海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统及方法

摘要

本发明公开了一种海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统，包括上位机、数字信号处理器、第一功率放大器、第二功率放大器、俯仰轴力矩电机、横滚轴力矩电机和重力测量平台，重力测量平台包括外层框架、内层框架、平台面板、惯性测量单元，上位机连接数字信号处理器，数字信号处理器的俯仰电机控制信号输出端连接俯仰轴力矩电机的控制信号输入端，数字信号处理器的横滚电机控制信号输出端连接横滚轴力矩电机的控制信号输入端，惯性测量单元的信号输出端连接上位机和数字信号处理器的惯性信号输入端。本发明操作简单，可靠性高，平台控制过程的平稳性好。

说明书

技术领域

本发明涉及高精度重力测量技术领域，具体涉及一种海洋航空 重力测量平台自适应控制与容错保护系统及方法。

技术背景

海洋/航空重力测量稳定平台是高精度重力仪系统中必不可少的 组成部分，它主要提供高度稳定的水平基准和姿态信息，以保证重 力传感器在工作中始终保持稳定的垂直指向，消除运动载体姿态变 化带来的测量误差，隔离振动等干扰因素对重力测量的影响，是重 力仪中保证重力测量精度的关键组成部分。而稳定平台控制系统又 是保证平台稳定精度的关键。

在稳定平台的角速度传感器方面，光纤陀螺技术在近几十年取 得了长足进步，精度不断提高，目前高精度光纤陀螺的精度可以达 到惯性级，最高精度可以达到精密级，并且其精度仍有提升的潜力 和空间。相比传统陀螺仪，光纤陀螺具有体积小、成本低、全姿态 测角以及抗冲击等优势，因此特别适合用于捷联惯导系统，也特别 适合作为陀螺稳定平台的测角元件。

传统稳定平台单纯追求快速性和高精度。而对于大负载重力稳 定平台，其搭载的重力传感器和自身姿态/速率传感器光纤IMU (Inertial measurement unit，惯性测量单元)都是非常精密的仪器。 当系统在大偏角下启动或系统由于异常产生大偏角的情况下，由于 传统控制系统的调节时间很短，平台台面会经历一个剧烈调整的过 程，这个过程必然会对系统产生极大的冲击，这种冲击会影响重力 传感器、光纤IMU等精密器件的使用寿命，也会影响力矩电机等部 件的使用寿命。因此在保证平台最终稳定精度的同时，控制的平稳 性也至关重要。这是传统平台难以解决的问题。

传统平台的重力传感器具有质量大、精密程度高以及成本较高 等特点，平台的故障甚至倾覆会造成严重后果，这对重力测量平台 的容错保护提出了很高的要求。需要一种多余度、全面、有效的容 错保护方法，对系统的异常进行检测和处理，保障仪器工作的可靠 性和安全性。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种海洋航空重力测 量平台自适应控制与容错保护系统及方法，该系统和方法以光纤陀 螺为核心的惯性测量单元作为海洋航空重力测量平台的姿态基准， 为控制系统提供平台姿态角和角速率信号。为了简化控制系统操作， 提升控制过程智能化程度，本发明采用了一键启动的控制方式，使 系统操作简单。为了克服单一控制模型的平台控制过程中系统冲击 较大的问题，本发明提出一种角度自适应控制方法，根据平台的倾 角调整控制器的参数，从而保证平台控制过程的平稳性。由于重力 测量平台对容错保护的要求很高，本发明设计了角度/角速度异常保 护、软件故障保护以及硬件保护三级异常处理机制，保障仪器工作 的可靠性和安全性。

为实现此目的，本发明所设计的海洋航空重力测量平台自适应 控制与容错保护系统，它包括上位机、数字信号处理器、第一功率 放大器、第二功率放大器、俯仰轴力矩电机、横滚轴力矩电机和重 力测量平台，其中，所述重力测量平台包括外层框架、在横滚轴力 矩电机的驱动下能在外层框架内转动的内层框架、在俯仰轴力矩电 机的驱动下能在内层框架内转动的平台面板、固定在平台面板上的 惯性测量单元，固定在平台面板上的重力传感器，所述上位机的通 信端连接数字信号处理器的通信端，数字信号处理器的俯仰电机控 制信号输出端通过第一功率放大器连接俯仰轴力矩电机的控制信号 输入端，数字信号处理器的横滚电机控制信号输出端通过第二功率 放大器连接横滚轴力矩电机的控制信号输入端，所述惯性测量单元 的信号输出端分别连接上位机和数字信号处理器的惯性信号输入 端。

一种利用上述系统进行海洋航空重力测量平台自适应控制与容 错保护的方法，它包括如下步骤：

步骤1：将海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统设 置在船舶或飞行器上，船舶或飞行器在准静态状态下，将上述海洋 航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统开机，惯性测量单元 对重力测量平台进行初始对准，数字信号处理器开始初始化处理；

步骤2：数字信号处理器初始化完毕后，数字信号处理器进入延 时程序，数字信号处理器的俯仰电机控制信号输出端和横滚电机控 制信号输出端输出置0，等待惯性测量单元对准完毕；

步骤3：惯性测量单元初始对准完毕后，数字信号处理器接收惯 性测量单元输出的重力测量平台姿态角、角速率和协调世界时信息， 并进行解析；

步骤4：数字信号处理器根据惯性测量单元提供的重力测量平台 导航信息中的姿态角和角速率数据，判断重力测量平台是否满足开 机条件，如果重力测量平台导航信息中的姿态角＞25°或角速度＞6 °/s，则重力测量平台不满足开机条件，如果重力测量平台导航信息 中的姿态角≤25°且角速度≤6°/s，则重力测量平台满足开机条件；

步骤5：若重力测量平台满足开机条件，数字信号处理器根据惯 性测量单元提供重力测量平台导航信息中的姿态角、角速率数据， 匹配相应的比例、积分、微分控制参数，执行比例、积分、微分控 制算法生成并输出对应的控制量，俯仰轴力矩电机和横滚轴力矩电 机在上述控制量的伺服控制下驱动重力测量平台转动，比例、积分、 微分控制参数的具体匹配方式为：

当平台俯仰角θ＞20°或平台横滚角γ＞20°时，数字信号处理器使 用预设的第一套比例、积分、微分控制参数；

当平台俯仰角1°＜θ≤20°且平台横滚角1°＜γ≤20°时，数字信号处理 器使用预设的第二套比例、积分、微分控制参数；

当平台俯仰角θ≤1°且平台横滚角γ≤1°，同时俯仰角速度ωx＜4°/s 且横滚角速率ωy＜4°/s时，数字信号处理器使用预设的第三套比例、 积分、微分控制参数；

重力测量平台的比例、积分、微分参数将根据重力测量平台状 态实现自动切换，当重力测量平台参数逐渐切换至预设的第三套比 例、积分、微分参数，则重力测量平台启动过程结束；

若重力测量平台不满足开机条件，则等待，直到满足上述开机 条件；

步骤6：重力测量平台启动后在上述预设的第三套比例、积分、 微分控制参数控制下运行，追踪当地地理水平面，为重力测量平台 上的重力传感器提供水平基准；船舶或飞行器可以启动进行动态重 力测量。

本发明的有益效果：

(1)本发明将以光纤陀螺为核心的惯性测量单元(inertial  measurement unit,IMU)作为平台的姿态基准，为控制系统提供平台 姿态角和角速率信号。光纤陀螺具有体积小、成本低、全姿态测角 以及抗冲击等优势，因此特别适合用于捷联惯导系统，也特别适合 作为陀螺稳定平台的测角元件。

(2)本发明控制系统操作简单，控制过程智能化程度高。

(3)由于搭载设备和平台本身量测部件精密程度高，为了保证 仪器寿命，本发明提出一种角度自适应启动控制方法，根据平台的 倾角和角速度调整控制器的参数，从而保证平台启动过程的平稳性。

(4)本发明设计了角度/角速度异常保护、软件故障保护以及硬 件保护三级异常处理机制，从软件、硬件两个层面充分考虑可能出 现的故障点，并设计了与之相适应的异常处理措施，保障仪器工作 的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本发明中系统部分的结构框图。

图2为本发明中重力测量平台的结构示意图。

图3为本发明控制模型原理图。

其中，1—上位机、2—数字信号处理器、3—第一功率放大器、 4—第二功率放大器、5—俯仰轴力矩电机、6—横滚轴力矩电机、7 —重力测量平台、7.1—外层框架、7.2—内层框架、7.3—平台面板、 7.4—置档开关、8—第一光电编码器、9—第二光电编码器、10—惯 性测量单元、11—重力测量平台保护模块、12—RS232接口电路、 13—重力传感器、14—RS422接口电路。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1和图2所述的海洋航空重力测量平台自适应控制与容错 保护系统，它包括上位机1、数字信号处理器2(DSP，digital signal  processing)、第一功率放大器3、第二功率放大器4、俯仰轴力矩电 机5、横滚轴力矩电机6和重力测量平台7，其中，所述重力测量平 台7包括外层框架7.1、在横滚轴力矩电机6的驱动下能在外层框架 7.1内转动的内层框架7.2、在俯仰轴力矩电机5的驱动下能在内层 框架7.2内转动的平台面板7.3、固定在平台面板7.3上的惯性测量 单元10(inertial measurement unit，IMU)，固定在平台面板7.3上的 重力传感器13，所述上位机1的通信端连接数字信号处理器2的通 信端，数字信号处理器2的俯仰电机控制信号输出端通过第一功率 放大器3连接俯仰轴力矩电机5的控制信号输入端，数字信号处理 器2的横滚电机控制信号输出端通过第二功率放大器4连接横滚轴 力矩电机6的控制信号输入端，所述惯性测量单元10的信号输出端 分别连接上位机1和数字信号处理器2的惯性信号输入端。

上述技术方案中，它还包括重力测量平台保护模块11、所述重 力测量平台保护模块11的第一信号输入端连接数字信号处理器2的 保护信号输出端，重力测量平台保护模块11的第二信号输入端连接 重力测量平台7的置档开关7.4，所述重力测量平台保护模块11的 信号输出端分别连接第一功率放大器3和第二功率放大器4的控制 端。

上述技术方案中，所述俯仰轴力矩电机5的输出轴上设有第一 光电编码器8，所述横滚轴力矩电机6的输出轴上设有第二光电编码 器9，所述第一光电编码器8和第二光电编码器9的信号输出端分别 连接数字信号处理器2对应的惯性信号输入端。上述第一光电编码 器8和第二光电编码器9为备用信号采集装置，当惯性测量单元10 出现故障时，还可以通过第一光电编码器8和第二光电编码器9采 集重力测量平台保护模块11相关的信息，提高了设备的可靠性。

上述技术方案中，它还包括RS232接口电路12和RS422接口电 路14，所述惯性测量单元10的第一信号输出端通过RS232接口电 路12连接上位机1的惯性信号输入端，所述惯性测量单元10的第 二信号输出端通过RS422接口电路14连接数字信号处理器2的惯性 信号输入端。

上述技术方案中，所述俯仰轴力矩电机5和横滚轴力矩电机6 为直流无刷力矩电机。

上述技术方案中，数字信号处理器2采用TI公司浮点型芯片 TMS320F28335，它具备32位浮点处理单元、150MHZ的高速数据 处理能力、三个RS232串行接口等特性。数字信号处理器2主要实 现IMU数据的高速采集、解码，光电编码器数据采集，伺服控制程 序实现，输出相应的控制电压以及与上位机进行通信。

一种利用上述系统进行海洋航空重力测量平台自适应控制与容 错保护的方法，它包括如下步骤：

步骤1：将海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统设 置在船舶或飞行器上，船舶或飞行器在准静态(船舶系泊或锚泊状 态，飞行器停止状态)状态下，将上述海洋航空重力测量平台自适 应控制与容错保护系统开机，惯性测量单元10对重力测量平台7进 行初始对准，数字信号处理器2开始初始化处理；

步骤2：数字信号处理器2初始化完毕后，数字信号处理器2进 入延时程序(延时6分钟)，数字信号处理器2的俯仰电机控制信号 输出端和横滚电机控制信号输出端输出置0，等待惯性测量单元10 对准完毕(控制系统采用一键启动控制方式，系统通电以后，控制 过程自动进行，控制系统启动之后，IMU进入初始对准阶段，DSP 控制模块初始化完毕之后进入延时等待程序，DA输出置0)；

步骤3：惯性测量单元10初始对准完毕后，数字信号处理器2 接收惯性测量单元10输出的重力测量平台姿态角、角速率和协调世 界时信息，并进行解析；

步骤4：数字信号处理器2根据惯性测量单元10提供的重力测 量平台导航信息中的姿态角和角速率数据，判断重力测量平台7是 否满足开机条件，如果重力测量平台导航信息中的姿态角＞25°或 角速度＞6°/s(该姿态角或角速度的值过大是由船体或飞行器运动 引起的)，则重力测量平台7不满足开机条件，如果重力测量平台导 航信息中的姿态角≤25°且角速度≤6°/s，则重力测量平台7满足 开机条件；

步骤5：若重力测量平台7满足开机条件，数字信号处理器2根 据惯性测量单元10提供重力测量平台导航信息中的姿态角、角速率 数据，匹配相应的比例、积分、微分(PID，比例proportion、积分 integration、微分differentiation)控制参数，执行比例、积分、微分 控制算法生成并输出对应的控制量，俯仰轴力矩电机5和横滚轴力 矩电机6在上述控制量的伺服控制下驱动重力测量平台7转动，比 例、积分、微分控制参数的具体匹配方式为：

当平台俯仰角θ＞20°或平台横滚角γ＞20°时，数字信号处理器2 使用预设的第一套比例、积分、微分控制参数；

当平台俯仰角1°＜θ≤20°且平台横滚角1°＜γ≤20°时，数字信号处理 器2使用预设的第二套比例、积分、微分控制参数；

当平台俯仰角θ≤1°且平台横滚角γ≤1°，同时俯仰角速度ωx＜4°/s 且横滚角速率ωy＜4°/s时，数字信号处理器2使用预设的第三套比例、 积分、微分控制参数；

重力测量平台7的比例、积分、微分参数将根据重力测量平台7 状态实现自动切换，当重力测量平台7参数逐渐切换至预设的第三 套比例、积分、微分参数，则重力测量平台启动过程结束；

若重力测量平台7不满足开机条件，则等待(即等待船体或飞 行器平稳)，直到满足上述开机条件；

步骤6：重力测量平台7启动后在上述预设的第三套比例、积分、 微分控制参数控制下运行，追踪当地地理水平面，为重力测量平台 上的重力传感器提供水平基准；船舶或飞行器可以启动进行动态重 力测量；

步骤7：所述数字信号处理器2对俯仰轴力矩电机5和横滚轴力 矩电机6进行伺服控制的过程中，当重力测量平台导航信息中的平 台偏角大于0.1°或角速度大于15°/s，则认为重力测量平台7工作 异常，数字信号处理器2输出控制电压置0，俯仰轴力矩电机5和横 滚轴力矩电机6停机(此时为软件保护，不向重力测量平台保护模 块11输出信号)；

若数字信号处理器2内的看门狗程序检测到数字信号处理器2 内的运行程序出错，则数字信号处理器2向重力测量平台保护模块 11输出一个脉冲信号，重力测量平台保护模块11通过第一功率放大 器3和第二功率放大器4使俯仰轴力矩电机5和横滚轴力矩电机6 停机；

若重力测量平台导航信息中的平台偏角超过25°，此时平台台 面的置档开关7.4触碰到平台的限位杆，则置档开关7.4向重力测量 平台保护模块11输出一个电平信号，重力测量平台保护模块11通 过第一功率放大器3和第二功率放大器4使俯仰轴力矩电机5和横 滚轴力矩电机6停机。

上述技术方案中，所述预设的第一套比例、积分、微分控制参 数包括内层框架7.2位置控制的三个PID参数[kp1ki1kd1]＝[-0.5 0  0]；内层框架7.2速度控制的三个PID参数[kp2ki2kd2]＝[0.25 0 0]； 平台面板7.3位置控制的三个PID参数[kp3ki3kd3]＝[-0.25 0 0]；平 台面板7.3速度控制的三个PID参数[kp4ki4kd4]＝[0.5 0 0]。

所述预设的第二套比例、积分、微分控制参数包括内层框架7.2 位置控制的三个PID参数[kp1ki1kd1]＝[-1 0 0]；内层框架7.2速度 控制的三个PID参数[kp2ki2kd2]＝[0.5 0 0]；平台面板7.3位置控制 的三个PID参数[kp3ki3kd3]＝[-0.5 0 0]；平台面板7.3速度控制的三 个PID参数[kp4ki4kd4]＝[1 0 0]。

所述预设的第三套比例、积分、微分控制参数包括内层框架7.2 位置控制的三个PID参数[kp1ki1kd1]＝[-55 0 0]；内层框架7.2速度 控制的三个PID参数[kp2ki2kd2]＝[1 0 0.4]；平台面板7.3位置控制 的三个PID参数[kp3ki3kd3]＝[-75 0 0]；平台面板7.3速度控制的三 个PID参数[kp4ki4kd4]＝[2.5 0 1]。根据重力测量平台7的偏角和角 速率大小匹配相应的PID控制器参数以实现对平台平缓启动的自适 应控制。

上述技术方案的步骤5中，数字信号处理器2将控制量以控制 电压的形式输出，控制电压经过第一功率放大器3和第二功率放大 器4转换成PWM信号，并通过俯仰轴力矩电机5和横滚轴力矩电机 6驱动重力测量平台7保持水平。

上述技术方案中，数字信号处理器2内，将重力测量平台7启 动阶段和正常工作状态设置了标志位。当重力测量平台7处于启动 阶段，则根据重力测量平台7的偏角和角速率大小匹配相应的PID 控制器参数以实现对平台平缓启动的自适应控制。当平台处于正常 工作状态，则重力测量平台7时刻追踪当地地理水平面，以保证重 力传感器的稳定垂直指向。由于重力测量平台7的负载和控制力矩 较大，若重力测量平台7工作出现异常，则有可能威胁搭载设备和 平台本生的安全。因此，本发明设计了角度/角速度异常保护、软件 故障保护和硬件保护三级异常处理措施。当重力测量平台7角度或 角速度超过某一阀值，则认定平台工作异常，控制电压强制置0；软 件中设置看门狗程序，若一定时间内没有触发，则认定软件故障， 给功率放大模块输入停车保护信号，断开数字信号处理器2对重力 测量平台7的控制；若上述两项保护措施失效，当重力测量平台7 偏角超过25°，则认为重力测量平台7倾覆，给功率放大模块输入 停车保护信号，功率放大模块输出置0，强制停车。

上述技术方案中，控制系统采用双环PID控制模型，如图3所 示。外环为位置环，内环为速度环。IMU当前姿态角与平台理想姿 态角之差作为位置控制器的输入信号。光纤陀螺感测到的角速率信 息与位置控制器的输出之差作为速率环控制器的输入信号。控制电 压在软件程序中进行限幅，再经过功率放大模块之后，驱动力矩电 机，使平台保持水平。从而使得重力传感器有稳定的垂直指向，能 够准确感测重力场信息。

上述技术方案中，数字信号处理器2对重力测量平台7的控制 可以分为启动阶段和运行阶段。平台控制系统采用一键启动工作方 式，即整个仪器只设置一个电源开关，仪器启动后，所有控制过程 自动完成，无需操作人员按一定时序启动各个分系统或进行指令输 入等复杂操作。控制系统启动后，IMU、DSP和功率放大模块同时 开始工作。由于IMU正常工作之前，需要5分钟初始对准过程，期 间IMU不能提供准确的姿态信息。因此DSP采用延时的方式，等待 IMU对准结束，期间DSP的DA输出置0。IMU对准结束后，DSP 再等待1分钟，之后进入主控制循环。首先根据平台的角度和角速 度，自适应选取与之匹配的PID参数；为了保证平台启动过程平滑 性，发明中针对不同的角度和角速度为双环控制系统整定了上述3 套PID参数。

上述技术方案中，DSP上电之后，先进行初始化，随后进入延 时程序，等待IMU初始对准完毕。延时结束后，以1000Hz的频率 接收IMU输出的UTC(Universal Time Coordinated，协调世界时)、 姿态角、角速率等信息并进行解码，若出现连续接收失败的情况， 则重置串口。解码完成后，通过标志位判断系统处于启动阶段或运 行阶段，前文中以详细论述了启动阶段的实现过程。若系统处于运 行阶段，则根据平台的角度和角速度是否异常来判定系统工作是否 正常。由于平台始终跟踪地理水平面，并且标称角速度不大于15°/s。 因此可以认为，当平台偏角大于0.1°或角速度大于15°/s，则平台工作 异常。这里在软件中，对平台进行第一级保护，当角度或角速度超 过阀值，则系统停车，即角度/角速度异常保护。DA输出阶段结束 后，DSP模块以10Hz的频率采集光电编码器的角度信号。同时，通 过RS422接口，以10Hz的频率向上位机发送UTC、角度、角速率 以及光电编码器采集的角度等信号，用于上位机1的监控。

除了角度/角速度异常保护外，系统中还设计了软件故障保护和 硬件保护。这两级保护主要通过一个逻辑控制模块实现。DSP软件 中设计了看门狗程序，若长期没有触发该程序，则认定软件故障(跑 飞或死循环)，DSP向外输出一个脉冲信号。通过重力测量平台保护 模块11输出停车信号，实现了软件故障保护。若上述两级保护失效， 或出现其他异常情况(比如载体姿态角大于仪器标称工作姿态角) 导致平台偏角过大，则平台框架上的限位杆触碰到平台台面上的置 挡开关。触碰台体外框架上的置挡信号，信号输入到重力测量平台 保护模块11，重力测量平台保护模块11输出停车信号，实现了硬件 保护。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的 现有技术。