陀螺/加速度計穩定環對“動中通”系統的擾動校正

方陽麗，唐 猛

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

陀螺/加速度計穩定環對“動中通”系統的擾動校正

方陽麗，唐 猛

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

針對“動中通”系統兩次上位機指令間隔中載體姿態變化的擾動，提出了基于三軸陀螺和加速度計的穩定回路跟蹤控制方法。該方法在傳統伺服系統電流環、速度環和位置環的反饋回路中增加了負載速度前饋補償和穩定回路位置校正環節。利用陀螺和加速度計的測量數據融合、穩定跟蹤修正的原理隔離載體姿態變化，對測量噪聲信號用卡爾曼濾波技術進行估計和誤差補償，有效地提高了系統對姿態擾動的隔離度。仿真驗證結果表明，伺服穩定系統的響應時間小于200 ms，動態跟蹤誤差小于0.1°，隔離度高于97%，具有較高的跟蹤精度，能夠滿足工業應用穩定跟蹤控制。

動中通；姿態擾動；陀螺穩定回路；加速度計；卡爾曼濾波

0 引言

機載“動中通”系統是在飛機姿態不斷變化過程中天線陣面接收衛星通信信號的系統。系統采用自動跟蹤技術，能在載體移動的情況下實時隔離振蕩、進行高精度捕獲目標衛星，從而獲得連續穩定的衛星通信信號。“動中通”系統靈活、機動、保密性強，其通信覆蓋范圍廣、適應性強，在軍、民移動通信行業有著廣泛的應用[1-4]。

自動跟蹤技術是通過慣性導航系統定時(20～100 ms)向上位機發送指令，利用伺服控制單元進行一次姿態校正。隨著慣導技術的不斷發展，導航精度也隨之提高，但是隨著航天技術不斷發展，飛機運動姿態變化的速率越來越快，在上位機接收兩次指令間隔中飛機姿態的變化使得跟蹤誤差增加，影響了通信質量。研究隔離載體姿態變化擾動的伺服系統穩定環控制策略是提高位置跟蹤精度的關鍵技術。

國內外學者對控制系統隔離度穩定回路作了大量研究，它的核心問題是對移動載體姿態變化進行測量和補償控制。文獻[5]把載體的運動作為干擾引入伺服系統，利用陀螺速度值構成穩定環反饋回路；文獻[6]利用載體運動中天線平臺方位和俯仰角度的變化，通過“陀螺閉環穩定+電平跟蹤”控制方式進行穩定補償；文獻[7]利用陀螺儀感知機構方位、俯仰方向速度變化，積分后得位置變化量進行反饋控制。以上方法雖然能在一定程度上提高穩定跟蹤誤差，但存在明顯缺點：穩定跟蹤的目的是提高位置跟蹤精度，文獻[5]中的陀螺穩定環是速度補償，沒有達到更好的位置環補償效果；陀螺儀反應靈敏，在測量中的隨機噪聲信號經過積分，會產生隨時間迅速增大的累積誤差(漂移)，影響了跟蹤精度，不適合長時間進行載體姿態變化的測量。

本文針對上述問題，提出了基于三軸陀螺和加速度計的組合穩定回路跟蹤控制方法，并采用卡爾曼濾波算法對測量噪聲進行估計和誤差補償。能夠解決上述位置控制和跟蹤累積誤差問題，實現長時間衛星精確跟蹤。

1 機載“動中通”控制系統

機載衛星天線對中伺服系統要求在飛機飛行過程中，通過控制天線伺服機構，完成方位、俯仰2個方向的運動，保證天線陣面實時以最大面積對準衛星。根據功耗少、重量輕、體積小的設計原則，伺服轉臺的方位和俯仰運動均采用電機通過減速器和齒輪傳動機構帶動負載運動的方式來實現，結構設計中盡量減小負載轉動慣量和附加力矩。

伺服控制系統大多采用傳統PID算法完成電流環、速度環和位置環的反饋控制調節器的設計。一般地，通過上位機發送控制指令，三環調節器可以實現閉環系統的精度控制要求。但是，由于機載衛星通信系統中載體姿態變化速率非常快，在上位機兩次位置指令發送時間間隔內載體姿態有可能發生較大的變化，產生較大的位置跟蹤誤差。為了對載體姿態變化進行檢測與隔離，實現更加精確的位置跟蹤，在此模型基礎上搭建穩定回路控制模型，控制系統隔離度穩定回路設計中，最常見的是陀螺儀穩定回路。同時為了提高速度響應的速度和精度，反饋回路增加了速度前饋補償環節。整個伺服系統的控制原理框圖如圖1所示。

圖1中的電機調速系統采用電流環和速度環雙閉環調速系統調節器。通過三環調節器和陀螺穩定回路的作用，使系統隔離載體姿態變化對穩定跟蹤的影響，保證伺服系統的動態跟蹤精度高、穩態誤差小。

2 陀螺/加速度計組合穩定回路

2.1 穩定回路原理

針對圖1中的陀螺穩定回路，陀螺儀作為高靈敏度測量元件，測量過程出現了陀螺噪聲信號以及隨機漂移誤差對跟蹤性能造成影響。隨著組合慣性測量系統的發展，對穩定回路跟蹤精度最直接的一種提高方式是利用組合慣導元件的測量數據融合，陀螺和加速度計是常用的姿態測量元件。本文在現有技術的基礎上設計了陀螺/加速度計組合穩定回路，在實際應用中，陀螺儀反應靈敏、動態性能好，但在測量過程中的隨機噪聲信號經過積分產生隨時間迅速增大的累積誤差(漂移)；加速度計測量噪聲小，但動態性能差。單獨使用陀螺儀或加速度計不能得到最優姿態隔離控制的問題。組合穩定回路采用三軸陀螺和加速度計測量數據融合、穩定跟蹤修正的原理可形成優勢互補，采用標定方法補償多個測量元件的數據誤差，用陀螺儀進行加速度計的誤差校正[8-10]；用加速度儀的數據對陀螺進行加權糾正，同時用卡爾曼技術對陀螺噪聲信號進行濾波處理。在系統接收上位機新的位置指令時對陀螺儀的位置積分數據清零。

在伺服機構方位運動支座上安裝了三軸陀螺和加速度計，來感知兩次上位機指令間隔中飛機運動姿態變化引起轉臺空間三維方向上的速度/加速度變化，控制單元將采集到的值經過坐標變換運算得到方位和俯仰方向的導航速度/加速度變化，經過積分后得到轉臺在方位和俯仰上的位置變化，通過程序中的位置補償算法得到機構需要改變的位置量，作為控制指令和其他環路共同控制電機帶動天線陣面進行姿態調整。

根據以上數據檢測與處理技術得到載體姿態變化隔離穩定控制的硬件結構如圖2所示。

圖2 穩定回路控制結構Fig.2 Control structure of stable loop

2.2 卡爾曼濾波

穩定回路中慣性元件測量輸出值中的隨機噪聲信號影響了系統輸出精度，使系統的動態跟蹤誤差隨時間急劇增大。為此，除了采用標定方法補償陀螺和加速度計的數據誤差外，還必須對測量信號進行濾波處理。卡爾曼濾波技術通過遞推算法從觀測量中估計出所需信號，由于使用靈活，適合處理隨機噪聲信號估計問題在工程領域測量技術中得到廣泛的應用[11-12]。

通過對陀螺儀和加速度計模型原理的理解[13-14]，陀螺和加速度計的數學模型可以簡化為二階系統，假設離散化后的系統狀態空間方程系數矩陣為A,B，用卡爾曼濾波算法估計系統的各種誤差狀態值和補償校正，從而提高擾動控制系統的隔離度性能，保證穩定跟蹤回路的精度。系統的卡爾曼濾波器為：

其中，u(k)為現在狀態控制量，P是估計誤差協方差，Q是過程噪聲協方差，X是狀態估算值，I為單位矩陣，K為卡爾曼增益。

實際應用中，選擇了慣性測量單元QH-IMU200A用于姿態測量，它采用高可靠性和穩定性的MEMS陀螺儀和和加速度計。在實驗臺上，將測量單元通過串口與上位機連接，手動晃動該測量單元，檢測到的數據經過Kalman濾波器去除噪聲信號的結果如圖3所示。

圖3 Kalman濾波曲線Fig.3 Curve of Kalman filter

圖3中曲線1是載體姿態變化過程中的測量速度信號，曲線2是濾波之后的速度信號，曲線3是積分之后的位置信號。可以看出曲線2與曲線1相比存在一定時間延遲，實際控制中不采用曲線2的數據，直接采用積分之后的位置信號作為載體姿態變化數據與控制指令進行數據融合。卡爾曼濾波器通過誤差估計、補償可以進一步提高擾動控制系統的隔離度性能，所設計的濾波器不但能夠穩定地工作，而且系統的隔離度性能都有明顯的提高。

3 驗證與結果分析

3.1 仿真驗證

根據設計的伺服控制策略和各單元模型的參數，在Simulink中搭建系統仿真模型，由于方位運動和俯仰運動存在相似性，這里只對方位仿真模型進行分析。

為了驗證穩定回路對姿態擾動隔離的效果，首先在不加穩定回路的情況下對系統隔離度進行測試，此時的隔離度與上位機給定時間的間隔有很大的關系。在給定頻率0.125 Hz，振幅為8°的正弦信號，通信時間間隔分別依次設置為20 ms、50 ms和100 ms，仿真得到的系統跟蹤誤差曲線分別如圖4-圖6所示。

圖4 通信時間20 ms跟蹤誤差Fig.4 Tracking error of 20 ms

圖5 通信時間50 ms跟蹤誤差Fig.5 Trackingerror of 50 ms

圖6 通信時間100 ms跟蹤誤差Fig.6 Trackingerror of 100 ms

由圖分析可知，通信時間間隔為20 ms時，穩定回路的隔離度約為96%；通信時間間隔為50 ms時，穩定回路的隔離度約為94.5%；通信時間間隔為100 ms時，穩定回路的隔離度約為92%，隨著時間間隔的增加，系統的隔離度降低。

采用穩定回路后，不同通信時間間隔下的系統隔離度基本相同，以頻率0.125 Hz，振幅為8°的正弦信號為例，系統的跟蹤誤差約為0.22°，隔離度大于97%，如圖7所示。

圖7 加穩定回路跟蹤誤差Fig.7 Tracking error with stable loop

3.2 實驗驗證

仿真結果表明，穩定回路提高了系統對姿態變化擾動的隔離效果，仿真結果對實際應用有一定參考意義，但是與真實效果還是有些差別。為此根據伺服系統的控制策略和陀螺/加速度計穩定回路的研究，設計了控制系統硬件電路和軟件編程進行穩定跟蹤調試驗證，硬件控制原理框圖如圖8所示。

圖8 硬件電路原理Fig.8 Theory of hardware circuit

圖中主控板的CPU采用32位高可靠高性能軍品級Soc系列芯片，內嵌單/雙精度浮點處理單元(FPU)，適應環境溫度范圍寬，能夠保證惡劣環境的精度要求。穩定回路中控制電路已經將慣性元件測量的模擬信號轉換為數字信號，通過RS232傳輸到主控制單元。為了方便調試過程，基于串口通信設計了上位機調試系統，通過上位機界面能夠實時修改目標指令、調節參數和監測伺服系統速度和位置等運行狀態參數。伺服系統與上位機之間的通信采用RS485和PECL的方式，運動控制單元可提供兩路的運動控制，可實現速度控制、位置控制和穩定跟蹤控制。硬件電路板裝機后和調試平臺如圖9所示。

圖9 硬件電路板與調試平臺Fig.9 Hardware circuit board and debugging platform

根據技術要求對平臺分別作階躍響應、跟蹤響應等指標進行驗證，在上位機界面選擇不同的控制模式，其結果如圖10和圖11所示，圖中縱坐標為角度值，單位(°)；橫坐標為時間軸，時間值為顯示值×20 ms。

以方位運動為例，圖10是伺服系統3°階躍響應曲線，顯示響應無超調，上升時間為(112-102)×20 ms=200 ms。滿足控制時間≤200 ms，靜態誤差≤0.1°的要求。圖11是給定幅值為5°，頻率為0.2 Hz的正弦曲線輸入指令，在上位機界面上其反饋的負載位置動態響應曲線和輸入指令基本重合，無法看出位置誤差，因此這里只給出了位置跟蹤誤差曲線，可以看出最大位置誤差為0.09°，滿足指標要求。

圖10 階躍響應曲線Fig.10 Curve of step response

圖11 位置誤差曲線Fig.11 Curve of position error

將平臺放在可以移動的載體上，先通過角度預置模式調整方位和俯仰角度，使天線陣面對準某個方位，然后進入跟蹤模式，并隨意移動載體，控制系統能夠通過陀螺穩定回路的位置補償原理實時調整方位(如圖12所示)和俯仰角度，載體姿態變化的隔離度大于97%，保證天線陣面實時正對目標位置，實現穩定跟蹤性能。

圖12 方位穩定跟蹤曲線Fig.12 Curve of stabilizing tracking of azimuth axis

4 結論

本文提出了基于陀螺和加速度計的組合穩定回路控制方法。該方法利用陀螺和加速度計的測量數據融合、穩定跟蹤修正原理可形成優勢互補，可以提高機載“動中通”系統的隔離度；卡爾曼數據處理技術改善了系統的動態性能和跟蹤精度。仿真驗證和實物驗證結果表明：該伺服穩定系統的系統的響應時間小于200 ms，動態跟蹤誤差小于0.1°，隔離度達到97%，具有較高的跟蹤精度，能夠滿足工業應用穩定跟蹤控制。

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Disturbance Correction for “Communications in Moving” System Based on Gyro/Accelerometer Stable Loop

FANG Yangli，TANG Meng

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In view of the disturbance caused by carrier attitude changing during PC instructions for ‘communications in moving’ system, a stability loop algorithm based on gyroscope and accelerometer was proposed. Based on traditional servo system of current, velocity and position feedback loop, a speed feed forward compensation and stabilization loop.were designed. The control system integrated the measurement data of gyroscope and accelerometer and used the principle of stabilizing tracking correction to isolate carrier attitude’ change. To eliminate the random noise signal, a Kalman filter was proposed, which could effectively improve the disturbance isolation ratio. The debugging results showed that the response time was less than 200 ms,the dynamic tracking error was less than 0.1°, and the isolation ratio was more than 97%, which meant the system had higher tracking precision and satisfy the stable tracking control in industrial application.

communications in moving; attitude disturbance; gyro stable loop; accelerometer; Kalman filter

2016-05-13

中央高校基本科研業務費專項資金創新項目資助(SWJTU11CX024)

方陽麗(1989—)，女，湖北襄陽人， 碩士研究生，研究方向：機電一體化系統。E-mail: fangyangli@163.com。

U666

A

1008-1194(2016)06-0104-05