呂天慧, 蔡志娟, 朱　紅, 朱如意, 陳燦輝

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究與發(fā)展中心, 北京　100076;2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 第十八研究所, 北京　100076)

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一種雙軸姿態(tài)穩(wěn)定平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂天慧1, 蔡志娟2, 朱紅1, 朱如意1, 陳燦輝1

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究與發(fā)展中心, 北京100076;2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 第十八研究所, 北京100076)

摘要：機(jī)載姿態(tài)穩(wěn)定平臺可隔離載體角運(yùn)動(dòng)、精確跟蹤當(dāng)?shù)厮矫妫虼嗽诤娇者b感領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景;通過以微慣性傳感器作為主要測量元件，以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)建了一種雙軸姿態(tài)穩(wěn)定平臺，進(jìn)行姿態(tài)的閉環(huán)控制，克服了傳統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺造價(jià)昂貴、設(shè)計(jì)復(fù)雜的特點(diǎn);試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該平臺可以實(shí)現(xiàn)對當(dāng)?shù)厮矫娴木_跟蹤。

關(guān)鍵詞：微慣性器件；雙軸姿態(tài)穩(wěn)定平臺；遙感

0引言

遙感載荷的理想工作條件是載機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律精確已知，但實(shí)際飛行時(shí)，受設(shè)備性能、氣流以及任務(wù)所要求機(jī)動(dòng)性能的影響，載機(jī)工作環(huán)境往往較為復(fù)雜，這對載荷的正常工作產(chǎn)生了重要影響。而姿態(tài)穩(wěn)定平臺則是一種能隔離外界擾動(dòng)，使載荷保持空間指向相對穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)裝置。利用姿態(tài)穩(wěn)定平臺可以顯著提高載荷工作效率，降低其對載機(jī)、天氣等條件的依賴，減少后處理工作量，并拓展載荷的工作范圍[1-2]。

傳統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定平臺通常為陀螺穩(wěn)定平臺，需要采用如撓性陀螺和力矩電機(jī)等造價(jià)昂貴的設(shè)備，同時(shí)機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜、對器件安裝要求也較高，使其應(yīng)用范圍限制在高端場合。本文所述的雙軸穩(wěn)定平臺采用DSP芯片作為核心處理單元，以微慣性器件作為主要測量元件，以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)載荷實(shí)時(shí)跟蹤當(dāng)?shù)厮?，具有?guī)模小、成本低、實(shí)現(xiàn)性好、輕便快捷等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)推廣應(yīng)用價(jià)值。

1平臺結(jié)構(gòu)及原理

1.1平臺結(jié)構(gòu)

姿態(tài)穩(wěn)定平臺主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備組成。機(jī)械部分采用雙框架形式，外側(cè)為俯仰框架，內(nèi)側(cè)為橫滾框架。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用對稱形式以減少質(zhì)量偏心帶來的靜不平衡力矩等影響同時(shí)減少伺服電機(jī)選型及控制難度；應(yīng)保證框架軸線間的垂直度和同心度的加工精度要求；框架軸與框架間通過精密軸承相連，并加入軸承蓋以限制軸承在徑向方向上的滑動(dòng)；遙感載荷安裝到平臺臺體法蘭盤中心位置上，保證其視軸指向沿豎直方向。平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　平臺雙框架機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

電氣部分主要由MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)、GPS接收機(jī)及天線、絕對位置式光電碼盤、步進(jìn)電機(jī)、電路板(采集、控制及驅(qū)動(dòng)電路等)及相應(yīng)線纜組成。加速度計(jì)和陀螺儀安裝在平臺法蘭盤上，對應(yīng)敏感軸方向與雙框架軸線和載荷視軸方向一致；兩組步進(jìn)電機(jī)和光電碼盤分別安裝在平臺俯仰軸和橫滾軸上。

1.2工作原理

平臺工作原理主要分為初始對準(zhǔn)階段和水平姿態(tài)穩(wěn)定階段。初始對準(zhǔn)階段主要通過加速度計(jì)敏感重力投影分量，確定平臺偏離水平面的角度并以此作為輸入量，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)使平臺調(diào)整至水平。初始對準(zhǔn)階段完成后，平臺進(jìn)入水平姿態(tài)穩(wěn)定階段，該階段以陀螺儀、加速度計(jì)及GPS構(gòu)成姿態(tài)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與載機(jī)固聯(lián)，從而通過姿態(tài)測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)敏感框架臺體擾動(dòng)時(shí)偏離水平面的角度，再以該偏離角度作為輸入條件，換算出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制量，將平臺拉回水平位置，實(shí)現(xiàn)平臺對當(dāng)?shù)厮降膶?shí)時(shí)精確跟蹤。平臺功能流程如圖2所示。

圖2　平臺功能流程框圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

平臺硬件電路所用加計(jì)和陀螺均選擇MEMS元件，型號分別為ADXL320(雙軸)和LCG50(單軸)。

核心處理芯片選用DSP2812，它是TI公司一款高性能處理器芯片，其系統(tǒng)響應(yīng)速度快，片上外圍資源豐富，集成度高，內(nèi)置GPIO、QEP、ePWM等接口，尤其適用于工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)控制，因此在相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字處理芯片DSP2812通過ADC接口采集陀螺和加計(jì)信號，通過SCI接口接收GPS信息，然后捷聯(lián)解算出載機(jī)的姿態(tài)信息，選擇步進(jìn)電機(jī)作為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過角度反饋元件為光電碼盤。DSP2812處理器典型外圍電路如圖3所示[3]。

圖3　加速度計(jì)采集電路圖

圖4　核心信息處理器電路框圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用步進(jìn)電機(jī)專用功率驅(qū)動(dòng)芯片TA8435來實(shí)現(xiàn)。TA8435是單片集成式正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片，可以用來驅(qū)動(dòng)二相四線或四相六線步進(jìn)電機(jī)，最大可以實(shí)現(xiàn)八細(xì)分。其內(nèi)部集成了功率放大、逆變橋等電路，具有體積小、功耗低、可靠性高、設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)。通過TA8345的EN管腳控制步進(jìn)電機(jī)的使能；通過CLK1/CLK2管腳控制發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)；通過CW/CCW管腳控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向；通過M1,M2控制步進(jìn)電機(jī)細(xì)分方式。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)頻率及步距角選取，應(yīng)根據(jù)載機(jī)實(shí)際飛行中的姿態(tài)變化動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行。本平臺選用二相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角0.5°，相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。CPU通過GPIO口并經(jīng)過光耦隔離后輸出相應(yīng)的起停、脈沖、方向、細(xì)分?jǐn)?shù)等信號給TA8435芯片，TA8435直接與電機(jī)相應(yīng)的相線端相連以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

3軟件設(shè)計(jì)

軟件主程序包括系統(tǒng)初始化、開啟中斷、ADC采集測量數(shù)據(jù)、均值及低通濾波、初始調(diào)平指令計(jì)算及驅(qū)動(dòng)信號輸出、SCI接收數(shù)據(jù)、導(dǎo)航解算及Kalman濾波、穩(wěn)定跟蹤指令計(jì)算及驅(qū)動(dòng)信號輸出。主程序如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

初始調(diào)平利用加計(jì)信息進(jìn)行閉環(huán)控制。通過定時(shí)器中斷觸發(fā)ADC采集加計(jì)數(shù)據(jù)，采集后經(jīng)過均值濾波、低通濾波并進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償后，參與調(diào)平控制。平臺在兩個(gè)軸線方向偏離水平的角度計(jì)算公式如下：

α=arcsin(fy/g)

根據(jù)上述偏轉(zhuǎn)角度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)框架旋轉(zhuǎn)至當(dāng)?shù)厮?。加?jì)調(diào)平程序完成后，置相應(yīng)標(biāo)志位為1，系統(tǒng)便進(jìn)入水平跟蹤程序運(yùn)行階段。該階段主要以姿態(tài)測量系統(tǒng)及光電碼盤的測量信息進(jìn)行閉環(huán)控制。由于雙框架通道近似解耦，所以各自獨(dú)立采用相同的控制率，跟蹤回路控制框圖如7所示[4]。具體控制時(shí)，通過定時(shí)中斷，對姿態(tài)測量系統(tǒng)信息進(jìn)行捷聯(lián)解算，然后將計(jì)算出的姿態(tài)變化量作為輸入，以光電碼盤信號作為輸出量，采用PID(比例、積分、微分)算法，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。

圖7　水平跟蹤控制框圖

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的步距數(shù)、步進(jìn)方向等主要參數(shù)通過如下方法確定：

N1=floor(fabs(θ/δ1)+0.5)

N2=floor(fabs(γ/δ2)+0.5)

S1=-sign(θ)

S2=-sign(γ)

δ1=0.36/M1M2

其中:θ、γ分別為俯仰軸和橫滾軸的實(shí)時(shí)偏轉(zhuǎn)角度；N1、N2分別為俯仰軸電機(jī)和橫滾軸電機(jī)控制脈沖輸入數(shù)；δ1、δ2分別為可變細(xì)分?jǐn)?shù)；S1、S2分別為俯仰軸電機(jī)和橫滾軸電機(jī)方向控制電平(高電平時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn))；E1、E2為分別為俯仰軸電機(jī)和橫滾軸電機(jī)使能控制電平(低電平使能)。

由于載機(jī)實(shí)際飛行中，姿態(tài)偏差可能為小于某一閾值的小角度，同時(shí)由于姿態(tài)信息中疊加的噪聲也可能帶來小角度擾動(dòng)，這時(shí)平臺臺體再做頻繁的糾偏控制動(dòng)作沒有太大意義。因此程序中設(shè)置最小動(dòng)作步數(shù)閾值，如果某時(shí)刻解算出的運(yùn)行步數(shù)小于最小動(dòng)作步數(shù)閾值，則步進(jìn)電機(jī)保持當(dāng)前位置不動(dòng)作，但需要將該電機(jī)不動(dòng)作而帶來的角度偏差疊加到下一控制周期的輸入量內(nèi)，以防止累計(jì)性誤差。

采用Matlab軟件進(jìn)行PID控制閉環(huán)建模，并調(diào)整優(yōu)化相應(yīng)的PID控制率參數(shù)，仿真結(jié)果見圖8，表明該控制器使系統(tǒng)具有較快的調(diào)節(jié)時(shí)間且無超調(diào)。

圖8　穩(wěn)定回路仿真結(jié)果

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過搖擺振動(dòng)臺模擬機(jī)載飛行環(huán)境，在搖擺臺上對雙軸姿態(tài)穩(wěn)定平臺進(jìn)行了振幅為10°頻率為1 Hz的搖擺試驗(yàn)，以橫滾框架控制為例，橫滾軸上光電碼盤的輸出信號如圖9所示。

圖9　搖擺臺試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，姿態(tài)穩(wěn)定平臺在模擬搖擺情況下，能夠準(zhǔn)確的跟蹤當(dāng)?shù)厮健?/p>

5結(jié)論

本文研制的雙軸姿態(tài)穩(wěn)定平臺可以隔離飛機(jī)角運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遙感載荷的跟蹤當(dāng)?shù)厮焦δ?。該系統(tǒng)具有成本低、體積小、易實(shí)現(xiàn)性、方便快捷等優(yōu)勢。測試分析結(jié)果表明系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，能夠滿足實(shí)際使用要求。

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Design and Implementation of Two-Axis Attitude Stabilized Platform

Lv Tianhui1, Cai Zhijuan2, Zhu Hong1, Zhu Ruyi1, Chen Canhui1

(1.China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center, Beijing100076, China;2.18th Institute, CALVT, Beijing100076, China)

Abstract:Attitude stabilized platform is widely used in aero remote sensing field because it can insulates turbulence in the environment and follows the local level precisely. This paper gives a two-axis attitude stabilized platform which chooses micro inertial device as the transducer, uses stepper motor to implement the servo control and realizes the attitude closed-loop control, and it can overcome the expensive and complex characteristics in the design of traditional gyro stabilized platform. Test shows that the platform can help remote sensing payloads follow the local level well.

Keywords:micro-inertial devices; two-axis attitude stabilized platform; aero remote sensing

文章編號：1671-4598(2016)02-0213-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.059

中圖分類號：TH703

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：呂天慧(1984-)，男，吉林榆樹人，碩士研究生，工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)、工作。

收稿日期：2015-08-17；修回日期：2015-10-07。