[发明专利]一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法

摘要

一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，使用具有俯仰轴与方位轴的基于步进电机的二自由度船载安防云台作为稳像平台，将获得的这两种不同的俯仰轴上的数据αx与ωy进行对运算量以及内存优化的卡尔曼数据融合滤波，进而获得云台的精确俯仰角θpitch以及俯仰角速度ωpitch，云台的翻滚角θroll。采用求得的θpitch输入改进的PD控制器中，得到控制云台的俯仰轴电机的输出角速度速度，解算稳像系统在非平衡状态下，船体出现翻滚运动对稳像平台航向角的影响。通过控制方位角补偿该影响，最后将计算得到的输出角速度ωout通过串行总线RS232传输到底层步进电机驱动器中执行。本发明能对船载摄像系统的运动扰动被补偿消除与抑制，从而达到抑制船载摄像时图像晃动的目的。

主权项

一种基于陀螺仪的船载稳像控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：1)使用具有俯仰轴与方位轴的基于步进电机的二自由度船载安防云台作为稳像平台；2)利用加速度计和陀螺仪两种传感器分别获得云台的三轴加速度αx，αy，αz及其三轴角速度ωx、ωy、ωz；3)将获得的这两种不同的俯仰轴上的数据αx与ωy进行对运算量以及内存优化的卡尔曼数据融合滤波，进而获得云台的精确俯仰角θpitch以及俯仰角速度ωpitch，同样的方式求得云台的翻滚角θroll；4)利用得到的俯仰角θpitch输入改进的PD控制器中，输出控制云台的俯仰轴电机的期望角速度值；所述改进的PD控制器中，PD算法根据稳像云台的系统特点进行如下的改进步骤：error(k)＝θpitch‑θtarget  (6)将式(6)得到的采样序号为k时刻的偏差数据error(k)代入式(7)离散PD控制器中得到控制量输出值u(k)u(k)=kp(error(k))+kderror(k)-error(k-1)T---(7)]]>式中，error(k‑1)是采样序号为k‑1时刻的偏差数据；控制器限幅输出：当PD控制器输出大于Max_U(k)时，系统输出Max_U(k)，同理当PD控制器输出大于Min_U(k)时，系统输出Min_U(k)；根据不同的error(k)对kp参数作出改变，对kp与error(k)建立基于指数函数的变化关系，实时改变系统的增益如下式(9)所示：kp=αeβ*error(k)error(k)>0kp=αerror(k)=0kp=α(e-1)β*error(k)error(k)<0---(9)]]>使用不完全微分的PD算法，在微分量ud(k)项中引入一阶低通滤波器，如式(10)所示：ud(k)＝kd(1‑β)(error(k)‑error(k‑1)+βud(k‑1))  (10)同时结合了目标角改变微分消除算法对θtarget改变时带来的微分量不代入计算，如式(11)所示：ud(k)＝ud(k)‑kd*[θtarget(k)‑θtarget(k‑1)]  (11)5)解算稳像系统在非平衡状态下，船体出现翻滚运动对稳像平台航向角的影响，通过控制方位角补偿该影响；如式(14)所示：式中，是k时刻云台方位角，为k‑1时刻云台方位角，θpitch(k)为k时刻的俯仰角，θroll(k)为k时刻的翻滚角，sin()为正弦运算，asin()为反正弦运算；6)最后将计算结果传输到底层步进电机驱动器。