三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制

三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制（精选5篇）

三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制 第1篇

摘要：介绍了三轴惯性陀螺测试转台的工作方式及其控制系统的功能，研究了以8051单片机为系统控制核心的转台控制器的硬件及软件设计问题，提出了采用8051单片机及Intel8254定时／计数器对步进电机进行开环位置及速度控制的解决方案。

关键词：陀螺测试转台单片机步进电机运动控制

导航系统是飞行器的重要组成部分。惯性陀螺仪表普遍应用于各种类型的飞行器的导航系统中，它反映了飞行器的飞行姿态以及其它重要导航信息，保证了人为或自动驾驶仪对飞行器进行控制的安全性与准确性。为了确保惯性陀螺仪表工作的可靠性，需要对仪表进行定期的校验，用测试转台测试陀螺仪表是比较常用的方法。某机场所使用的测试转台大部分存在老化严重以及功能单一的问题，尤其是部分转台还是老式的手动转台，很难保证校准精度，所以需要研制新型数字化的低成本的高精度陀螺测试转台及其控制系统。

陀螺测试转台的低速复合控制研究 第2篇

陀螺测试速率转台是中低精度陀螺的性能测试和动态模拟的低速测试设备。产品形成过程中结构设计、制造安装等环节的积累效应使系统存在周期性摩擦力矩,并且该力矩对低速段精度影响明显;另外,转台驱动元件永磁直流电机运行时存在波动力矩,该力矩在电机低速段表现更突出,也具有周期特征;同时,测速元件若是编码器,则低速时测量误差会变大。基于以上三点原因,使得该类型转台在设计制造时会因低速跟踪精度显著下降,而使系统整体精度达不到要求。为了进一步提高设备的适用范围和性能,就需要进一步提高转台低速时的跟踪精度,对这些因素加以抑制或消除。针对周期性波动力矩对转台运行的影响,在系统中引入重复控制策略,可达到了很好的效果[1,2]。针对摩擦力矩对转台低速运行的影响,人们一般采取先建立摩擦力模型、再进行补偿的方法;已有摩擦力模型有:库仑摩擦模型,库仑摩擦+粘滞摩擦模型,静摩擦+库仑摩擦+粘滞摩擦模型,Stribeck摩擦模型,Dahl模型,Bristle模型,Bliman and Sorine模型,Lu Gre模型等[3,4]。其中Lu Gre模型最能准确地描述机械中的摩擦现象,但由于Lu Gre模型比较复杂以及模型参数多,使用双观测器才能实现自适应摩擦补偿,致使计算比较复杂,实用化比较困难[5]。通过以上分析,本文提出一种采用重复控制器+摩擦扰动补偿控制的复合控制策略,通过摩擦扰动补偿控制抑制或消除摩擦力矩的影响,同时易于工程实现;通过重复控制器实现对电机波动力矩的抑制或消除,进一步提高转台低速运行的稳定性和跟踪能力。

1 转台摩擦力扰动补偿控制器的设计

针对摩擦力矩对转台低速稳定运行的影响,欲保证转台低速时的跟踪精度,必须进行补偿控制。这里的补偿控制就是根据摩擦力矩对转速的影响大小,及时修正补偿控制量的大小,以抑制或消除摩擦力矩所造成的影响。鉴于基于模型的补偿方法所涉及的参数较多、计算复杂、实际应用困难较大等原因,在此,我们通过模拟系统摩擦力矩扰动,然后施加于控制量和摩擦引入处,对摩擦力矩进行抵消,达到补偿控制的目的,以此方式来解决模型补偿所存在的问题。鉴于转台低速时,电流频率较低,电机的感性因素可以忽略,可得直流力矩电机简化的动态结构图如图1所示。图中,f(s)为摩擦扰动信号,n(s)为输出的角速度信号,KPWM为PWM变换器的电压放大倍数,KM为转台电枢回路的传递系数(由转台转矩系数Cm和电机电枢电阻Ra的比值决定),Ce为反电势系数,J为转台的转动惯量,U(s)=KPWMUC(s),G(s)为小闭环等效传递函数,G(s)=KM(KMCe+Js)。

从图1中可以得到:

系统引入的摩擦补偿控制量应为-f(s),考虑到实际测量转速时有机械谐波干扰,会使系统震荡不稳定,因而设置了低通滤波器,现暂取滤波时间常数为Ton=0.002 s,则摩擦补偿控制量为:

由式(5)和式(6)可得到引入摩擦扰动补偿控制器后转台动态结构图如图2所示。

从图2中可以得到:

从式(7)中可以得出:摩擦扰动项(1-500(s+500))·f(s)很快就会被衰减为零,致使扰动不会对输出产生较大的影响,表明摩擦补偿控制器最终可抑制或消除摩擦干扰对转速的影响。摩擦补偿控制器的电路实现:从式(1)~式(6)可知,1 G(s)=(Ce+Js)KM是比例微分环节,其他为比较环节和滤波环节,可由集成电路实现,也可数字实现,均易实现。

2 重复控制器的设计

为了进一步提高系统的低速跟踪能力和抑制摩擦扰动干扰,特别是对周期性干扰进行控制,为此,对转台采用重复控制策略[1]。重复控制是针对一个周期已知的参考输入的单输入单输出线性系统而提出的的一种学习控制方法,它通过将系统内部的周期信号经过时滞环节,被延迟一个信号周期,再将延迟后的信号通过反馈又作用于下个周期,不断循环,经过几个周期的重复控制之后,抑制周期性干扰直至将跟随误差控制在要求的范围之内,从而大大提高系统的跟踪精度。考虑到重复控制的引入会使系统的稳定性变差,为此,在重复控制环节中加入了低通滤波器,结合转台控制系统的调速和稳速要求,转台控制系统采用复合控制后的系统动态结构图如图3所示。

在引入重复控制环节后,系统稳定条件:

式中:GC(s)=C(s)GⅠ(s),C(s)是使系统达到稳定条件而加入的的校正环节传递函数,GⅠ(s)为控制对象被校正成典Ⅰ系统的传递函数;F(s)为低通滤波器的传递函数。

根据重复控制环节的动态结构图4,经推导得出采用DSP予以计算实现的公式如下:

式中:K1=KnT Tn,K2=(Tn-T)Tn。其中Kn为低通滤波器的比例系数,取小于1的数;Tn为低通滤波器的时间常数,由直流力矩电机额定转速决定,一般取值为0~35 Hz,角频率为0~250 rad/s;延迟环节的延迟时间一般取值为系统采样周期的整数倍,TD=NT;T为系统采样周期。为了进一步提高系统的低速跟踪效果,在系统稳定的前提下,在重复控制的前端引入KP比例环节,KP一般取值为10~25。

3 PI调节器的设计

为了确保系统稳态精度的要求,速度调节器采用PI调节器,对转台电机转速进行无静差的PWM控制,PI调节器的参数按典Ⅰ系统的二阶最佳系统进行设计[7],其参数计算公式:

式中:TI为积分时间常数;KPI为比例系数;Tm为电机机电时间常数;Ks为PWM变换器放大倍数;Ce为电机电势常数;α为测速反馈系数;Tm为机电时间常数(Tm=J(CeKM),TS为PWM变换器延迟时间常数。

为了实现采用DSP对转速进行快速实时的PWM控制,PI调节器采用数字积分分离的PI算法,其公式为:

式中:KPI仍按式(8)进行计算;KI为积分系数,按公式KI=KPIT/TI计算,T为采样周期。

4 系统的软件设计

为了使控制系统数字化、功能模块化、集成化,在此采用DSPTMS320LF2812作为控制核心,充分利用它所具有的各项功能,完成对转台电机的控制,实现系统各种功能参数的设置显示、信号采集、运算处理、控制。系统软件部分的设计主要由初始化程序、故障处理及显示程序、键中断服务子程序、运行控制子程序等组成,如图4、图5所示。

主程序完成硬件、软件初始化、故障处理及显示、键中断服务、运行等,硬件初始化主要完成对DSP的设置,如看门狗、时钟、计时器、ADC、I/O、事件管理(EV)等的设置,软件初始化主要对软件变量赋予初值,接受键盘传送的命令,更新变量,实现实时追踪控制,DSP也可通过SCI串口与上位机(微机)保持通信,更新变量和标志。运行控制子程序主要是通过对电机转速的检测、参数计算及重复控制运算、PI运算和补偿控制,实现对转台电机转速的PWM闭环控制。

5 系统仿真与结论

按实际情况选,电动机参数为电压Ud=27 V,电枢惯量J=380×10-5kg·m2,额定电流IN=2.8 A,电枢电阻Ra=2.475Ω,电磁时间常数TL=3 ms,额定速度为330 r/s,额定负载转矩为7 N·m,PWM变换器延迟时间常数TS=0.1 ms,PWM变换器放大倍数KS=4.8。经计算得Tm=0.065 4 s,Ce=0.060 8 V/(r/m),G(s)=1/(0.060 8+0.162 s)。

按图3应用Matlab建立不包含重复控制器的控制系统仿真模型,并将以上所有数据带入系统仿真模型中,令Un*为0.01°,角频率为10 rad s的正弦信号,并同时施加幅值为0.2、频率为2 Hz方波干扰和幅值为0.2频率为5 Hz正弦干扰,获得转台低速带载运行仿真波形如图6所示。

从图6中可以看出:系统采用了摩擦补偿控制以后,虽可以大大地抑制扰动对转速的影响,使系统低速时具有较高的跟随精度,但是,波形中仍能看到存在极短暂的抖动现象,说明摩擦补偿控制器对周期性变化较大的干扰不能及时完全予以消除,须有一定的时间,而使波形中出现了毛刺。系统在已有摩擦补偿控制器的基础上再引入重复控制器,构成复合控制系统结构,重复控制器设计参数为:系统经PI校正后,GⅠ(s)=17 300(s(1+0.000 1 s)),低通滤波环节Kn=0.95,Tn=0.01 s,将参数带入式(8)中,暂不考虑校正环节C(s)时,获得它们的Bode图如图7所示。从图7中可以看出:|1+G(jω)|曲线始终位于|F(jω)|曲线的上方,满足了式(8)的条件,表明:系统采用重复控制后,无须加校正环节C(s),系统也将稳定。系统引入重复控制后,在相同的条件下,仿真波形如图7所示,输出波形无毛刺,消除了干扰,电机低速无抖动。

6 结语

系统采用了复合控制以后,基本上完全消除了扰动对转速的影响,解决了系统低速抖动的问题,使系统低速时具有很高的跟随精度,说明重复控制器的引入弥补了摩擦补偿控制器的不足,进一步的提高了系统的跟随性能,跟踪效果显著,系统具有良好的动态响应性能和静态性能,使系统具有很强的实用性和较高的性价比。

参考文献

[1]李翠艳,张东纯,庄显义.重复控制综述[J].电机与控制学报,2005(1):38-41.

[2]付永领,牛建军,王岩.Stribeck模型模糊整定及其在转台控制中的应用[J].北京航空航天大学学报,2009(6):701-704.

[3]刘海荣,刘金琨.Lugre摩擦模型的模糊神经网络辨识仿真研究[J].计算机仿真,2007(1):80-82.

[4]李拥军,杨文淑,范永坤,等.高精度转台摩擦力矩补偿控制器设计与仿真[J].光电工程,2008(12):126-130.

[5]王忠山,付强,曾鸣,等.仿真转台周期性干扰抑制的研究[J].航空精密制造技术,2006,42(3):21-23.

[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].3版.北京:机械工业出版社,2007.

三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制 第3篇

基于三轴转台可以构建一个以o、x、y、z为方向性标志的地理坐标系, 该坐标系以o0x0y0z0方式定义。与之相对应的是建立在基面参照基础之上的安装基面坐标系, 同样以o、x、y、z为方向性标准, 该坐标系能够以o4x4y4z4方式定义。在整个三轴转台坐标系当中, 还涉及到以环轴为参照的坐标性, 按照环轴所定义属性的差异性, 可以将其划分为外环轴坐标系, 中环轴坐标系以及内环轴坐标系这三种类型, 与之相对应的坐标系定义方式分别为o1x1y1z1、o2x2y2z2、o3x3y3z3。按照此种方式同样还能够定义整个陀螺仪坐标系以方式OXYI表现。基于以上分析, 整个三轴转台坐标系基本结构示意图如下图所示 (见图1) 。对于上述OXYI陀螺仪坐标系而言, X意指陀螺仪所对应的X轴延伸方向, Y意指陀螺仪所对应的Y轴延伸方向, I则意指陀螺仪所对应的输入轴延伸方向。特别需要注意的一点在于:在以上XYI三轴延伸方向均处于零位状态的情况下, 以上坐标系均表现为重合状态。与此同时, 如果在陀螺仪的安装位置确定在三轴转台的内环轴位置, 在初始状态下 (以剔除各个坐标系以及陀螺仪自身的安装姿态误差因素为前提) , 有如下几个方面的关键特性:

1) 首先, 陀螺仪所对应的X轴延伸方向与三轴转台所对应的中环轴坐标系轴线延伸方向表现为平行状态;

2) 其次, 陀螺仪所对应的Y轴延伸方向与三轴转台所对应的内环轴坐标系轴线延伸方向表现为平行状态;

3) 最后, 陀螺仪所对应的I轴延伸方向与三轴转台所对应的外环轴坐标系轴线延伸方向表现为平行状态。

2 三轴转台误差源以及陀螺仪安装误差分析

特别需要注意的一点在于:在当前技术条件支持下, 对于处于正常运行状态下的三轴转台而言, 其误差源主要涉及到以下几个方面:1) 主轴方向铅垂度误差源;2) 三轴转台轴系角位置误差源;3) 三轴转台轴系倾角回转误差源;4) 三轴转台零位误差源;5) 三轴转台坐标系外环轴轴线误差元;6) 陀螺仪安装误差源。基于以上分析, 为确保有关陀螺仪输入数据分析的精确性, 同样需要针对陀螺仪进行对准误差处理以及失准角误差处理。在此过程当中, 假定三轴转台外环轴坐标系角位置参数为α, 假定三轴转台中环轴坐标系角位置参数为β, 同时假定三轴转台内环坐标系周角位置参数为γ。有关三轴转台误差源以及陀螺仪安装误差的分析可以从以下几个方面入手:

1) 三轴转台外环轴坐标系相对于地理坐标系o0x0y0z0的姿态矩阵表现形式分析:定义Δψx0以及Δψy0为三轴转台外环轴线坐标系铅垂度误差, 与之相对应的外环轴零位误差表现为Δφz1, 同时定义外环轴倾角回转误差为Δθx1 (α) 、Δθy1 (α) 。以上参数同时与三轴转台外环轴角位置α表现为函数对应相关性关系。在此基础之上, 以回转误差为扩展对象, 将其进一步扩展为Fourier计数, 按照此种方式, 可以结合以上参数定义三轴转台外环轴坐标系相对于地理坐标系o0x0y0z0的姿态矩阵表现形式, 具体的表达方式如下所示。

2) 三轴转台中环轴坐标系相对于外环轴坐标系o1x1y1z1的姿态矩阵表现形式分析:同样按照前述分析方式, 定义中环轴坐标系轴线相对于外环轴轴线的垂直度误差参数表现为Δφy1, 定义三轴转台中环轴坐标系零位误差表现为Δφx2, 同时定义三轴转台中环轴坐标系所对应倾角回转误差表现为Δθz2 (β) 、Δθy2 (β) , 以上参数与相对于整个三轴转台中环轴坐标系轴角位置β同样表现为函数对应关系。在此基础之上, 可以结合以上参数定义三轴转台中环轴坐标系相对于外环轴坐标系o1x1y1z1的姿态矩阵表现形式, 具体的表达方式如下所示。

3) 三轴转台内环轴坐标系相对于中环轴坐标系o2x2y2z2的姿态矩阵表现形式分析:分析方式同样如前所示, 将三轴转台中环轴坐标系轴线相对于三轴转台内环轴坐标系轴线延伸方向的垂直度误差参数定义为Δφz2, 将三轴转台内环轴坐标系倾角回转误差指标定义为Δθz3 (γ) 、Δθx3 (γ) 。以上参数与三轴转台内环轴坐标系轴角位置γ表现为函数相关性关系。在此基础之上, 可以结合以上参数定义三轴转台内环轴坐标系相对于中环轴坐标系o2x2y2z2的姿态矩阵表现形式, 具体的表达方式如下所示。

4) 三轴转台安装基面坐标系o4x4y4z4相对于内环轴坐标系的姿态矩阵表现形式分析:在有关该姿态矩阵表现形式的分析过程当中, 需要考量的因素仅为内环轴坐标系相对于安装夹具之间的安装型误差, 将安装误差定义为Δφz3、Δφx3。在此基础之上, 可以结合以上参数定义三轴转台安装基面坐标系o4x4y4z4相对于内环轴坐标系的姿态矩阵表现形式, 具体的表达方式如下所示。

5) 陀螺仪坐标系OXYI相对于三轴转台安装基面坐标系的姿态矩阵表现形式分析:分析方式同上所示, 将陀螺仪坐标系初始状态下的对零误差参数定义为Δφz4, 将整个陀螺仪坐标系相对于安装夹具所产生的安装误差定义为Δφzx4、Δφzy4。在此基础之上, 可以结合以上参数定义陀螺仪坐标系相对于三轴转台安装基面坐标系的姿态矩阵表现形式, 具体的表达方式如下所示。

3 陀螺仪误差模型及其标定方法分析

建立在整个陀螺仪坐标系基础之上, 为标定陀螺仪误差模型与角速率参数指标的模型系数, 需要首先针对陀螺仪进行安装处理。其安装作业的关键工作要点在于:能够确保三轴转台所表现出的外环轴、中环轴以及内环轴走速率指标能够按照既定方式予以实现, 在此基础之上完成对陀螺仪输出参数的测量, 进而实现对整个陀螺仪误差模型的可靠性构建。

需要特别注意的一点在于:在充分考量输入轴指标取值参数、坐标系延伸轴交叉耦合项系数取值以及陀螺仪坐标系X轴延伸方向以及Y轴延伸方向所对应灵敏性系数以及残余误差 (残余误差定义为ε) 的基础之上, 可以实现对整个陀螺仪误差模型的可靠性构建。具体的表达方式如下所示。

按照此种方式能够以函数关系联立对整个陀螺仪坐标系下输出参数全误差方程的有效构建。基于对上述关系式的分析, 不难发现:陀螺仪坐标系最终输出参数的确定在一定程度上受到了来自于陀螺仪坐标系所对应误差模型系数取值的影响, 进而也就使得三轴转台误差相对应陀螺仪标定精确度的取值参数有所影响。现阶段有关这一影响的分析基本采取双球面实验计划的方式予以实现。在此基础之上还可以进一步分析陀螺仪标定精确度受地球自转角速率指标以及三轴转台外环轴坐标系速率误差指标的影响情况。基本可以分为以下两个方面。

1) 从地球自转角速率指标相对于陀螺仪标定精确度的影响角度上来说:考虑到地球自转角速度自身量值取值较小, 因而在计算及输入过程当中仅需要关注其在输入轴位置所对应的分量标称值。在此过程当中可以剔除三轴转台误差相对于该分量参数的影响。按照此种方式, 地球自转角速率指标的在输入轴位置的分量可以定义为ωe I, 其具体的表达方式如下所示:

结合以上分析, 在充分考虑附加输入参数取之影响的基础之上, 可以直接将附加输入参数的取值简化为:Δyωe=DIωesinψcosβcosγ。从这一角度上来说, 该项误差能够直接采取在三轴转台外环轴坐标系角速率指标中加入ωesinψ的方式, 将其对陀螺仪标定精度的影响予以有效剔除。

2) 从转台外环坐标轴轴速率指标相对于陀螺仪标定精确度的影响角度上来说, 建立在三轴转台基础之上的外环轴坐标系轴速率误差参数基本可以定义为ω (α) 。该项参数的表达方式应当为ω (α) =ω0+ω1ccosα+ω1ssinα。从这一角度上来说, 对于整个三轴转台坐标系而言, 误差项只有在满足存在ω2这一条件的情况下才能够表现为非零值状态。

4 结论

本文针对建立在三轴转台坐标系基础之上, 可能导致陀螺仪误差模型参数标定精度受到影响的主要因素进行了详细分析, 通过构建姿态矩阵的方式研究了陀螺仪误差模型的表达方式, 并从地球自转角速率指标以及转台外环坐标轴轴速率指标这两个方面入手, 针对陀螺仪标定精确度的影响问题做出了简要分析与说明, 旨在于通过对以上误差模型的应用, 提高实践工作过程中陀螺仪误差模型参数的辨识精确度水平, 以上问题希望能够引起各方工作人员的特别关注与重视。

摘要：本文以陀螺仪标定精确度为研究对象, 着眼于三轴转台误差实际情况。首先针对陀螺仪标定系统的基本概念进行了简要分析, 进而借助于构建姿态矩阵的方式, 深入研究了三轴转台误差源以及陀螺仪安装误差中的相关问题, 在此基础之上构建了充分考量三轴转台误差因素影响下的陀螺仪误差模型及其标定方法, 希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。

关键词：三轴转台,误差,陀螺仪,标定系统,姿态矩阵,模型,方法,分析

参考文献

[1]李岩, 范大鹏.基于多体系统运动学理论的三轴转台装配误差建模分析[J].兵工学报, 2007, 28 (8) :981-987.

[2]徐凤霞, 夏刚, 苏宝库, 等.总体最小二乘辨识陀螺加速度计误差模型研究[J].传感器与微系统, 2007, 26 (9) :20-22, 28.

[3]祁家毅, 任顺清, 王常虹, 等.用三轴转台辨识陀螺仪误差模型系数时的速率试验设计[J].宇航学报, 2006, 27 (3) :565-570.

[4]张国良, 曾静, 邓方林, 等.用四元数法提取加速度计三轴转台测试中的动态误差量[J].中国惯性技术学报, 2000, 8 (3) :70-73.

[5]谭志斌, 赵祚喜, 张霖, 等.基于三轴转台的惯性测量传感器测试[D].中国农业工程学会2011年学术年会论文集.2011:1-6.

三轴仿真转台控制系统的设计 第4篇

1 系统结构及总体方案设计

本三轴转台控制系统由惯性传感器模块、STM32微控制电路、OLED显示模块、按键输入模块、步进电机驱动模块、RS-232串口通信模块、编码器数据采集模块等部分组成。系统整体结构框图如图1所示。惯性传感器系统采集到原始信号, 通过I2C总线发送给STM32微控制器, STM32控制器运用捷联惯导算法处理惯性传感器获得的数据, 解算出转台的实时姿态。在LCD液晶显示屏上实时显示姿态参数, 另外使用MAX3232将TTL电平转换成RS232电平, 再与PC机的COM口连接, 并将姿态数据打包成固定格式的串口数据包, 通过串口发送给上位机软件, 在PC端上位机软件实时动态显示姿态参数和波形曲线。在上位机软件上可以控制三轴平台的状态, 模拟无人机的俯仰、翻滚、航向三轴方向上的姿态控制, 控制信息通过COM口发送给STM32控制器, 编码器模块采集三轴平台的转动数据经过PID算法处理后反馈给驱动电路控制步进电机转动, 提高了三轴转台的转动精度。三轴平台与控制系统之间的数据采用光电隔离, 防止电机干扰和损坏控制系统。

2 硬件设计

2.1 步进电机驱动部分

步进电机驱动部分电路原理如图2所示。步进电机的控制信号主要是CLK, CW, ENABLE, 分别控制步进电机的速度和转角、电机的正反向转动以及电机的使能, 3个信号均须用光耦隔离电路隔离后与控制台连接。光耦的主要作用是防止电机干扰和损坏微控制器接口电路, 其次光耦还起到对控制信号进行整形的作用。对于CLK与CW信号, 要选择高速光耦, 以保证信号经过光耦后不会发生滞后或者畸变而影响电机驱动的性能。CLK与CW信号采用6N137高速光耦隔离, 而ENABLE信号采用TLP521普通光耦隔离。

驱动电路电源采用12V开关电源供电, VMB和VMA是步进电机驱动电源引脚, 为达到稳压的目的, VMB和VMA应当接入瓷片去耦电容和电解电容。OUTAP, OUTAM, OUTBP, OUTBM引脚为步进电机两相输出接口。NFA, NFB为电机两相最大驱动电流定义引脚, 由于实际步进电机每相的最大驱动电流为2.5A, 则取串联电阻为0.2Ω, PGNDA, PGNDB和SGND根据定义分别接电机两相驱动引脚地和逻辑电源地。

逻辑控制电路的电源为5V, VDD为逻辑电源输入引脚, 应当接入去耦电容和旁路电容来减小干扰噪声的影响。RESET为芯片复位脚, 低电平有效。步进电机在低频工作时, 存在振动大、噪声大的缺点, 细分驱动的细分功能可以解决这些问题, M1, M2是TB6560的细分设置引脚, 外接拨码开关可以设置不同的细分值, 譬如整步、半步、1/8细分、1/16细分等。步进电机由于自身状况、电源状况和脉冲频率等其他因素的影响, 可能会产生高频噪声, 通过电流衰减模式的设置可减小这种噪声, DCY1和DCY2为电源衰减模式定义引脚, 外接拨码开关以进行模式设置。

2.2 基于STM32的外围接口电路设计

基于Cortex-M3内核的STM32F103ZET6是意法半导体生产的高性能嵌入式微处理芯片, 该芯片内核最高可达72MHz工作频率, 有512K的闪存程序存储器和64K字节的SRAM, 有多达80个标准IO口, 有3个12位模数转换器, 11个定时器, 同时有13个通信接口, 其中有2个I2C接口、5个串行接口、3个SPI接口, 并支持USB2.0, SDIO和CAN总线接口, 是一款专门为满足高性能、低功耗、实时应用系统而设计的嵌入式微处理器, 并且该芯片能很好地满足本控制系统的控制、处理、数据采集、传输、显示等功能。基于以上优点, 本控制系统采用STM32F103ZET6作为微控制系统的核心处理器, STM32微处理器外围接口电路如图3所示。

2.2.1 捷联惯导模块

捷联惯导模块使用的是MPU6050, 其为一款集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的六轴运动传感器, 含有可扩展的数字运动处理器DMP, 可通过I2C接口与其他数字传感器连接。传感器内部集成16位AD, 测量到的三轴角速率和三轴加速度模拟量信号经过AD转换为数字量信号, 将数字信号存储到传感器的寄存器中, STM32通过I2C总线接收到角速率和加速度数字信号。应用捷联惯导算法将陀螺仪测量的载体角速度解算成姿态矩阵, 从中提取载体的姿态信息, 并用姿态矩阵把加速度计的输出从载体坐标系变换到导航坐标系, 进行导航解算。微控制将解算得到的姿态信息打包成固定格式的串口数据发送给上位机软件, 并在上位机上实时显示。

2.2.2 LCD液晶接口设计

本控制系统采用2.8英寸320×240分辨率的TFT-LCD液晶显示屏对姿态数据进行显示, 系统采用STM32的FSMC接口来控制LCD液晶的显示, 能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器。使用FSMC接口访问外部设备的时序可以编程, 可把液晶显示屏当作外部存储设备来使用, 能够根据不同的外部存储器类型, 发出相应的数据、控制、地址信号类型来匹配信号的速度, 更好满足本控制系统设计对LCD接口、控制器体积以及成本的综合要求。

2.2.3 编码器模块

本系统采用ZSP3806增量式旋转编码器, 具有体积小、重量轻、结构紧凑等优点。编码器的使用使整个控制系统构成一个闭环系统, 主控制器采集到编码器采集到的转动数据经过数据处理, 采用PID算法反馈给控制输出, 构成精准的转动控制。

2.2.4 电源管理模块设计

本系统采用12V直流电源供电, 通过LM7805芯片获得5V电压输出, 5V电压再经过LMS1117输出3.3V电压, 电源电路中并联电解电容和瓷片电容来达到滤除干扰的目的。

2.2.5 串口通讯模块设计

本系统中的串口通讯电路采用MAX3232芯片, 完成TTL电平与RS232电平之间的转换, 串口通讯电路主要用于控制器与PC之间的通信。

3 基于STM32的软件实现

3.1 载体姿态采集

设计中STM32控制器采用I2C总线协议对传感器进行数据采集。MPU6050的初始化包括电源管理、陀螺仪自检及测量范围、加速度自检及测量范围、陀螺仪采样频率、滤波频率等的设置。采集到飞行器的三轴加速度数据和角加速度数据, 然后经过数据处理和一些相关算法进行结算, 就能够得到三轴平台的姿态、速度等信息。

3.2 控制器算法及实现

PID (比例-积分-微分) 调节是连续控制系统技术成熟、应用广泛的一种控制技术, 因此被广泛地应用于各种控制系统中。它的特点是结构简单, 参数设定及调节方便, 结构改变灵活, 适应性强。

数字PID调节器的数学模型为:

其中的分别为比例、积分和微分系数;e为采样点。

为了防止系统的超调现象的发生, 采用以下算法控制

A为门限值, 当有大偏差值存在时, 积分项不起作用, 偏差在门限范围之内, 才会引入积分项, 这样减少超调现象发生。

系统通过定时器每隔t时间中断一次, 随即完成一次PID计算, 每次采集到的u (k) 都保存到缓存中, 在缓存中, u (k-1) , u (k-2) 的值不断更新, 然后, 通过这2个值计算出e (k-1) , e (k-2) , 把值代入公式中, 就可以得到u (k) 的值, 即为控制输出。中断PID程序流程如图4所示。

4 结语

本文介绍了一种基于STM32的三轴平台控制器设计。在对仿真转台的控制系统进行研究后, 选用合适的运动控制器件和控制算法实现飞行仿真转台的模拟运动。系统设计是在满足系统的各项功能要求的前提下, 还有下述优点:⑴采用积分分离式的PID算法, 控制精度高, 同时显著降低了被控制变量的超调量和过渡过程时间。⑵具有广泛的适应性、可扩展性和互换性。所有部件均具有符合业界标准的接口。⑶系统集成度高, 可靠性高, 维护简单。

摘要：文章介绍了一种无人机飞行半物理仿真平台的控制系统, 本系统是以ARM处理器为核心控制器, 采用模块化设计的方法, 设计了一个三轴转台控制系统。系统采用PC机与下位机两级控制, 使用积分分离式的PID控制算法, 对三轴转台进行精确控制。控制系统能控制三轴转台转动并对平台上捷联惯导系统姿态信息进行实时测量, 保存和显示。

关键词：三轴转台,PID算法,STM32,姿态控制,捷联惯导系统

参考文献

[1]胡庆.历史与现实:无人机发展历程、现状及其所面临的挑战[D].南京:南京航空航天大学, 2012.

[2]金开保.无人飞行器飞行控制系统半物理仿真研究[D].南京:南京航空航天大学, 2014.

[3]曾庆华, 张为华.无人飞行控制系统实验教程[M].北京:国防工业出版社, 2011.

[4]周长义.三轴飞行仿真转台控制系统设计与控制算法研究[D].北京:中国科学院研究生院, 2005.

[5]周耀兵.三轴转台伺服控制研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2006.

[6]邱腾渊.飞行姿态再现及模拟平台研究[D].南京:南京航空航天大学, 2008.

[7]乔敏娟.无人机飞行仿真转台控制系统研究[D].长春:长春理工大学, 2014.

[8]苏婷婷.三自由度转台的控制与应用[D].哈尔滨哈尔滨:工程大学, 2006.

三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制 第5篇

惯性导航技术是飞行器制导的关键技术, 也是目前我国的重点研究方向, 因此, 对飞行组件中惯性测量组件的性能测试具有重要意义。为了避免Windows的非实时性造成测试结果的不可靠, 本文设计一套基于Windows RTX实时操作系统的测试系统, 通过采集惯性测量组件发出的6路加速度脉冲和6路角速度脉冲并计数, 从而得出飞行组件的当前飞行状态, 以验证惯测性能。该系统的构成如图1所示。

该系统由PXI总控计算机和自制惯测测量板卡构成, 总控机工作在Windows RTX环境下, 惯测测量板卡采集脉冲并计数后通过PXI总线将数据传递给总控机处理, 结果由测试程序 (MFC) 显示在界面上[1]。

1 惯测测量板卡设计

如图2所示, 板卡选用了PLX公司的PC I总线通用接口芯片P C I 9 0 5 4作为桥接芯片, 连接PXI总线和FPGA, FPGA选用的是Altera公司的Cyclo ne I系列芯片EP1C6Q24 0 C 8 N。

1.1 PCI9054与PXI总线接口

P C I 9 0 5 4与P X I总线接口连接比较简单, 只要将PCI9054芯片的PXI端信号线与PXI插槽的相应信号线对应连接就可以了。在电路板制作上, 为了满足反射条件, 对PXI总线信号走线有严格要求:普通信号长度, 从插槽的连接器到PCI桥芯片不大于1.5英寸, CLK信号走线长度为2.5英寸左右。否则会导致信号不稳定甚至总线冲突, 无法开机。

1.2 PC I9 0 5 4寄存器配置及初始化

总控机上电或复位时, PCI9054有3种初始化内部寄存器的方法:Local端处理器、串行EEPROM和默认配置。配置一旦不正确或不成功, 将引起测试系统数据传输错误, 甚至计算机无法正常进入系统。默认配置一般不符合用户的特定需要, Local端配置需要FPGA实现复杂的时序控制。本系统采用串行EEPROM来对PCI9054进行上电配置。

总控机启动或复位时, PCI9054首先读取EEPROM的值, 写入对应的寄存器, 然后BIOS枚举出每类总线 (当然包括PXI) 上的每一个设备, 建立管理设备的数据结构。当加载操作系统的时候, 要把这个数据结构的指针传递给操作系统, 当操作系统启动后将再次为包括PCI9054在内的硬件设备分配资源, 包括内存空间、中断请求、I/0空间等。此时就要根据EEPROM的内容来实现这些配置。

1.3 隔离电路

为防止脉冲信号在传输过程中失真, 本文设计了三极管隔离电路, 信号由三极管基极输入、集电极输出, 如图3所示。

2 软件设计

2.1 RTX下的驱动程序

RT X环境下进行P XI设备驱动开发之前应将Windows下的设备转换为RTX下的设备。RTX提供实现该功能的属性窗如图4所示。利用RTX属性窗进行转换分两个步骤[2]:

(1) 添加RTX的INF支持;

(2) 在设备管理器中更新设备驱动, 将PXI设备从Wind ows支持转换为RTX支持。

INF是一个文本文件, 里面存储了安装对应设备所需的必要信息, 比如驱动的名称、所在文件夹、注册表信息和版本信息。例如, Rtx Pnp.inf存储了RTX下即插即用 (PNP) 设备的驱动相关信息, 驱动的名称为Rtx Pn p.s y s。Rt x Pn p.sy s实现了PXI总线级的驱动。

实现了RTX总线级驱动, 就可以通过R TX提供的系统函数访问PXI设备资源。具体过程如下:调用系统函数Rt Get Bus Data B y Offset扫描获取系统PXI插槽上的所有板卡配置空间, 找到对应的板卡后调用系统函数Rt Translate Bus Address把设备配置空间中的6个基地址的基址映射到Windows系统中内核所占用的地址, 再调用Rt Map Me mory把Windows系统内核地址转换为程序可以访问的虚拟地址。这6个基址分别对应PLX905 4寄存器内存映射基址、I/O映射基址、本地空间0-3的基址。RTX下允许直接对硬件操作, 所以有了这6个基址, RTX下程序就可以像访问内存一样访问板上寄存器和本地空间硬件资源了。

2.2 Windows与RTX的通信

如图5所示, Windows进程可以通过共享内存和实时信号量与RTX进程通信, 从而实现对PXI设备的读写操作。

(1) 共享内存

RTSS共享内存对象允许在多个进程之间共享数据块, 包括在RTSS进程和Win32进程之间。为了做到这一点, 在每一个进程中都有一个线程, 这个线程必须有它自己的唯一到RTSS共享内存对象的相关进程句柄和指向保存映射的虚拟地址的区域指针。这些句柄和指针可以通过调用函数Rt C reate Shared Meory或Rt Open Shared Meory获得[3]。

(2) 实时信号量

当RTSS进程要访问共享内存数据时, 会向共享内存发送一个请求访问的信号量, 而共享内存接到请求访问的信号量后会向Win32发送一个询问信号量。如果Win3 2已经把数据准备好, 并且写入共享内存中, 在收到询问信号量时就会给共享内存发回一个准备好的信号量, 共享内存收到后再给RTSS发回一个可以访问的信号量, 这样RTSS就可以从共享内存里读出数据了[4,5]。

2.3 测试程序设计

Windows下的测试程序是基于VC6.0开发的MFC, 利用共享内存, MFC程序可以通过与RTX程序的通信实现对板卡的操作, 并将测试结果显示在界面上。测试程序主要包含了初始化板卡模块、启动惯测模块、计数模块。

3 测试结果分析与结论

在一次对某型号导弹上实际惯测的测试中, 连接惯测与测量板卡的线缆长度为3米, 测试结果表明, 脉冲在传输过程中并未出现失真情况, 对脉冲信号每秒钟的计数误差小于0.3%, 图6为某一路脉冲信号的实际测试结果。另外, 由于采用了实时的RTX系统, 系统的响应时间为ms级, 完全满足了实时性要求。

由上, 相比传统的惯测测试系统, 本文设计的测试系统, 具有明显的结构简单、精度高、可靠性强等优点。并且, 由于测试软件是基于VC++环境开发的可视化软件, 系统具有良好的可扩展性, 通用性较强。

参考文献

[1]李莉, 刘亚斌.惯导车载试验系统软件设计与研究[B], 计算机测量与控制, 2009, 17 (3) :593-598.

[2]王道彬, 陈怀民, 别洪武, 王先泽.基于RTX的实时测控系统软件设计[A].火力与指挥控制, 2009, 34 (8) :125-127.

[3]付文芳, 张淼萍.RTX下PCI9052驱动程序的开发[A].科技广场, 2006年第8期:97-100.

[4]黄键, 宋晓, 薛顺虎.RTX平台下实时仿真系统的设计方法, 计算机应用与软件[B], 2009, 26 (4) :166-169.