方陽(yáng)麗，唐 猛

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

陀螺/加速度計(jì)穩(wěn)定環(huán)對(duì)“動(dòng)中通”系統(tǒng)的擾動(dòng)校正

方陽(yáng)麗，唐 猛

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)“動(dòng)中通”系統(tǒng)兩次上位機(jī)指令間隔中載體姿態(tài)變化的擾動(dòng)，提出了基于三軸陀螺和加速度計(jì)的穩(wěn)定回路跟蹤控制方法。該方法在傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的反饋回路中增加了負(fù)載速度前饋補(bǔ)償和穩(wěn)定回路位置校正環(huán)節(jié)。利用陀螺和加速度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)融合、穩(wěn)定跟蹤修正的原理隔離載體姿態(tài)變化，對(duì)測(cè)量噪聲信號(hào)用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行估計(jì)和誤差補(bǔ)償，有效地提高了系統(tǒng)對(duì)姿態(tài)擾動(dòng)的隔離度。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，伺服穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于200 ms，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差小于0.1°，隔離度高于97%，具有較高的跟蹤精度，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用穩(wěn)定跟蹤控制。

動(dòng)中通；姿態(tài)擾動(dòng)；陀螺穩(wěn)定回路；加速度計(jì)；卡爾曼濾波

0 引言

機(jī)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)是在飛機(jī)姿態(tài)不斷變化過(guò)程中天線陣面接收衛(wèi)星通信信號(hào)的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用自動(dòng)跟蹤技術(shù)，能在載體移動(dòng)的情況下實(shí)時(shí)隔離振蕩、進(jìn)行高精度捕獲目標(biāo)衛(wèi)星，從而獲得連續(xù)穩(wěn)定的衛(wèi)星通信信號(hào)?！皠?dòng)中通”系統(tǒng)靈活、機(jī)動(dòng)、保密性強(qiáng)，其通信覆蓋范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，在軍、民移動(dòng)通信行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。

自動(dòng)跟蹤技術(shù)是通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定時(shí)(20～100 ms)向上位機(jī)發(fā)送指令，利用伺服控制單元進(jìn)行一次姿態(tài)校正。隨著慣導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)航精度也隨之提高，但是隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展，飛機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化的速率越來(lái)越快，在上位機(jī)接收兩次指令間隔中飛機(jī)姿態(tài)的變化使得跟蹤誤差增加，影響了通信質(zhì)量。研究隔離載體姿態(tài)變化擾動(dòng)的伺服系統(tǒng)穩(wěn)定環(huán)控制策略是提高位置跟蹤精度的關(guān)鍵技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)控制系統(tǒng)隔離度穩(wěn)定回路作了大量研究，它的核心問(wèn)題是對(duì)移動(dòng)載體姿態(tài)變化進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償控制。文獻(xiàn)[5]把載體的運(yùn)動(dòng)作為干擾引入伺服系統(tǒng)，利用陀螺速度值構(gòu)成穩(wěn)定環(huán)反饋回路；文獻(xiàn)[6]利用載體運(yùn)動(dòng)中天線平臺(tái)方位和俯仰角度的變化，通過(guò)“陀螺閉環(huán)穩(wěn)定+電平跟蹤”控制方式進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償；文獻(xiàn)[7]利用陀螺儀感知機(jī)構(gòu)方位、俯仰方向速度變化，積分后得位置變化量進(jìn)行反饋控制。以上方法雖然能在一定程度上提高穩(wěn)定跟蹤誤差，但存在明顯缺點(diǎn)：穩(wěn)定跟蹤的目的是提高位置跟蹤精度，文獻(xiàn)[5]中的陀螺穩(wěn)定環(huán)是速度補(bǔ)償，沒(méi)有達(dá)到更好的位置環(huán)補(bǔ)償效果；陀螺儀反應(yīng)靈敏，在測(cè)量中的隨機(jī)噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)積分，會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間迅速增大的累積誤差(漂移)，影響了跟蹤精度，不適合長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行載體姿態(tài)變化的測(cè)量。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了基于三軸陀螺和加速度計(jì)的組合穩(wěn)定回路跟蹤控制方法，并采用卡爾曼濾波算法對(duì)測(cè)量噪聲進(jìn)行估計(jì)和誤差補(bǔ)償。能夠解決上述位置控制和跟蹤累積誤差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間衛(wèi)星精確跟蹤。

1 機(jī)載“動(dòng)中通”控制系統(tǒng)

機(jī)載衛(wèi)星天線對(duì)中伺服系統(tǒng)要求在飛機(jī)飛行過(guò)程中，通過(guò)控制天線伺服機(jī)構(gòu)，完成方位、俯仰2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，保證天線陣面實(shí)時(shí)以最大面積對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。根據(jù)功耗少、重量輕、體積小的設(shè)計(jì)原則，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的方位和俯仰運(yùn)動(dòng)均采用電機(jī)通過(guò)減速器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量減小負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和附加力矩。

伺服控制系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)PID算法完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的反饋控制調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。一般地，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送控制指令，三環(huán)調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的精度控制要求。但是，由于機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中載體姿態(tài)變化速率非?？欤谏衔粰C(jī)兩次位置指令發(fā)送時(shí)間間隔內(nèi)載體姿態(tài)有可能發(fā)生較大的變化，產(chǎn)生較大的位置跟蹤誤差。為了對(duì)載體姿態(tài)變化進(jìn)行檢測(cè)與隔離，實(shí)現(xiàn)更加精確的位置跟蹤，在此模型基礎(chǔ)上搭建穩(wěn)定回路控制模型，控制系統(tǒng)隔離度穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)中，最常見(jiàn)的是陀螺儀穩(wěn)定回路。同時(shí)為了提高速度響應(yīng)的速度和精度，反饋回路增加了速度前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制原理框圖如圖1所示。

圖1中的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器。通過(guò)三環(huán)調(diào)節(jié)器和陀螺穩(wěn)定回路的作用，使系統(tǒng)隔離載體姿態(tài)變化對(duì)穩(wěn)定跟蹤的影響，保證伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤精度高、穩(wěn)態(tài)誤差小。

2 陀螺/加速度計(jì)組合穩(wěn)定回路

2.1 穩(wěn)定回路原理

針對(duì)圖1中的陀螺穩(wěn)定回路，陀螺儀作為高靈敏度測(cè)量元件，測(cè)量過(guò)程出現(xiàn)了陀螺噪聲信號(hào)以及隨機(jī)漂移誤差對(duì)跟蹤性能造成影響。隨著組合慣性測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)穩(wěn)定回路跟蹤精度最直接的一種提高方式是利用組合慣導(dǎo)元件的測(cè)量數(shù)據(jù)融合，陀螺和加速度計(jì)是常用的姿態(tài)測(cè)量元件。本文在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了陀螺/加速度計(jì)組合穩(wěn)定回路，在實(shí)際應(yīng)用中，陀螺儀反應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)性能好，但在測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)積分產(chǎn)生隨時(shí)間迅速增大的累積誤差(漂移)；加速度計(jì)測(cè)量噪聲小，但動(dòng)態(tài)性能差。單獨(dú)使用陀螺儀或加速度計(jì)不能得到最優(yōu)姿態(tài)隔離控制的問(wèn)題。組合穩(wěn)定回路采用三軸陀螺和加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)融合、穩(wěn)定跟蹤修正的原理可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，采用標(biāo)定方法補(bǔ)償多個(gè)測(cè)量元件的數(shù)據(jù)誤差，用陀螺儀進(jìn)行加速度計(jì)的誤差校正[8-10]；用加速度儀的數(shù)據(jù)對(duì)陀螺進(jìn)行加權(quán)糾正，同時(shí)用卡爾曼技術(shù)對(duì)陀螺噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波處理。在系統(tǒng)接收上位機(jī)新的位置指令時(shí)對(duì)陀螺儀的位置積分?jǐn)?shù)據(jù)清零。

在伺服機(jī)構(gòu)方位運(yùn)動(dòng)支座上安裝了三軸陀螺和加速度計(jì)，來(lái)感知兩次上位機(jī)指令間隔中飛機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化引起轉(zhuǎn)臺(tái)空間三維方向上的速度/加速度變化，控制單元將采集到的值經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換運(yùn)算得到方位和俯仰方向的導(dǎo)航速度/加速度變化，經(jīng)過(guò)積分后得到轉(zhuǎn)臺(tái)在方位和俯仰上的位置變化，通過(guò)程序中的位置補(bǔ)償算法得到機(jī)構(gòu)需要改變的位置量，作為控制指令和其他環(huán)路共同控制電機(jī)帶動(dòng)天線陣面進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理技術(shù)得到載體姿態(tài)變化隔離穩(wěn)定控制的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定回路控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Control structure of stable loop

2.2 卡爾曼濾波

穩(wěn)定回路中慣性元件測(cè)量輸出值中的隨機(jī)噪聲信號(hào)影響了系統(tǒng)輸出精度，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤誤差隨時(shí)間急劇增大。為此，除了采用標(biāo)定方法補(bǔ)償陀螺和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)誤差外，還必須對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波處理?？柭鼮V波技術(shù)通過(guò)遞推算法從觀測(cè)量中估計(jì)出所需信號(hào)，由于使用靈活，適合處理隨機(jī)噪聲信號(hào)估計(jì)問(wèn)題在工程領(lǐng)域測(cè)量技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用[11-12]。

通過(guò)對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)模型原理的理解[13-14]，陀螺和加速度計(jì)的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為二階系統(tǒng)，假設(shè)離散化后的系統(tǒng)狀態(tài)空間方程系數(shù)矩陣為A,B，用卡爾曼濾波算法估計(jì)系統(tǒng)的各種誤差狀態(tài)值和補(bǔ)償校正，從而提高擾動(dòng)控制系統(tǒng)的隔離度性能，保證穩(wěn)定跟蹤回路的精度。系統(tǒng)的卡爾曼濾波器為：

其中，u(k)為現(xiàn)在狀態(tài)控制量，P是估計(jì)誤差協(xié)方差，Q是過(guò)程噪聲協(xié)方差，X是狀態(tài)估算值，I為單位矩陣，K為卡爾曼增益。

實(shí)際應(yīng)用中，選擇了慣性測(cè)量單元QH-IMU200A用于姿態(tài)測(cè)量，它采用高可靠性和穩(wěn)定性的MEMS陀螺儀和和加速度計(jì)。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，將測(cè)量單元通過(guò)串口與上位機(jī)連接，手動(dòng)晃動(dòng)該測(cè)量單元，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Kalman濾波器去除噪聲信號(hào)的結(jié)果如圖3所示。

圖3 Kalman濾波曲線Fig.3 Curve of Kalman filter

圖3中曲線1是載體姿態(tài)變化過(guò)程中的測(cè)量速度信號(hào)，曲線2是濾波之后的速度信號(hào)，曲線3是積分之后的位置信號(hào)?？梢钥闯銮€2與曲線1相比存在一定時(shí)間延遲，實(shí)際控制中不采用曲線2的數(shù)據(jù)，直接采用積分之后的位置信號(hào)作為載體姿態(tài)變化數(shù)據(jù)與控制指令進(jìn)行數(shù)據(jù)融合?？柭鼮V波器通過(guò)誤差估計(jì)、補(bǔ)償可以進(jìn)一步提高擾動(dòng)控制系統(tǒng)的隔離度性能，所設(shè)計(jì)的濾波器不但能夠穩(wěn)定地工作，而且系統(tǒng)的隔離度性能都有明顯的提高。

3 驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 仿真驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)的伺服控制策略和各單元模型的參數(shù)，在Simulink中搭建系統(tǒng)仿真模型，由于方位運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)存在相似性，這里只對(duì)方位仿真模型進(jìn)行分析。

為了驗(yàn)證穩(wěn)定回路對(duì)姿態(tài)擾動(dòng)隔離的效果，首先在不加穩(wěn)定回路的情況下對(duì)系統(tǒng)隔離度進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)的隔離度與上位機(jī)給定時(shí)間的間隔有很大的關(guān)系。在給定頻率0.125 Hz，振幅為8°的正弦信號(hào)，通信時(shí)間間隔分別依次設(shè)置為20 ms、50 ms和100 ms，仿真得到的系統(tǒng)跟蹤誤差曲線分別如圖4-圖6所示。

圖4 通信時(shí)間20 ms跟蹤誤差Fig.4 Tracking error of 20 ms

圖5 通信時(shí)間50 ms跟蹤誤差Fig.5 Trackingerror of 50 ms

圖6 通信時(shí)間100 ms跟蹤誤差Fig.6 Trackingerror of 100 ms

由圖分析可知，通信時(shí)間間隔為20 ms時(shí)，穩(wěn)定回路的隔離度約為96%；通信時(shí)間間隔為50 ms時(shí)，穩(wěn)定回路的隔離度約為94.5%；通信時(shí)間間隔為100 ms時(shí)，穩(wěn)定回路的隔離度約為92%，隨著時(shí)間間隔的增加，系統(tǒng)的隔離度降低。

采用穩(wěn)定回路后，不同通信時(shí)間間隔下的系統(tǒng)隔離度基本相同，以頻率0.125 Hz，振幅為8°的正弦信號(hào)為例，系統(tǒng)的跟蹤誤差約為0.22°，隔離度大于97%，如圖7所示。

圖7 加穩(wěn)定回路跟蹤誤差Fig.7 Tracking error with stable loop

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真結(jié)果表明，穩(wěn)定回路提高了系統(tǒng)對(duì)姿態(tài)變化擾動(dòng)的隔離效果，仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際應(yīng)用有一定參考意義，但是與真實(shí)效果還是有些差別。為此根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制策略和陀螺/加速度計(jì)穩(wěn)定回路的研究，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件電路和軟件編程進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤調(diào)試驗(yàn)證，硬件控制原理框圖如圖8所示。

圖8 硬件電路原理Fig.8 Theory of hardware circuit

圖中主控板的CPU采用32位高可靠高性能軍品級(jí)Soc系列芯片，內(nèi)嵌單/雙精度浮點(diǎn)處理單元(FPU)，適應(yīng)環(huán)境溫度范圍寬，能夠保證惡劣環(huán)境的精度要求。穩(wěn)定回路中控制電路已經(jīng)將慣性元件測(cè)量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)RS232傳輸?shù)街骺刂茊卧榱朔奖阏{(diào)試過(guò)程，基于串口通信設(shè)計(jì)了上位機(jī)調(diào)試系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)界面能夠?qū)崟r(shí)修改目標(biāo)指令、調(diào)節(jié)參數(shù)和監(jiān)測(cè)伺服系統(tǒng)速度和位置等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。伺服系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信采用RS485和PECL的方式，運(yùn)動(dòng)控制單元可提供兩路的運(yùn)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)速度控制、位置控制和穩(wěn)定跟蹤控制。硬件電路板裝機(jī)后和調(diào)試平臺(tái)如圖9所示。

圖9 硬件電路板與調(diào)試平臺(tái)Fig.9 Hardware circuit board and debugging platform

根據(jù)技術(shù)要求對(duì)平臺(tái)分別作階躍響應(yīng)、跟蹤響應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，在上位機(jī)界面選擇不同的控制模式，其結(jié)果如圖10和圖11所示，圖中縱坐標(biāo)為角度值，單位(°)；橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，時(shí)間值為顯示值×20 ms。

以方位運(yùn)動(dòng)為例，圖10是伺服系統(tǒng)3°階躍響應(yīng)曲線，顯示響應(yīng)無(wú)超調(diào)，上升時(shí)間為(112-102)×20 ms=200 ms。滿足控制時(shí)間≤200 ms，靜態(tài)誤差≤0.1°的要求。圖11是給定幅值為5°，頻率為0.2 Hz的正弦曲線輸入指令，在上位機(jī)界面上其反饋的負(fù)載位置動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線和輸入指令基本重合，無(wú)法看出位置誤差，因此這里只給出了位置跟蹤誤差曲線，可以看出最大位置誤差為0.09°，滿足指標(biāo)要求。

圖10 階躍響應(yīng)曲線Fig.10 Curve of step response

圖11 位置誤差曲線Fig.11 Curve of position error

將平臺(tái)放在可以移動(dòng)的載體上，先通過(guò)角度預(yù)置模式調(diào)整方位和俯仰角度，使天線陣面對(duì)準(zhǔn)某個(gè)方位，然后進(jìn)入跟蹤模式，并隨意移動(dòng)載體，控制系統(tǒng)能夠通過(guò)陀螺穩(wěn)定回路的位置補(bǔ)償原理實(shí)時(shí)調(diào)整方位(如圖12所示)和俯仰角度，載體姿態(tài)變化的隔離度大于97%，保證天線陣面實(shí)時(shí)正對(duì)目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤性能。

圖12 方位穩(wěn)定跟蹤曲線Fig.12 Curve of stabilizing tracking of azimuth axis

4 結(jié)論

本文提出了基于陀螺和加速度計(jì)的組合穩(wěn)定回路控制方法。該方法利用陀螺和加速度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)融合、穩(wěn)定跟蹤修正原理可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以提高機(jī)載“動(dòng)中通”系統(tǒng)的隔離度；卡爾曼數(shù)據(jù)處理技術(shù)改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和跟蹤精度。仿真驗(yàn)證和實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果表明：該伺服穩(wěn)定系統(tǒng)的系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于200 ms，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差小于0.1°，隔離度達(dá)到97%，具有較高的跟蹤精度，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用穩(wěn)定跟蹤控制。

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Disturbance Correction for “Communications in Moving” System Based on Gyro/Accelerometer Stable Loop

FANG Yangli，TANG Meng

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In view of the disturbance caused by carrier attitude changing during PC instructions for ‘communications in moving’ system, a stability loop algorithm based on gyroscope and accelerometer was proposed. Based on traditional servo system of current, velocity and position feedback loop, a speed feed forward compensation and stabilization loop.were designed. The control system integrated the measurement data of gyroscope and accelerometer and used the principle of stabilizing tracking correction to isolate carrier attitude’ change. To eliminate the random noise signal, a Kalman filter was proposed, which could effectively improve the disturbance isolation ratio. The debugging results showed that the response time was less than 200 ms,the dynamic tracking error was less than 0.1°, and the isolation ratio was more than 97%, which meant the system had higher tracking precision and satisfy the stable tracking control in industrial application.

communications in moving; attitude disturbance; gyro stable loop; accelerometer; Kalman filter

2016-05-13

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金創(chuàng)新項(xiàng)目資助(SWJTU11CX024)

方陽(yáng)麗(1989—)，女，湖北襄陽(yáng)人， 碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化系統(tǒng)。E-mail: fangyangli@163.com。

U666

A

1008-1194(2016)06-0104-05