陀螺/加速度计稳定环对“动中通”系统的扰动校正

方阳丽，唐 猛

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

陀螺/加速度计稳定环对“动中通”系统的扰动校正

方阳丽，唐 猛

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

针对“动中通”系统两次上位机指令间隔中载体姿态变化的扰动，提出了基于三轴陀螺和加速度计的稳定回路跟踪控制方法。该方法在传统伺服系统电流环、速度环和位置环的反馈回路中增加了负载速度前馈补偿和稳定回路位置校正环节。利用陀螺和加速度计的测量数据融合、稳定跟踪修正的原理隔离载体姿态变化，对测量噪声信号用卡尔曼滤波技术进行估计和误差补偿，有效地提高了系统对姿态扰动的隔离度。仿真验证结果表明，伺服稳定系统的响应时间小于200 ms，动态跟踪误差小于0.1°，隔离度高于97%，具有较高的跟踪精度，能够满足工业应用稳定跟踪控制。

动中通；姿态扰动；陀螺稳定回路；加速度计；卡尔曼滤波

0 引言

机载“动中通”系统是在飞机姿态不断变化过程中天线阵面接收卫星通信信号的系统。系统采用自动跟踪技术，能在载体移动的情况下实时隔离振荡、进行高精度捕获目标卫星，从而获得连续稳定的卫星通信信号。“动中通”系统灵活、机动、保密性强，其通信覆盖范围广、适应性强，在军、民移动通信行业有着广泛的应用[1-4]。

自动跟踪技术是通过惯性导航系统定时(20～100 ms)向上位机发送指令，利用伺服控制单元进行一次姿态校正。随着惯导技术的不断发展，导航精度也随之提高，但是随着航天技术不断发展，飞机运动姿态变化的速率越来越快，在上位机接收两次指令间隔中飞机姿态的变化使得跟踪误差增加，影响了通信质量。研究隔离载体姿态变化扰动的伺服系统稳定环控制策略是提高位置跟踪精度的关键技术。

国内外学者对控制系统隔离度稳定回路作了大量研究，它的核心问题是对移动载体姿态变化进行测量和补偿控制。文献[5]把载体的运动作为干扰引入伺服系统，利用陀螺速度值构成稳定环反馈回路；文献[6]利用载体运动中天线平台方位和俯仰角度的变化，通过“陀螺闭环稳定+电平跟踪”控制方式进行稳定补偿；文献[7]利用陀螺仪感知机构方位、俯仰方向速度变化，积分后得位置变化量进行反馈控制。以上方法虽然能在一定程度上提高稳定跟踪误差，但存在明显缺点：稳定跟踪的目的是提高位置跟踪精度，文献[5]中的陀螺稳定环是速度补偿，没有达到更好的位置环补偿效果；陀螺仪反应灵敏，在测量中的随机噪声信号经过积分，会产生随时间迅速增大的累积误差(漂移)，影响了跟踪精度，不适合长时间进行载体姿态变化的测量。

本文针对上述问题，提出了基于三轴陀螺和加速度计的组合稳定回路跟踪控制方法，并采用卡尔曼滤波算法对测量噪声进行估计和误差补偿。能够解决上述位置控制和跟踪累积误差问题，实现长时间卫星精确跟踪。

1 机载“动中通”控制系统

机载卫星天线对中伺服系统要求在飞机飞行过程中，通过控制天线伺服机构，完成方位、俯仰2个方向的运动，保证天线阵面实时以最大面积对准卫星。根据功耗少、重量轻、体积小的设计原则，伺服转台的方位和俯仰运动均采用电机通过减速器和齿轮传动机构带动负载运动的方式来实现，结构设计中尽量减小负载转动惯量和附加力矩。

伺服控制系统大多采用传统PID算法完成电流环、速度环和位置环的反馈控制调节器的设计。一般地，通过上位机发送控制指令，三环调节器可以实现闭环系统的精度控制要求。但是，由于机载卫星通信系统中载体姿态变化速率非常快，在上位机两次位置指令发送时间间隔内载体姿态有可能发生较大的变化，产生较大的位置跟踪误差。为了对载体姿态变化进行检测与隔离，实现更加精确的位置跟踪，在此模型基础上搭建稳定回路控制模型，控制系统隔离度稳定回路设计中，最常见的是陀螺仪稳定回路。同时为了提高速度响应的速度和精度，反馈回路增加了速度前馈补偿环节。整个伺服系统的控制原理框图如图1所示。

图1中的电机调速系统采用电流环和速度环双闭环调速系统调节器。通过三环调节器和陀螺稳定回路的作用，使系统隔离载体姿态变化对稳定跟踪的影响，保证伺服系统的动态跟踪精度高、稳态误差小。

2 陀螺/加速度计组合稳定回路

2.1 稳定回路原理

针对图1中的陀螺稳定回路，陀螺仪作为高灵敏度测量元件，测量过程出现了陀螺噪声信号以及随机漂移误差对跟踪性能造成影响。随着组合惯性测量系统的发展，对稳定回路跟踪精度最直接的一种提高方式是利用组合惯导元件的测量数据融合，陀螺和加速度计是常用的姿态测量元件。本文在现有技术的基础上设计了陀螺/加速度计组合稳定回路，在实际应用中，陀螺仪反应灵敏、动态性能好，但在测量过程中的随机噪声信号经过积分产生随时间迅速增大的累积误差(漂移)；加速度计测量噪声小，但动态性能差。单独使用陀螺仪或加速度计不能得到最优姿态隔离控制的问题。组合稳定回路采用三轴陀螺和加速度计测量数据融合、稳定跟踪修正的原理可形成优势互补，采用标定方法补偿多个测量元件的数据误差，用陀螺仪进行加速度计的误差校正[8-10]；用加速度仪的数据对陀螺进行加权纠正，同时用卡尔曼技术对陀螺噪声信号进行滤波处理。在系统接收上位机新的位置指令时对陀螺仪的位置积分数据清零。

在伺服机构方位运动支座上安装了三轴陀螺和加速度计，来感知两次上位机指令间隔中飞机运动姿态变化引起转台空间三维方向上的速度/加速度变化，控制单元将采集到的值经过坐标变换运算得到方位和俯仰方向的导航速度/加速度变化，经过积分后得到转台在方位和俯仰上的位置变化，通过程序中的位置补偿算法得到机构需要改变的位置量，作为控制指令和其他环路共同控制电机带动天线阵面进行姿态调整。

根据以上数据检测与处理技术得到载体姿态变化隔离稳定控制的硬件结构如图2所示。

图2 稳定回路控制结构Fig.2 Control structure of stable loop

2.2 卡尔曼滤波

稳定回路中惯性元件测量输出值中的随机噪声信号影响了系统输出精度，使系统的动态跟踪误差随时间急剧增大。为此，除了采用标定方法补偿陀螺和加速度计的数据误差外，还必须对测量信号进行滤波处理。卡尔曼滤波技术通过递推算法从观测量中估计出所需信号，由于使用灵活，适合处理随机噪声信号估计问题在工程领域测量技术中得到广泛的应用[11-12]。

通过对陀螺仪和加速度计模型原理的理解[13-14]，陀螺和加速度计的数学模型可以简化为二阶系统，假设离散化后的系统状态空间方程系数矩阵为A,B，用卡尔曼滤波算法估计系统的各种误差状态值和补偿校正，从而提高扰动控制系统的隔离度性能，保证稳定跟踪回路的精度。系统的卡尔曼滤波器为：

其中，u(k)为现在状态控制量，P是估计误差协方差，Q是过程噪声协方差，X是状态估算值，I为单位矩阵，K为卡尔曼增益。

实际应用中，选择了惯性测量单元QH-IMU200A用于姿态测量，它采用高可靠性和稳定性的MEMS陀螺仪和和加速度计。在实验台上，将测量单元通过串口与上位机连接，手动晃动该测量单元，检测到的数据经过Kalman滤波器去除噪声信号的结果如图3所示。

图3 Kalman滤波曲线Fig.3 Curve of Kalman filter

图3中曲线1是载体姿态变化过程中的测量速度信号，曲线2是滤波之后的速度信号，曲线3是积分之后的位置信号。可以看出曲线2与曲线1相比存在一定时间延迟，实际控制中不采用曲线2的数据，直接采用积分之后的位置信号作为载体姿态变化数据与控制指令进行数据融合。卡尔曼滤波器通过误差估计、补偿可以进一步提高扰动控制系统的隔离度性能，所设计的滤波器不但能够稳定地工作，而且系统的隔离度性能都有明显的提高。

3 验证与结果分析

3.1 仿真验证

根据设计的伺服控制策略和各单元模型的参数，在Simulink中搭建系统仿真模型，由于方位运动和俯仰运动存在相似性，这里只对方位仿真模型进行分析。

为了验证稳定回路对姿态扰动隔离的效果，首先在不加稳定回路的情况下对系统隔离度进行测试，此时的隔离度与上位机给定时间的间隔有很大的关系。在给定频率0.125 Hz，振幅为8°的正弦信号，通信时间间隔分别依次设置为20 ms、50 ms和100 ms，仿真得到的系统跟踪误差曲线分别如图4-图6所示。

图4 通信时间20 ms跟踪误差Fig.4 Tracking error of 20 ms

图5 通信时间50 ms跟踪误差Fig.5 Trackingerror of 50 ms

图6 通信时间100 ms跟踪误差Fig.6 Trackingerror of 100 ms

由图分析可知，通信时间间隔为20 ms时，稳定回路的隔离度约为96%；通信时间间隔为50 ms时，稳定回路的隔离度约为94.5%；通信时间间隔为100 ms时，稳定回路的隔离度约为92%，随着时间间隔的增加，系统的隔离度降低。

采用稳定回路后，不同通信时间间隔下的系统隔离度基本相同，以频率0.125 Hz，振幅为8°的正弦信号为例，系统的跟踪误差约为0.22°，隔离度大于97%，如图7所示。

图7 加稳定回路跟踪误差Fig.7 Tracking error with stable loop

3.2 实验验证

仿真结果表明，稳定回路提高了系统对姿态变化扰动的隔离效果，仿真结果对实际应用有一定参考意义，但是与真实效果还是有些差别。为此根据伺服系统的控制策略和陀螺/加速度计稳定回路的研究，设计了控制系统硬件电路和软件编程进行稳定跟踪调试验证，硬件控制原理框图如图8所示。

图8 硬件电路原理Fig.8 Theory of hardware circuit

图中主控板的CPU采用32位高可靠高性能军品级Soc系列芯片，内嵌单/双精度浮点处理单元(FPU)，适应环境温度范围宽，能够保证恶劣环境的精度要求。稳定回路中控制电路已经将惯性元件测量的模拟信号转换为数字信号，通过RS232传输到主控制单元。为了方便调试过程，基于串口通信设计了上位机调试系统，通过上位机界面能够实时修改目标指令、调节参数和监测伺服系统速度和位置等运行状态参数。伺服系统与上位机之间的通信采用RS485和PECL的方式，运动控制单元可提供两路的运动控制，可实现速度控制、位置控制和稳定跟踪控制。硬件电路板装机后和调试平台如图9所示。

图9 硬件电路板与调试平台Fig.9 Hardware circuit board and debugging platform

根据技术要求对平台分别作阶跃响应、跟踪响应等指标进行验证，在上位机界面选择不同的控制模式，其结果如图10和图11所示，图中纵坐标为角度值，单位(°)；横坐标为时间轴，时间值为显示值×20 ms。

以方位运动为例，图10是伺服系统3°阶跃响应曲线，显示响应无超调，上升时间为(112-102)×20 ms=200 ms。满足控制时间≤200 ms，静态误差≤0.1°的要求。图11是给定幅值为5°，频率为0.2 Hz的正弦曲线输入指令，在上位机界面上其反馈的负载位置动态响应曲线和输入指令基本重合，无法看出位置误差，因此这里只给出了位置跟踪误差曲线，可以看出最大位置误差为0.09°，满足指标要求。

图10 阶跃响应曲线Fig.10 Curve of step response

图11 位置误差曲线Fig.11 Curve of position error

将平台放在可以移动的载体上，先通过角度预置模式调整方位和俯仰角度，使天线阵面对准某个方位，然后进入跟踪模式，并随意移动载体，控制系统能够通过陀螺稳定回路的位置补偿原理实时调整方位(如图12所示)和俯仰角度，载体姿态变化的隔离度大于97%，保证天线阵面实时正对目标位置，实现稳定跟踪性能。

图12 方位稳定跟踪曲线Fig.12 Curve of stabilizing tracking of azimuth axis

4 结论

本文提出了基于陀螺和加速度计的组合稳定回路控制方法。该方法利用陀螺和加速度计的测量数据融合、稳定跟踪修正原理可形成优势互补，可以提高机载“动中通”系统的隔离度；卡尔曼数据处理技术改善了系统的动态性能和跟踪精度。仿真验证和实物验证结果表明：该伺服稳定系统的系统的响应时间小于200 ms，动态跟踪误差小于0.1°，隔离度达到97%，具有较高的跟踪精度，能够满足工业应用稳定跟踪控制。

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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

中央高校基本科研业务费专项资金创新项目资助(SWJTU11CX024)

方阳丽(1989—)，女，湖北襄阳人， 硕士研究生，研究方向：机电一体化系统。E-mail: fangyangli@163.com。

U666

A

1008-1194(2016)06-0104-05