[发明专利]高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及控制方法，属于高分辨率航空对地观测系统领域，可用于承载比大、稳定精度要求高的三轴惯性稳定平台的独立、自主控制，特别适合于轻高分辨率航空遥感惯性稳定平台。

背景技术

惯性稳定平台是实现高分辨率对地观测的必要设备，它可以有效隔离飞行平台的扰动及非理想姿态运动，使观测载荷视轴指向和航向始终保持惯性空间稳定。目前，国外代表性产品为瑞士Leica公司的PAV30和PAV80，而国内相关研究刚刚起步，无成熟产品。

现有的航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统仅仅处于实验阶段，专利“一种轻量化快响应航空遥感惯性稳定平台控制系统”(201110155357.3)，填补了这方面的空白，但是存在以下三方面不足之处。第一，控制方案采用双环路从属控制，无电流环控制，不能克服电源电压、负载波动对系统造成的影响以及电流过大的问题，同时电机控制转矩脉动较大而且无法进行抑制；第二，系统控制精度较低，无法满足实际航测的需要，同时带载能力差，无法应用于大负载场合；第三，控制单元采用DSP+FPGA方案，而FPGA仅仅用于编码器信号采集和PWM信号生成，不但增加了成本、功耗，同时FPGA需要占用DSP宝贵的总线资源，不利于控制算法执行的实时性与快速性，而且对FPGA来说也是资源的浪费；第四，现有的工作模式仍然不够完善，在实际应用中还有很多不便性，首先它没有手动模式，不能解决任意手控的问题，其次组合模式下航向姿态设定值仍然需要上位机频繁发送指令，既繁琐又不利于实际操作。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及控制方法，达到具有高精度、大负载能力并提高了实际操作的便捷性。

本发明的技术解决方案为：一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统：

惯性器件及编码器包括：速率陀螺、编码器、加速度计及POS；速率陀螺与陀螺信号采集电路相连，输出电压信号，用于测量框架相对于惯性空间的角速率；编码器与编码器信号采集电路相连，输出差分形式的二进制代码，用于测量框架之间的相对转角；加速度计与加计信号采集电路相连，输出电流信号，用于测量框架相对于地理水平系的转角；POS与POS信号采集电路相连，输出串行二进制代码，用于测量框架相对于惯性空间的姿态角；

信号采集单元：包括陀螺信号采集电路、编码器信号采集电路、加计信号采集电路以及POS信号采集电路；其中，陀螺信号采集电路用于采集速率陀螺输出的电压信号，首先将电压信号进行放大，再经过V/I转换，输出到接口电路的I/V转换电路III；编码器信号采集电路用于采集编码器输出的二进制差分信号，首先将差分信号转化为单路信号，再经过高速光耦隔离，输出到接口电路的数据选择电路；加计信号采集电路用于采集加速度计输出的电流信号，首先将电流信号进行放大，再经过RC滤波，输出到接口电路的I/V转换电路I；POS信号采集电路将POS输出的串行二进制数据经过高速光耦隔离、TVS浪涌防护输出到接口电路的RS232电平转换电路；

接口电路：包括I/V转换电路I、I/V转换电路II、I/V转换电路III、数据选择电路、模数转换电路、RS232电平转换电路以及电平转换芯片I。其中，I/V转换电路I输入为加计信号采集电路，将加计电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到模数转换电路；I/V转换电路II输入为V/I转换电路，将线圈电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元的内部ADC寄存器，供DSP读取；I/V转换电路III输入为陀螺信号采集电路，将陀螺电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元的内部ADC寄存器，供DSP读取；数据选择电路输入为编码器信号采集电路，进行编码器通道的选择以及时钟、数据信号的传输，输出到电平转换芯片I；模数转换电路输入为I/V转换电路I，将电压信号转化为数字量，输出到电平转换芯片I；RS232电平转换电路输入为POS信号采集电路，将232电平信号转化为TTL电平信号，输出到DSP控制单元的内部UART寄存器，供DSP读取；电平转换芯片I输入为数据选择电路、模数转换电路，将5V电压转换为3.3V电压，输出到DSP控制单元的内部寄存器；

DSP控制单元：通过内部寄存器读取各传感器数据；执行控制算法；生成PWM信号控制电机动作；所述DSP控制单元包括DSP和控制算法；所述控制算法实现自主模式、手动模式与组合模式三种工作模式，所述三个模式由三相开关进行手动选择；