一种三轴混合式惯导系统的复合控制方法及控制装置与流程

1.本发明涉及惯性导航领域，更具体地，涉及一种三轴混合式惯导系统的复合控制方法及控制装置。


背景技术：

2.惯性导航系统精度主要受初始对准误差、惯性器件误差、载体运动等影响，进而产生发散项误差、振荡项误差等导航误差。在高精度长航时三轴混合式惯导系统中，经过长时间对准，初始对准误差被控制在较小值。因此，导航精度主要受惯性器件误差和载体运动影响。
3.目前解决提高混合式惯导系统的主要方法是选用高精度惯性器件且在载体系下进行双轴调制，但仅适用与载体角运动小或陀螺标度因数误差稳定情况。


技术实现要素：

4.为抑制载体运动与器件误差耦合影响，提高惯导系统精度，本发明提供一种三轴混合式惯导系统的复合控制方法及控制装置。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种三轴混合式惯导系统的复合控制方法，所述三轴混合式惯导系统包括惯性测量单元imu和三轴转位机构，所述控制方法包括：
6.步骤一，对三轴混合式惯导系统进行初始对准，基于初始对准后的imu姿态信息，控制三轴转位机构转动，使得imu坐标系与当地地理坐标系重合；
7.步骤二，基于imu姿态信息与三轴转位机构测角信息，计算载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵，并解算载体姿态欧拉角，记为隔离指令角；
8.步骤三，根据所述隔离指令角计算载体坐标系到外环轴坐标系的第一姿态转移矩阵外环坐标系相对中环坐标系的第二姿态转移矩阵以及中环坐标系相对于内环坐标系的第三姿态转移矩阵
9.步骤四，获取在静态条件下的各个目标调制指令角；
10.步骤五，基于所述隔离指令角、各个目标调制指令角和所述第一姿态转移矩阵、第二姿态转移矩阵和第三姿态转移矩阵，求解与每一个目标调制指令角一一对应的每一个复合指令控制角；
11.步骤六，基于每一个复合指令控制角，对三轴转位机构进行控制。
12.根据本发明的第二方面，提供一种三轴混合式惯导系统的复合控制装置，包括惯性测量单元和三轴转位机构，所述惯性测量单元中安装有导航解算板，所述三轴转位机构中安装有测角控制板和伺服驱动板；
13.所述导航解算板，用于基于imu姿态信息与三轴转位机构测角信息，计算载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵，并解算载体姿态欧拉角，记为隔离指令角；根据所述隔离指令角计算载体坐标系到外环轴坐标系的第一姿态转移矩阵外环坐标系相对中环坐
标系的第二姿态转移矩阵以及中环坐标系相对于内环坐标系的第三姿态转移矩阵以及根据获取的在静态条件下的各个目标调制指令角、所述隔离指令角和所述第一姿态转移矩阵、第二姿态转移矩阵以及第三姿态转移矩阵，求解与每一个目标调制指令角一一对应的每一个复合指令控制角，且将每一个复合指令控制角发送给测量控制板；
14.所述测量控制板，用于获取三轴转位机构测角信息，并转发给所述导航解算板；以及根据每一个复合指令控制角，控制所述伺服驱动板控制三轴转位机构转动。
15.本发明提供的一种三轴混合式惯导系统的复合控制方法及控制装置，基于imu姿态信息与三轴转位机构测角信息，计算载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵，并解算载体姿态欧拉角，记为隔离指令角；基于隔离指令角、获取的在静态情况下的各个目标调制指令角和载体坐标系到三轴转位机构坐标系的转移矩阵，求解与每一个目标调制指令角一一对应的每一个复合指令控制角；对三轴转位机构进行控制。利用三轴转位机构，基于双轴调制方案，增加载体运动隔离策略，令设备具有地理系下调制的能力，充分发挥系统效能。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种三轴混合式惯导系统的复合控制方法流程图；
17.图2为三轴转位机构结构图；
18.图3为复合控制方案流程图；
19.图4为本发明提供的一种三轴混合式惯导系统的控制装置的结构示意图；
20.图5为三轴混合式惯导系统的控制装置的整体结构示意图；
21.图6为电流检测单元的电路结构图；
22.图7为调制控制与复合控制误差曲线图对比图。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
24.实施例一
25.一种三轴混合式惯导系统的复合控制方法，参见图1，该复合控制方法主要包括以下步骤：
26.步骤一，对三轴混合式惯导系统进行初始对准，基于初始对准后的imu姿态信息，控制三轴转位机构转动，使得imu坐标系与当地地理坐标系重合。
27.可以理解的是，本发明实施例的三轴混合式惯导系统主要包括惯性测量单元imu和三轴转位机构。图2为高精度长航时三轴混合式惯导系统惯性装置的三轴转位机构示意图，定义三个环架由内到外分别为内环、中环、外环，对应转轴定义为内环轴、中环轴、外环轴，所在的坐标系对应为内环坐标系、中环坐标系和外环坐标系。安装惯性测量单元时，令imu坐标系y轴与内环轴重合。上电后，通过调整转轴初始位置，令imu坐标系x轴与中环轴重合，imu坐标系z轴与外环轴重合，即可使得imu坐标系与当地地理坐标系重合。
28.步骤二，基于imu姿态信息与三轴转位机构测角信息，计算载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵，并解算载体姿态欧拉角，记为隔离指令角。
29.具体的，基于imu姿态信息与三轴转位机构测角信息，计算载体坐标系(b系)到导航坐标系(n系)的姿态转移矩阵，并解算载体姿态欧拉角：方位角俯仰角θs、横滚角γs，记为隔离指令角。
30.步骤三，根据所述隔离指令角计算载体坐标系到外环轴坐标系的第一姿态转移矩阵外环坐标系相对中环坐标系的第二姿态转移矩阵以及中环坐标系相对于内环坐标系的第三姿态转移矩阵
31.具体的，根据步骤二计算得到的隔离指令角计算b系到外环轴坐标系(w系)姿态转移矩阵外环坐标系(w系)相对中环坐标系(z系)姿态转移矩阵中环坐标系(z系)相对于内环坐标系(imu三轴坐标系(s系))姿态转移矩阵计算方式如下所示：
[0032][0033][0034][0035]
步骤四，获取在静态条件下的各个目标调制指令角。
[0036]
可以理解的是，本发明实施例中的目标调制指令角采用48位置调制方案，分别绕地理系天向轴与地理系北向轴转动，静态条件下目标调制指令角设计如下表1所示，表中为绕导航坐标系z轴正向旋转180
°
，为绕导航坐标系z轴反向旋转180
°
，为绕导航坐标系y轴正向旋转180
°
，为绕导航坐标系y轴反向旋转180
°
，对于48个位置调制方案，控制三轴转位机构按照转动次序进行转动。
[0037]
表1目标调制指令角
[0038]
[0039][0040]
步骤五，基于所述隔离指令角、各个目标调制指令角和所述第一姿态转移矩阵、第二姿态转移矩阵和第三姿态转移矩阵，求解与每一个目标调制指令角一一对应的每一个复合指令控制角。
[0041]
由于步骤四中获取的目标调制指令角为在地理坐标系下的指令角，在三轴转位机构实际驱动过程中，需要将目标调制指令角转化为实际调制指令角。其中，根据每一个目标调制指令角和第一姿态转移矩阵、第二姿态转移矩阵和第三姿态转移矩阵，通过如下公式求解与每一个目标调制指令角一一对应的实际调制指令角：
[0042][0043]
式中，θ
target
、γ
target
、为静态条件下，三轴转位机构执行调制策略时的目标调制指令角，根据转动次序获取；θ
tiaozhi
、γ
tiaozhi
为隔离载体运动条件下，三轴转
位机构执行调制策略时的实际调制指令角，为需要求解的。
[0044]
当载体俯仰角θs≠
±
90
°
时，实际调制指令角θ
tiaozhi
、γ
tiaozhi
有解，计算得：
[0045][0046]
求解得到与每一个目标调制指令角对应的实际调制指令角，然后根据每一个实际调制指令角和隔离指令角计算每一个复合控制指令角：
[0047][0048]
式中，θ
zhiling
、γ
zhiling
和为复合控制指令角。
[0049]
根据上述公式求解得到与每一个目标调制指令角对应的实际调制指令角，对于上述48个目标调制指令角，通过解算得到48个实际调制指令角，其转动次序与48个目标调制指令角的转动次序一致。那么最终计算出的48个复合控制指令角的转动次序与获取的48个目标调制指令角的转动次序一致。
[0050]
步骤六，基于每一个复合指令控制角，对三轴转位机构进行控制。
[0051]
可以理解是，基于解算出来的多个复合控制指令角，按照转动次序，控制三轴转位机构进行转动调制。
[0052]
可参见图3，为本发明实施例中的三轴混合式惯导系统的复合控制方案下三轴转位机构的工作原理图，主要包括以下步骤：
[0053]
(1)利用惯性测量单元(imu)测量imu相对于惯性系运动信息，并通过导航解算获得当前imu姿态转换矩阵。基于三轴转位机构角度测量单元，计算惯性装置基座姿态转换矩阵，获取基座角运动信息。
[0054]
(2)利用三轴转位机构带动imu进行转动，隔离载体角运动对imu的影响。同时令imu在导航坐标系下进行周期性对称翻转，将惯性元件确定性误差在导航坐标系下投影调制为周期性振荡误差，抑制惯性器件误差对导航结果的影响，提高系统导航精度。
[0055]
可参见图4，为复合控制方法的工作流程图，主要包括如下步骤：
[0056]
(1)设备启动过程中，由主程序对三轴混惯系统进行上电自检，确定惯性器件、测角板和伺服控制板等正常工作，以及设备物理连接正常；
[0057]
(2)设备正常启动后，导航板下发复位命令，由伺服控制机构带动imu转动至初始位置；
[0058]
(3)粗对准过程中，复合控制角恒为初始角度；转入精对准后，复合控制角由基座欧拉角与标定转动方案综合计算求解；进入导航阶段后，复合控制角由基座欧拉角与调制指令角综合计算求解。
[0059]
(4)伺服控制机构持续控制三轴旋转轴系按照复合控制角转动，直到设备运行结束，断电关机。
[0060]
本发明为抑制载体运动与器件误差耦合影响，提高惯导系统精度，利用三轴转位机构，基于双轴调制方案，增加载体运动隔离策略，令惯导系统具有地理系下调制的能力，充分发挥系统效能。
[0061]
实施例二
[0062]
一种三轴混合式惯导系统的复合控制装置，参见图5，该复合控制装置包括惯性测量单元和三轴转位机构，所述惯性测量单元中安装有导航解算板，所述三轴转位机构中安装有测角控制板和伺服驱动板。
[0063]
所述导航解算板，用于基于imu姿态信息与三轴转位机构测角信息，计算载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵，并解算载体姿态欧拉角，记为隔离指令角；根据所述隔离指令角计算载体坐标系到外环轴坐标系的第一姿态转移矩阵外环坐标系相对中环坐标系的第二姿态转移矩阵以及中环坐标系相对于内环坐标系的第三姿态转移矩阵以及根据获取的在静态条件下的各个目标调制指令角、所述隔离指令角和所述第一姿态转移矩阵、第二姿态转移矩阵以及第三姿态转移矩阵，求解与每一个目标调制指令角一一对应的每一个复合指令控制角，且将每一个复合指令控制角发送给测量控制板。所述测量控制板，用于获取三轴转位机构测角信息，并转发给所述导航解算板；以及根据每一个复合指令控制角，控制伺服驱动板控制三轴转位机构转动。
[0064]
可以理解的是，可参见图5，设计了由测角控制板和伺服驱动板组成的三轴转位机构电气系统，另外，惯性导航单元内还安装有导航解算板。
[0065]
其中，测角控制板采用核心板+底板的结构，核心板使用zynq7020soc核心板，底板主要由rs422收发器电路、12通道adc电路及电源电路组成，其组成框图如图5所示。
[0066]
测角控制板根据导航解算板(imu)的指令完成三轴转位机构位置与速度数字闭环控制。向伺服驱动板提供pwm脉冲信号，并接收伺服驱动板的电流检测单元将采样电流转换为电压信号，并进行ad转换后形成电流反馈闭环。测角控制板还通过rs422收发器电路将伺服驱动板及本板的工作状态信息发送给导航解算板，同时向导航解算板提供测角信息与自检信息。测角控制板的主要功能如下：
[0067]
1)通过soc核心板输出pwm信号控制三轴转位机构的运动回转；
[0068]
2)通过rs422接口获取读数头测角信息，并通过rs422串口向导航解算板提供转台测角信息与自检信息；
[0069]
3)具有运行信号指示灯功能；
[0070]
4)位置与速度双数字闭环功能；
[0071]
5)高精度位置测角功能；
[0072]
6)提供+5v电源给读数头和伺服驱动板。
[0073]
其中，伺服驱动板主要由电流检测单元和功率驱动模块组成，具体阐述如下：
[0074]
(1)电流检测单元：
[0075]
在伺服控制系统中，控制器需要及时准确地知道电机定子绕组中实际电流的大小，以实现电流闭环控制和电流保护电路的设计。本发明实施例中，电流检测采用霍尔电流
传感器法，利用霍尔传感器的霍尔效应，把电流产生的磁信号根据霍尔原理转换为电信号，可实现信号隔离，而且其电气干扰性小、精度较高。
[0076]
霍尔传感器为ltsr6-np，输出与输入比例为4:1000，最大输入电流9a，精度为0.5％。电流通过霍尔传感器后，变换成比例小电流信号，并输入电气隔离。小电流信号通过精密电阻转换成相应的电压信号，通过运放给a/d转换芯片。以v相电流采样为例。电流检测单元电路图如图6所示，电流采样单元实际上为一个芯片n1，芯片n1的引脚1、引脚2和引脚3接伺服电机的电流输出端，芯片n1的引脚4、引脚5和引脚6均接伺服电机的a相或b相电流，引脚7接输出端基准电压，引脚8为输出解算电压端，引脚9接地，引脚10接5v电源。其中，芯片n1的型号为ltsr6-np。
[0077]
(2)功率驱动模块：
[0078]
功率驱动模块是一款包含门驱动的完全由mos管组成桥臂的三相桥，功率驱动模块主要通过接收测角控制板输出的pwm开关信号来改变三相输出电压的频率和幅值来驱动交流伺服电机，连续输出电流30a，最高功率电源电压75vdc。该模块具有完整的保护功能，包含vcc欠压锁定功能、死区时间可调功能，同时具有禁止功能；不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。
[0079]
功率驱动模块的主要功能如下：
[0080]
1)一块单板含两块功率驱动模块，可同时驱动两路永磁同步电机；
[0081]
2)具有外部输入信号刹车功能；
[0082]
3)输入输出信号隔离功能；
[0083]
4)电源状态指示功能；
[0084]
5)驱动芯片内部欠压锁定功能。
[0085]
作为一优选实施例，三轴混合式激光惯导系统包含高精度惯性测量单元(imu)三轴转位机构、导航计算机及相关电路。
[0086]
其中，惯性测量单元通过惯性器件敏感角运动、线运动信息，输出给导航解算板进行惯性导航解算，获取惯性测量单元在导航坐标系下的姿态。结合三轴转位机构测角信息及调制方案指令，计算复合控制指令角，输出给三轴转位机构。
[0087]
三轴转位机构通过接收导航计算机输出的复合控制指令，完成载体角运动隔离和旋转调制，并接收同步信号完成内、中、外环测角采样后，输出给导航计算机。
[0088]
在一优选实施例中，采用同一套系统进行调制控制方案与复合控制方案测试，导航结果如图7所示。受载体运动影响，仅采用调制方案误差较大，复合控制方案精度较高，可以说明复合控制方案有效性。
[0089]
本发明提供了一种适用于高精度长航时三轴混合式激光惯导系统的复合控制方案，能够有效地消除载体角运动和器件误差对导航精度影响，主要有益效果如下：
[0090]
(1)消除器件常值偏置误差影响；
[0091]
(2)消除标度因数非对称误差影响；
[0092]
(3)消除载体角运动与标度因数对称性误差耦合影响。
[0093]
本发明设计的一种适用于高精度长航时三轴混合式激光惯导系统的复合控制方案，可以充分发挥混合式激光惯导潜力，提高系统导航精度，保障各型海上平台及用户需求。结合高精度激光陀螺、精密轴系加工和先进伺服控制，可实现高精度载体运动隔离及调
制效果。
[0094]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0095]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0096]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0097]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0098]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0099]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0100]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。