机载SAR雷达大承载偏心一轴平台的控制方法及装置与流程

机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法及装置
技术领域
1.本发明涉及机载雷达技术领域，更具体涉及机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法及装置。


背景技术：

2.合成孔径(sar)雷达，是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上，全天时、全天候对地实施观测、并具有一定的地表穿透能力。目前，在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘查、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势，可发挥其他遥感手段难以发挥的作用，因此越来越受到世界各国的重视。
3.机载sar雷达作为高分辨率的二维成像雷达，其清晰成像需要天线在载机的摇摆、气流扰动等环境下保持惯性空间的稳定。当载机发生姿态变化时，可采用稳定平台反向运动补偿载机的变化，使天线波束的指向稳定。
4.按轴的数量，稳定平台可分为四轴平台、三轴平台、两轴平台和一轴平台。其中，一轴平台将两轴平台的方位轴省略，仅用俯仰轴控制天线俯仰指向，利用相扫法进行波束的方位指向控制，具有简单、可靠、成本低廉的特点。机载sar雷达大承载偏心一轴平台具有以下三个特点：
5.1、平台承载的天线包络尺寸大，质量大于150kg，偏心矩大于20nm；
6.2、载机环境要求平台的转轴支撑结构尺寸小且质量小；
7.3、具备目标随动跟踪(跟踪精度不大于0.5
°
)的功能。
8.上述三个特点将严重制约天线转动的平稳性，降低平台的控制稳定性及控制精度。具体表现为以下四个方面：
9.1、小尺寸、小质量的转轴支撑结构将导致转轴整体的刚度和强度偏小，结合天线大尺寸、大质量及偏心的特点，最终导致平台控制不稳定,加剧天线转动的抖振现象；
10.2、载机的过载环境将增强偏心矩的影响。
11.3、系统回差和随动跟踪的特性将放大不稳定性；
12.4、天线抖振的转动特性将极大地削弱电机、减速机、驱动器、传动机构的寿命，同时将产生大量的干扰信号，使主控芯片无法正常工作。
13.中国专利申请号202010283182.3，公开了一种用于水面漂浮的三轴稳定平台的稳定控制方法，包括如下步骤：步骤一，采集漂浮平台姿态信息数据和稳定平台自身的姿态信息数据；步骤二，根据步骤一采集的数据得到横摇补偿电机的控制量和纵摇补偿电机的控制量；通过驱动电机带动梯形丝杠机构上下运动从而控制稳定平台上台面的水平；步骤三，根据步骤一采集的数据得到漂浮平台的偏航信息，并根据偏航信息得出方位电机的修正量，控制方位电机驱动方位减速机相对大地坐标进行稳定旋转；步骤四：通过步骤二、步骤三完成稳定平台的稳定性控制。通过本发明，可以实现快速的解算出漂浮平台的姿态信息。该专利申请适用于三轴稳定平台，并不能通过该专利申请提供的方法实现大承载偏心一轴平台的稳定控制，所以需要设计一种能够实现大承载偏心一轴平台稳定控制的方法，以使
安装有大承载偏心一轴平台的机载sar雷达平稳且高精度地运行。


技术实现要素：

14.本发明所要解决的技术问题在于现有技术缺乏大承载偏心一轴平台稳定控制的方法，导致安装有大承载偏心一轴平台的机载sar雷达运行过程的稳定性难以保证。
15.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法，所述方法包括：若总控台发送的角度指令值处于区间[d1
°
，d2
°
]且角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c3
°
]则开始本次控制，否则结束本次控制并上报总控台；若角度误差处于区间[(d1
‑
c3)
°
，b2
°
)以及区间(b3
°
，(d2
‑
c4)
°
]则采用速度单pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制；所述速度单pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，根据角度误差及角度传感器反馈值设定位置闭环输出阈值，将位置闭环输出阈值换算成速度指令，并与速度传感器反馈的平台转速作差得到速度误差，将速度误差输入速度闭环系统的第一pi控制器，第一pi控制器输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态。
[0016]
其中，c3表示天线逆时针转动的机械限位角度值；c4表示天线顺时针转动的机械限位角度值；b2表示载机直线飞行时，横滚角的最小取值；b3表示载机直线飞行时，横滚角的最大取值。
[0017]
本发明设置大承载偏心一轴平台开始控制的条件，在满足条件的情况下才进行控制，控制过程中采用速度单pi控制方法补偿角度误差和速度误差，使得平台运行过程中实际的角度传感器反馈值与角度指令值更加接近，且调节过程中经过对速度误差进行补偿使得平台更加平稳的进行角度补偿，整个过程保证了大承载偏心一轴平台的稳定性，使得安装有大承载偏心一轴平台的机载sar雷达运行过程的稳定性得到保证。
[0018]
进一步地，若角度误差处于区间区间[b2
°
，b3
°
]则采用位置速度双pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制，所述位置速度双pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，角度误差输入第二pi控制器，第二pi控制器输出值与速度传感器反馈的平台的转速作差得到速度误差，将速度误差输入第三pi控制器，第三pi控制器输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态。
[0019]
进一步地，其特征在于，d1取值
‑
90，d2取值+90，c3取值+95，c4取值
‑
95，b2取值
‑
6，b3取值+6。
[0020]
进一步地，若角度误差处于区间[(d1
‑
c3)
°
，b1
°
)，角度传感器反馈值处于区间[c1
°
，c3
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a1，若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a2，所述位置闭环输出阈值a1的绝对值小于位置闭环输出阈值a2的绝对值，其中，b1为载机转弯时，横滚角的最小取值，c1为天线顺时针转动至停止状态的平衡位置角度值。
[0021]
更进一步地，若角度误差处于区间[b1
°
，b2
°
)，角度传感器反馈值处于区间[c2
°
，c3
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a3；若角度传感器反馈值处于区间[c1
°
，c2
°
)，则设定位置闭环输出阈值为a4；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a5，所述位置闭环输出阈值a3的绝对值小于位置闭环输出阈值a4的绝对值；a4的绝对值小于位置闭环输出阈值a5的绝对值，其中，c2为天线从c3转至c1时，偏心力矩曲线斜率变化最大的
角度。
[0022]
更进一步地，其特征在于，b1取值
‑
30，c1取值+1，c2取值+60，a1取值
‑
3.4，a2取值
‑
4.3，a3取值
‑
3.1，a4取值
‑
3.5，a5取值
‑
4.3。
[0023]
进一步地，若角度误差处于区间(b3
°
，b4
°
]，角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c5
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a6；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a7，所述位置闭环输出阈值a6的绝对值小于位置闭环输出阈值a7的绝对值，其中，b4为载机转弯时，横滚角的最大取值，c5为天线从从c4转至c6时，偏心力矩曲线斜率变化最大的角度，c6为天线逆时针转动至停止状态的平衡位置角度值。
[0024]
更进一步地，若角度误差处于区间(b4
°
，(d2
‑
c4)
°
]，角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c6
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a8；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a9，所述位置闭环输出阈值a8的绝对值小于位置闭环输出阈值a9的绝对值。
[0025]
更进一步地，b4取值+30，c5取值
‑
1，c6取值+5，a6取值3.5，a7取值4.2，a8取值3.6，a9取值4.2。
[0026]
本发明还提供机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制装置，所述装置包括：初始化模块，用于若总控台发送的角度指令值处于区间[d1
°
，d2
°
]且角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c3
°
]则开始本次控制，否则结束本次控制并上报总控台；
[0027]
第一控制模块，用于若角度误差处于区间[(d1
‑
c3)
°
，b2
°
)以及区间(b3
°
，(d2
‑
c4)
°
]则采用速度单pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制；所述速度单pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，根据角度误差及角度传感器反馈值设定位置闭环输出阈值，将位置闭环输出阈值换算成速度指令，并与速度传感器反馈的平台的转速作差得到速度误差，将速度误差输入第一pi控制器，第一pi控制器输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态。
[0028]
其中，c3表示天线逆时针转动的机械限位角度值；c4表示天线顺时针转动的机械限位角度值；b2表示载机直线飞行时，横滚角的最小取值；b3表示载机直线飞行时，横滚角的最大取值。
[0029]
进一步地，所述装置还包括第二控制模块，第二控制模块用于若角度误差处于区间区间[b2
°
，b3
°
]则采用位置速度双pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制，所述位置速度双pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，角度误差输入第二pi控制器，第二pi控制器输出值与速度传感器反馈的平台的转速作差得到速度误差，将速度误差输入第三pi控制器，第三pi控制器输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态。
[0030]
进一步地，d1取值
‑
90，d2取值+90，c3取值+95，c4取值
‑
95，b2取值
‑
6，b3取值+6。
[0031]
进一步地，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间[(d1
‑
c3)
°
，b1
°
)，角度传感器反馈值处于区间[c1
°
，c3
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a1，若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a2，所述位置闭环输出阈值a1的绝对值小于位置闭环输出阈值a2的绝对值，其中，b1为载机转弯时，横滚角的最小取值，c1为天线顺时针转动至停止状态的平衡位置角度值。
[0032]
更进一步地，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间[b1
°
，b2
°
)，角度传感器
反馈值处于区间[c2
°
，c3
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a3；若角度传感器反馈值处于区间[c1
°
，c2
°
)，则设定位置闭环输出阈值为a4；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a5，所述位置闭环输出阈值a3的绝对值小于位置闭环输出阈值a4的绝对值；a4的绝对值小于位置闭环输出阈值a5的绝对值，其中，c2为天线从c3转至c1时，偏心力矩曲线斜率变化最大的角度。
[0033]
更进一步地，b1取值
‑
30，c1取值+1，c2取值+60，a1取值
‑
3.4，a2取值
‑
4.3，a3取值
‑
3.1，a4取值
‑
3.5，a5取值
‑
4.3。
[0034]
进一步地，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间(b3
°
，b4
°
]，角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c5
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a6；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a7，所述位置闭环输出阈值a6的绝对值小于位置闭环输出阈值a7的绝对值，其中，b4为载机转弯时，横滚角的最大取值，c5为天线从从c4转至c6时，偏心力矩曲线斜率变化最大的角度，c6为天线逆时针转动至停止状态的平衡位置角度值。
[0035]
更进一步地，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间(b4
°
，(d2
‑
c4)
°
]，角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c6
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a8；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a9，所述位置闭环输出阈值a8的绝对值小于位置闭环输出阈值a9的绝对值。
[0036]
更进一步地，b4取值+30，c5取值
‑
1，c6取值+5，a6取值3.5，a7取值4.2，a8取值3.6，a9取值4.2。
[0037]
本发明的优点在于：本发明设置大承载偏心一轴平台开始控制的条件，在满足条件的情况下才进行控制，控制过程中采用速度单pi控制方法补偿角度误差和速度误差，使得平台运行过程中实际的角度传感器反馈值与角度指令值更加接近，且调节过程中经过对速度误差进行补偿使得平台更加平稳的进行角度补偿，整个过程保证了大承载偏心一轴平台的稳定性，使得安装有大承载偏心一轴平台的机载sar雷达运行过程的稳定性得到保证。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例所提供的机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法中速度单pi控制系统的结构图；
[0039]
图2为本发明实施例所提供的机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法中位置速度双pi控制系统的结构图；
[0040]
图3为本发明实施例所提供的机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法的算法流程图；
[0041]
图4为本发明实施例所提供的机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法一种具体实施方式下的流程图；
[0042]
图5为本发明实施例所提供的机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法进行180度大范围转动控制时的简化流程图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部
分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
实施例1
[0045]
本发明以某型机载sar雷达为例，其天线的重量为170kg；偏心矩23.98nm；惯性力矩为2.24nm；干扰力矩为31.93nm；驱动元件为直流电机
‑
减速机组合，其中，电机的额定输出功率为138.48w，额定输出转矩为0.17nm，额定转速为6930rpm；减速机减速比为200：1，连续运行力矩为30nm。角度传感器选用旋转变压器，精度为0.05
°
；角度传感器对应的ad转换芯片选用ad2s80ate，精度为0.02
°
；速度传感器选用电机自带测速机，其精度为0.05
°
；速度传感器对应的ad转换芯片选用max125ceax，精度为0.02
°
。主控芯片选用dsp28335。主控芯片内置代码化的以下方法逻辑过程。
[0046]
如图3和图4所示，机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制方法，所述方法包括：控制开始前，需校验角度指令值及角度传感器反馈值。若总控台发送的角度指令值处于区间[
‑
90
°
，+90
°
]且角度传感器反馈值处于区间[
‑
95
°
，+95
°
]则开始本次控制，否则结束本次控制并上报总控台；若角度误差处于区间[
‑
185
°
，
‑6°
)以及区间(+6
°
，+185
°
]则采用速度单pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制；所述速度单pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，根据角度误差及角度传感器反馈值设定位置闭环输出阈值，将位置闭环输出阈值换算成速度指令，并与速度传感器反馈的平台的转速作差得到速度误差，将速度误差输入第一pi控制器，第一pi控制器输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态。速度单pi控制系统的结构图如图1所示。速度单pi控制系统中的角度传感器、速度传感器、第一pi控制器、驱动器、电机、传动机构、转轴等均设置在平台上，平台上的具体结构设置采用现有技术且具体结构设置不属于本技术的保护范围。图3、图4及图5中，位置反馈即为角度传感器反馈值，位置输入即为角度指令值输入，位置误差即为角度误差。
[0047]
具体控制过程为：若角度误差处于区间[
‑
185
°
，
‑
30
°
)，角度传感器反馈值处于区间[+1
°
，+95
°
]，则设定位置闭环输出阈值为
‑
3.4，若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为
‑
4.3。
[0048]
若角度误差处于区间[
‑
30
°
，
‑6°
)，角度传感器反馈值处于区间[+60
°
，+95
°
]，则设定位置闭环输出阈值为
‑
3.1；若角度传感器反馈值处于区间[+1
°
，+60
°
)，则设定位置闭环输出阈值为
‑
3.5；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为
‑
4.3。
[0049]
若角度误差处于区间(+6
°
，+30
°
]，角度传感器反馈值处于区间[
‑
95
°
，
‑1°
]，则设定位置闭环输出阈值为3.5；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为4.2。
[0050]
若角度误差处于区间(+30
°
，+185
°
]，角度传感器反馈值处于区间[
‑
95
°
，+5
°
]，则设定位置闭环输出阈值为3.6；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为4.2。
[0051]
若角度误差处于区间区间[
‑6°
，+6
°
]则采用位置速度双pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制，所述位置速度双pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，角度误差输入第二pi控制器，第二pi控制器输出值与速度传感器反馈的平台的转速作差得到速度误差，将速度误差输入第三pi控制器，第三pi控制器
输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态。。位置速度双pi控制系统的结构图如图2所示。第二pi控制器、第三pi控制器也设置在平台上。
[0052]
需要说明的是，若采用本发明所述方法进行180度大范围转动控制，其控制流程图可由图4简化为图5。本发明实施例中各个数据取值只是给出一个最优选的值，实际应用中可以根据机载sar雷达的天线的重量、偏心矩、惯性力矩等取值的不同对各个位置闭环输出阈值、各个角度传感器反馈值以及各个角度误差区间进行小范围的调整。
[0053]
通过以上技术方案，本发明设置大承载偏心一轴平台开始控制的条件，在满足条件的情况下才进行控制，控制过程中采用速度单pi控制方法补偿角度误差和速度误差，使得平台运行过程中实际的角度传感器反馈值与角度指令值更加接近，且调节过程中经过对速度误差进行补偿使得平台更加平稳的进行角度补偿，整个过程保证了大承载偏心一轴平台的稳定性，使得安装有大承载偏心一轴平台的机载sar雷达运行过程的稳定性得到保证。
[0054]
实施例2
[0055]
基于本发明实施例1，本发明实施例2还提供机载sar雷达大承载偏心一轴平台的控制装置，所述装置包括：初始化模块，用于若总控台发送的角度指令值处于区间[d1
°
，d2
°
]且角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c3
°
]则开始本次控制，否则结束本次控制并上报总控台；
[0056]
第一控制模块，用于若角度误差处于区间[(d1
‑
c3)
°
，b2
°
)以及区间(b3
°
，(d2
‑
c4)
°
]则采用速度单pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制；所述速度单pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，根据角度误差及角度传感器反馈值设定位置闭环输出阈值，将位置闭环输出阈值换算成速度指令，并与速度传感器反馈的平台的转速作差得到速度误差，将速度误差输入第一pi控制器，第一pi控制器输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态；
[0057]
其中，c3表示天线逆时针转动的机械限位角度值；c4表示天线顺时针转动的机械限位角度值；b2表示载机直线飞行时，横滚角的最小取值；b3表示载机直线飞行时，横滚角的最大取值。
[0058]
具体的，所述装置还包括第二控制模块，第二控制模块用于若角度误差处于区间区间[b2
°
，b3
°
]则采用位置速度双pi控制方法对大承载偏心一轴平台进行控制，所述位置速度双pi控制方法为：角度指令值与平台转轴上的角度传感器反馈值作差得到角度误差，角度误差输入第二pi控制器，第二pi控制器输出值与速度传感器反馈的平台的转速作差得到速度误差，将速度误差输入第三pi控制器，第三pi控制器输出调制脉宽信号经驱动器放大后实时调节电机的运行状态。
[0059]
具体的，d1取值
‑
90，d2取值+90，c3取值+95，c4取值
‑
95，b2取值
‑
6，b3取值+6。
[0060]
具体的，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间[(d1
‑
c3)
°
，b1
°
)，角度传感器反馈值处于区间[c1
°
，c3
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a1，若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a2，所述位置闭环输出阈值a1的绝对值小于位置闭环输出阈值a2的绝对值，其中，b1为载机转弯时，横滚角的最小取值，c1为天线顺时针转动至停止状态的平衡位置角度值。
[0061]
更具体的，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间[b1
°
，b2
°
)，角度传感器反馈值处于区间[c2
°
，c3
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a3；若角度传感器反馈值处于区间
[c1
°
，c2
°
)，则设定位置闭环输出阈值为a4；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a5，所述位置闭环输出阈值a3的绝对值小于位置闭环输出阈值a4的绝对值；a4的绝对值小于位置闭环输出阈值a5的绝对值，其中，c2为天线从c3转至c1时，偏心力矩曲线斜率变化最大的角度。
[0062]
更具体的，b1取值
‑
30，c1取值+1，c2取值+60，a1取值
‑
3.4，a2取值
‑
4.3，a3取值
‑
3.1，a4取值
‑
3.5，a5取值
‑
4.3。
[0063]
具体的，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间(b3
°
，b4
°
]，角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c5
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a6；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a7，所述位置闭环输出阈值a6的绝对值小于位置闭环输出阈值a7的绝对值，其中，b4为载机转弯时，横滚角的最大取值，c5为天线从从c4转至c6时，偏心力矩曲线斜率变化最大的角度，c6为天线逆时针转动至停止状态的平衡位置角度值。
[0064]
更具体的，第一控制模块，还用于若角度误差处于区间(b4
°
，(d2
‑
c4)
°
]，角度传感器反馈值处于区间[c4
°
，c6
°
]，则设定位置闭环输出阈值为a8；若角度传感器反馈值处于其他区间，则设定位置闭环输出阈值为a9，所述位置闭环输出阈值a8的绝对值小于位置闭环输出阈值a9的绝对值。
[0065]
更具体的，b4取值+30，c5取值
‑
1，c6取值+5，a6取值3.5，a7取值4.2，a8取值3.6，a9取值4.2。
[0066]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。