1-{q^2}_2-{q^2}_3& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_0{q}_2+q_1{q}_3)\\ 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& {q^2}_0-{q^2}_1+{q^2}_2-{q^2}_3& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_0{q}_1+q_2{q}_3)& {q^2}_0-{q^2}_1-{q^2}_2+q_2{q}_3\end{array}\right)$ (式2)

已知姿态转换矩阵后，可按式3计算台体俯仰角偏航角(ψ)、横滚角(γ)。

(式3)

(3)稳定姿态控制计算。稳定姿态控制计算包括姿态控制计算和角速率控制计算，其中角速率控制计算每隔2ms执行一次，姿态控制计算每隔10ms执行一次。稳定姿态控制模块根据捷联导航解算得到的精确的内框架4姿态角信息，将其与姿态角给定值作差，差值结果经过姿态控制器计算生成角速率给定值，完成姿态控制回路；角速率给定值与数据采集模块采集得到的陀螺角速率信息作差，差值结果经过角速率控制器计算生成中框架电机11、外框架电机12和内框架电机13的驱动信号，完成角速率稳定回路。

(4)功率放大。中框架电机11、外框架电机12和内框架电机13的驱动信号每隔2ms通过稳定姿态控制计算重新生成一次后进入功率放大模块，经功率放大芯片及其外围电路由3.3V电平变为28V电平后分别驱动中框架电机11带动中框架3、外框架电机12带动外框架2、内框架电机13带动内框架4朝减小姿态角差值的方向转动，达到保持平台姿态水平和陀螺稳定的目的。

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公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种三轴惯性稳定平台，其特征在于：该三轴惯性稳定平台包括平台支架(1)、平台台体、惯性测量组件、平台驱动单元和平台电子箱；

平台支架(1)用以支撑平台台体；

平台台体包括外框架(2)、中框架(3)和内框架(4)，内框架(4)为方位框架，承载相机有效载荷，中框架(3)为俯仰框架，外框架(2)为横滚框架；

惯性测量组件包括第一速率陀螺(5)、第二速率陀螺(7)、第三速率陀螺(10)、第一加速度计(6)、第二加速度计(8)和第三加速度计(9)，第一速率陀螺(5)、第二速率陀螺(7)和第三速率陀螺(10)为互相正交安装，第一加速度计(6)、第二加速度计(8)和第三加速度计(9)为互相正交安装；第一速率陀螺(5)、第二速率陀螺(7)、第三速率陀螺(10)、第一加速度计(6)、第二加速度计(8)和第三加速度计(9)均安装在内框架(4)中；第一速率陀螺(5)、第二速率陀螺(7)和第三速率陀螺(10)测量得到内框架(4)三个方向的惯性角速率信息，第一加速度计(6)、第二加速度计(8)和第三加速度计(9)测量得到内框架(4)三个方向的线加速度信息，并将得到的信息提供给电子箱(14)；

平台驱动单元包括带减速装置的第一力矩电机定义为中框架电机(11)、带减速装置的第二力矩电机定义为外框架电机(12)和带减速装置的第三力矩电机定义为内框架电机(13)，内框架电机(13)安装在中框架(3)上并驱动内框架(4)转动、中框架电机(11)安装在外框架(2)上并驱动中框架(3)转动、外框架电机(12)安装在平台支架(1)上并驱动外框架(2)转动；

平台电子箱(14)包括数据采集模块、捷联导航解算模块、功率放大模块和稳定姿态控制模块；数据采集模块采集第一速率陀螺(5)、第二速率陀螺(7)、第三速率陀螺(10)、第一加速度计(6)、第二加速度计(8)和第三加速度计(9)的信息；捷联导航解算模块根据数据采集模块采集到的数据，经捷联导航解算得到内框架(4)姿态角信息和位置信息；功率放大模块把稳定姿态控制模块的计算结果进行功率放大后驱动电机朝指定方向转动；稳定姿态控制模块接收捷联导航解算得到的内框架(4)姿态角信息，将其与姿态角设定值作差，差值结果经过姿态控制器计算生成角速率设定值，完成姿态控制回路；角速率设定值与数据采集模块采集得到的陀螺角速率信息作差，差值结果经过角速率控制器计算生成电机驱动信号，完成角速率稳定回路；电机驱动信号经功率放大模块后驱动中框架电机(11)、外框架电机(12)和内框架电机(13)转动，实现内框架(4)的稳定控制以及对地姿态水平和航向保持。

2.一种如权利要求1所述的三轴惯性稳定平台的自定位定向的控制方法，其特征在于步骤为：

(1)数据采集模块采集第一速率陀螺、第二速率陀螺、第三速率陀螺、第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计的信息得到内框架相对于惯性空间的角速率信息和线加速度信息；

(2)捷联导航解算模块根据采集到的第一速率陀螺、第二速率陀螺、第三速率陀螺、第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计的信息进行捷联导航解算得到内框架的精确的姿态角信息和位置信息；

(3)稳定姿态控制模块根据内框架的姿态角信息进行姿态控制计算，根据第一速率陀螺、第二速率陀螺、第三速率陀螺的信息进行角速率稳定控制计算，得到中框架电机、外框架电机和内框架电机的驱动信号；

(4)框架电机、外框架电机和内框架电机的驱动信号经功率放大后驱动中框架电机带动中框架、外框架电机带动外框架、内框架电机带动内框架朝指定方向转动，达到保持平台姿态水平和陀螺稳定的目的。