陀螺稳定系统（共9篇）
陀螺稳定系统 篇1
摘要：讨论了车载平台高精度光电跟踪系统问题,进行了系统结构设计,平台采用T型结构,并通过整体减振的方式隔离载体的高频振动。进行了控制系统设计,利用陀螺稳定装置实现平台的粗级稳定,高频快速反射镜实现平台的精级稳定,通过这种粗精结合的二级稳定平台来提高平台的稳定精度。进行了模拟仿真试验,通过摇摆台来模拟车载环境试验进行系统测试。试验结果表明该系统能达到较高的跟踪精度。
关键词：跟踪系统,陀螺稳定,二级稳定,车载平台
安装在车载平台的光电跟踪系统,在行进过程中,会受到载体姿态变化、车体振动、崎岖路面带来的颠簸以及风阻力矩的影响。因此,必须建立一个稳定分系统,将传感器的视轴与载体的运动、振动相隔离,使视轴稳定在惯性空间,实际上是一“视轴稳定与跟踪系统”[1,2,3,4]。
1 系统设计
1.1 系统组成
系统由光电跟踪转塔和操控台组成,系统采用整体减振的方式,在与载体的安装位置处,设计了由JZP-40T型减振器组成的减振盘,对载体的高频振动进行了隔离;采用双轴陀螺稳定平台作为粗级稳定控制装置,隔离载体的低频干扰,使跟踪视轴稳定在惯性空间,同时,采用高频快速精稳组件消除系统的残余误差,提高系统的稳定精度和跟踪精度。
1.2 结构设计
跟踪转塔采用T型结构,以相互正交的俯仰轴系和方位轴系为精密回转轴系,分别装有驱动元件、测角元件和测速元件。俯仰支架和方位底座是俯仰轴系和方位轴系的支撑体,其结构形式和选材非常关键。在满足结构刚度要求的前提下,选择合理的结构形式,尽量减轻底座的质量,并通过适当的热处理工艺,提高其机械性能。此外根据需要还装有限位机构、锁紧机构等。
1.3 减振设计
对于车载平台光电跟踪系统,振动严重影响了系统性能及可靠性,各级振动经过弹性构件传递到平台基座,引起平台环架和台体振动,造成指向误差,同时,振动会使陀螺漂移误差增大,直接影响平台稳定系统工作。对于减振系统设计的基本要求为:(1)减振系统的固有频率要低;(2)共振时的传递率要小;(3)越过共振区后的传递率曲线应大幅度下降;(4)既要保证减振系统的固有频率低于基座频率,又要保证与平台上的关键元件(陀螺)的固有频率有一定的间隔距离,以避免谐振干扰[5,6]。
2 陀螺稳定跟踪控制系统设计
通过负载分析和误差分配,完成系统静态设计。伺服跟踪控制系统原理框图如图2所示。
伺服跟踪控制系统设计采用由内到外的设计方法,内环应具有较高的带宽和响应频率。以方位环为例,对速度环的设计,采用传递函数法校正的方法,首先将电机及负载和PWM功放作为一个整体,通过频率特性试验测得的传递函数为
设计速度稳定环校正传递函数为
校正前后速度环的开环对数幅频特性如图3所示。
位置环校正前的开环传递函数为
设计位置环的校正传递函数为
校正前后的开环传递函数的Bode图如图4所示。
3 粗精组合二级稳定系统设计
粗精组合二级稳定的设计思想是:在陀螺稳定平台粗级稳定的基础上,通过在光电跟踪视轴中加入精稳控制组件,补偿系统的残余误差,将系统的稳定精度提高一个数量级[7,8]。粗精二级稳定控制系统原理框图如图5所示。
用于精稳控制组件的元件主要有音圈电机和压电陶瓷,音圈电机具有较大的行程,但响应频率较低。
压电陶瓷分为开环压电陶瓷和闭环压电陶瓷,开环压电陶瓷的响应频率较高,但压电陶瓷存在迟滞效应和蠕变效应等缺点。迟滞特性是指在输入电压和输出位移之间的一种非线性对应关系。蠕变效应是指当外加驱动电压迅速改变时,压电陶瓷的伸长过程分为两步:第一步是在较短时间内的快速伸长,第二步是需要较长时间的缓慢伸长过程,即为时间相关的蠕变效应,迟滞效应和蠕变效应见图6和图7所示。
迟滞效应和蠕变效应都会影响系统的定位精度。在对迟滞效应和蠕变效应进行建模的基础上,采用一定的控制算法进行修正,对迟滞和蠕变特性进行逆补偿控制,提高系统的定位精度[9,10]。
4 试验研究
在实验室内进行了典型环境下的跟踪精度试验研究。将光电跟踪转塔放置在双轴电动摇摆台上,对模拟运动目标进行跟踪,通过设定摇摆台的摇摆幅值和频率模拟车载运动环境,对运动目标进行跟踪,同时记录视频图像数据,以偏离瞄准视轴中心位置偏差的均方根值作为跟踪误差。系统测试原理图如图所8示。
跟踪误差的数据处理方法如下:测量出方位、俯仰像素偏差点ΔX1、ΔY1,每个像素偏差点对应的分辨率误差为Δθ,随机抽取n个样本,分别计算各个图像的方位、俯仰像素偏差,则方位、俯仰的跟踪误差ΔX、ΔY按下列公式计算
则系统的跟踪误差为
跟踪录像及处理界面如图9所示。
5 结论
文中对车载光电跟踪系统的组成、结构和伺服控制系统进行了设计。进行了系统结构设计,平台采用T型结构,并通过整体减振的方式隔离载体的高频振动。进行了控制系统设计,利用陀螺稳定装置实现平台的粗级稳定,高频快速反射镜实现平台的精稳稳定,对系统的控制模型进行建模,采用粗精二级稳定的方法提高系统精度。进行了模拟仿真试验,通过摇摆台来模拟车载环境试验进行系统测试,试验结果表明该系统能达到较高的跟踪精度。
陀螺稳定系统 篇2
三轴陀螺稳定平台的惯量耦合问题研究
分析了三轴陀螺稳定平台的惯量耦合规律,给出了转动惯量耦合方程,并进行仿真计算与分析,从而为陀螺稳定平台的进一步研究工作打下了基础.
作 者：董期林 DONG Qi-lin 作者单位：西安应用光学研究所,西安,710065刊 名：航空精密制造技术 ISTIC英文刊名：AVIATION PRECISION MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：200743(6)分类号：V249.122关键词：三轴陀螺稳定平台 转动惯量 耦合作用
例析生态系统稳定性 篇3
生态系统的稳定性是系统发展到一定阶段的结果，其主要表现为结构功能的相对稳定，能量、物质的输入与输出相对平衡。究其原因是不同的生态系统都有在一定范围内消除外来干扰的能力，即自我调节能力。当生态系统发展过程中某一成分发生变化时，它必然引起其它成分发生一系列相应变化，这种变化又反过来影响最初发生的变化，这种现象称为反馈调节。反馈调节包括正反馈和负反馈两种，其中负反馈是生态系统自我调节的基础，能使最初发生的变化向相反a的方向发展使生态系统达到和保持相对稳定的状态；正反馈则是加速生态系统最初所发生的变化，使生态系统向着更好或更坏的方向发展。
例1 某池塘中，早期藻类大量繁殖，食藻浮游动物水蚤大量繁殖，藻类减少，接着又引起水蚤减少。后期排入污水，引起部分水蚤死亡，加重了污染，导致更多水蚤死亡。关于上述过程的叙述，正确的是（ ）
A.早期不属于负反馈，后期属于负反馈
B.早期属于负反馈，后期不属于负反馈
C.早期、后期均属于负反馈
D.早期、后期均不属于负反馈
解析 水蚤以藻类为食，早期藻类大量增多，水蚤增多，因水蚤大量繁殖导致藻类减少，这属于负反馈。而后期因污染导致水蚤死亡，水蚤的死亡又加重了污染是正反馈。
答案 B
点拨 判断正、负反馈调节的方法：从调节后的结果状态与原状态之间的变化分析。调节后的结果：进一步偏离原有水平为正反馈；回归原有水平为负反馈。
抵抗力稳定性和恢复力稳定性
生态系统的稳定性主要包括抵抗力稳定性和恢复力稳定性两个方面。生态系统抵抗稳定性是指生态系统抵抗外界干扰并使自身结构和功能保持原状的能力，其核心是抵抗破坏，保持稳定。抵抗力稳定性的强弱取决于的营养结构，即：生态系统成分越单纯，营养结构越简单，自我调节能力就越小，抵抗力稳定性就越低；反之越高。恢复力稳定性指生态系统遭到外界干扰因素的破坏后恢复到原状的能力，其核心是遭到破坏，恢复稳定。一般情况下，二者的关系是相反的且同时存在，即抵抗力稳定性高，则恢复力稳定性就低，反之亦然，它们共同构成了生态系统的稳定性。
例2 下列有关生态系统稳定性的叙述，不正确的是（ ）
A.生态系统稳定性的基础是生态系统具有自我调节能力
B.生态系统内部结构与功能的协调，可以提高生态系统稳定性
C.生物多样性对维持生态系统稳定性具有重要作用，体现了其间接价值
D.生态系统中组成成分越多，食物网越复杂，生态系统恢复力稳定性就越强
解析 生态系统的稳定性包括抵抗力稳定性和恢复力稳定性，生态系统具有自我调节能力，这是生态系统稳定性的基础。生态系统内部结构与功能协调，可以提高生态系统稳定性。生物多样性对维持生态系统稳定性具有重要作用，体现了其间接价值，选项A、B、C正确。
答案 D
点拨 首先分清外界干扰对生态系统破坏后的结果状态，其次据结果状态判断稳定性的类型，最后根据稳定性的类型来解题。
提高生态系统的稳定性
由于自然因素和人类活动，特别是人类对自然资源不合理地开发和利用以及对环境的污染往往造成生态系统稳定性的破坏。那么提高生态系统稳定性的措施包括：首先要控制对生态系统的干扰程度，对生态系统的利用适度，不应超过生态系统的自我调节能力；其次对人类利用强度较大的生态系统，应该实施相应的物质、能量投入，保证生态系统内部结构和功能的协调。
例3 关于提高生态系统稳定性的叙述中，不正确的是（ ）
A.提高生态系统的稳定性，就是要禁止对生态系统的干扰和利用
B.可适当增加物种数目
C.人们对生态系统的“干扰”不应超过其自我调节能力
D.人类利用强度较大的生态系统，应加大相应物质、能量的投入，以维持其稳定性
解析 本题考查提高生态系统稳定性的措施，应运用生态系统稳定性原理（生态系统的自我调节能力）解题。生态系统稳定性在于生态系统的自我调节能力。提高生态系统的稳定性，不是禁止开发，而是合理利用，人们对生态系统的干扰不应超过其自我调节能力，对于人们利用强度较大的生态系统，应加大相应的物质、能量投入。生态系统的自我调节能力与物种的数目有关，提高生态系统稳定性可适当增加物种数目。
答案 A
点拨 提高生态系统稳定性相关的题目，主要围绕两点：首先，看最后的结果状态有无通过增加物种多样性来增加生态系统抵抗力稳定性；其次，看外界干扰的最终结果能否打破原有平衡来判断是否能提高生态系统稳定性。
综上所述，我们可以发现解生态系统稳定性相关习题，要从题目中找到各种外界因素导致生态系统发生变化后的结果状态，然后以其为核心点展开分析来解决问题。
[练习]
1.下列关于生态系统自我调节能力的叙述中，错误的是（ ）
A.在树林中，当害虫增加时食虫鸟也会增多，这样害虫种群的增长就受到抑制，这属于生物群落内的负反馈调节
B.负反馈调节在生态系统中普遍存在，它是生态系统自我调节能力的基础
C.生物群落与无机环境之间不存在负反馈调节
D.生态系统的自我调节能力不是无限的，当外界干扰因素的强度超过一定限度时，生态系统的自我调节能力会迅速丧失
2.池塘养殖普遍存在由于饵料、鱼类排泄物、换水不及时等引起的水体污染现象，研究者设计了一种循环水池塘养殖系统（如下图）。请回答下列问题：
排水]
（1）与自然池塘相比，人工养殖池塘生态系统恢复力稳定性 。人工养殖池塘水体的N、P含量容易升高，会引起水体的富营养化；藻类等浮游生物大量繁殖、加之死亡后被微生物分解，引起水体的溶氧量下降，造成鱼类等死亡，进一步破坏了生态系统稳态，这种调节方式称为 。
（2）与传统养殖池塘相比，该养殖系统增加的生态工程设施有 。可以通过在这些设施内栽植水生植物、放养滤食动物等措施，起到对水体的 ，有效减少水体中的N、P等含量。
（3）该养殖系统设计为前一池塘上层水流入后一池塘底部，实现水层交换，其目的有 、 。
（4）该养殖系统中串联的池塘不宜过多，因为 。
（5）保持池塘水体中适当的N、P含量是必要的，该养殖系统可以通过 、 进行调控。
[参考答案]
1.C 2. （1）高 正反馈 （2）生态塘和潜流湿地 净化作用 （3）增加水中溶氧量 提高饵料的利用率 （4）后面池塘水体中的N和P含量（浓度）越来越高 （5）补水和排水 水泵控制水的流量（循环频次）
陀螺稳定系统 篇4
关键词：稳定平台,加速计,陀螺仪,加速度积分,三角函数角度计算
1 概述
海洋浮标是世界各国监测海洋水文气象信息的重要工具,它具有全天候、长期连续、定点监测的特点,因而得到各国的广泛应用。海洋浮标通过在其上安装各种信息采集设备来定点采集位置处的水文气象信息[1,2,3]。但由于海洋环境中海浪、海风的作用明显使得海洋浮标处于摆动状态,采集设备无法稳定的采集水文气象信息。为解决这一问题,设计了一种基于陀螺仪与电子罗盘的稳定平台应用于海洋浮标上,能够为采集设备提供稳定的采集环境。系统采用陀螺仪模块和指南针罗盘模块组成的姿态信息采集模块与云台摄像机相结合,来完成稳定控制系统的搭建。
陀螺仪模块和指南针罗盘模块组成的姿态信息采集模块拥有小体积、低功耗及低成本的特点,整个系统的开发成本得到了降低。随着MEMS的发展,陀螺仪传感器精度不断提高.陀螺仪对角度的获取,文献[4]中采用对角速度的积分实现。但存在单次采集时间过长以及漂移误差使得测量中存在着累加误差的问题。相对于高端陀螺仪类的姿态采集器件本身0.5°/hr的误差,MEMS陀螺仪的精度无法达到此级别,在低成本模块下更需要选择合适的方式来采集云台的姿态信息,以缩小数据的误差,达到性能提升的目的。
2 系统硬件设计
海洋浮标云台稳定系统总体框图如图1所示。在云台的姿态发生改变时,通过固定在云台底座上的GY-521和GY-271模块分别获取云台在垂直方向上的加速度分量和水平方向上的磁场变化信息。OK6410开发平台读取姿态模块内采集的原始数据,经算法对原始数据进行处理、转化得到云台实际的航向角和俯仰角的数值,并将所得角度数值转化为相对应的云台控制指令,最后将云台控制指令以VISCA协议(或PELCO协议)的形式传送到云台。云台采取与指令相对应的运动从而使平台处于稳定状态。
OK6410开发板基于三星公司的16/32位RSIC微处理器S3C6410的一款开发平台,S3C6410是基于ARM1176JZF-S内核的低功耗、高性能、高性价比的RSIC处理器。在OK6410开发板上集成了多种接口以方便开发过程中的数据传输工作。
GY-521陀螺仪模块集成了MPU6050芯片和I2C通信端口线路。MPU6050是由Inven Sense公司推出的整合性6轴运动处理组件,相较于多组件方案,免除了组合陀螺仪与加速度计之间的轴差问题,减少了大量的包装空间。MPU6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps),可准确追踪快速与慢速动作。
GY-271指南针罗盘模块集成了HMC5883L芯片和I2C通信端口线路。HMC5883L是由Honeywell公司推出的一种表面贴装的高集成模块,并带有数字接口的弱磁传感器芯片。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器,并附带Honeywell专利的集成电路能使得罗盘精度控制在1°~2°内。
系统的硬件体积小、功耗低、性能好、价格也相对便宜,能够有效的降低云台控制系统的体积、功耗和成本。
3 系统软件设计
系统采用基于Linux的嵌入式平台来完成整个软件环境的搭建。程序的编译运行通过交叉编译的方式实现。PC机作为上位机,在其上安装Ubuntu14系统,并在系统内安装arm-linux-gcc4.4.1版本编译器。源代码经编译器编译后,通过超级终端将其传送至Qtopia2.2.0开发板平台。
系统由初始化模块、宏定义模块、I2C定义模块、数据读取模块、数据处理模块和通信模块构成,主要完成对端口的初始化、姿态采集模块的数据读取、数据处理、角度转化为云台控制指令以及云台通信的任务,如图2所示。
程序的中对数据的采集、处理以及与云台的通信工作如下伪代码所述。
由于姿态采集模块中的数据为16位的数值,在实际的读取中一次只能读取8位,因而需要对采集的数据进行高低位的合成,可通过如下函数进行数据合成,实现16位数据的读取工作。
角度控制以选取垂直方向的角度指令为例,控制过程中以俯仰角的变化来选择控制指令,基本过程可简述如下:
4 实验分析
MEMS陀螺仪本身采集的角速度数据误差可控制在0.5%内,但其采用对单位时间内的角速度不断累加的方式来实现角度的计算工作。随着时间的推移陀螺仪温度漂移等外在因素的存在将引起数据采集过程中数据出现偏差,进而在积分累加过程中出现累加误差[5]。加速计在采集数据上本身存在着精度的误差,但对于角度的计算是通过对实时采集的加速度数据进行三角函数的转换获得角度,具有实时更新的特点。
4.1 角速度积分法
实验中选择对俯仰角进行采集,陀螺仪通过对角速度的积分[6]来获取,采用积分法来获得角度值时,设陀螺仪采集的角速度为Ω(t),陀螺仪工作时间为t1到t2,在此时间内的角度变化值即俯仰角(∠α),通过公式(1)进行积分[8]计算,便可获得角度的数值。实际算法中采用公式(2),在极短的时间内的角速度与时间的乘积即Ω(t)*△t的数值进行累加来获得角度的数值。
实验中对陀螺仪处于0°状态时进行数据采集并绘制成图,如图3所示。理想状态下的模型得出的数据应是过原点的一条直线,而在实际的实验中所得数据在原点上下小范围内摆动的角度。
实际测试时,让陀螺仪处于静止状态,运行积分算法程序并记录输出数据,对数据进行绘图处理得到如图4所示的输出角度图形。
在采样个数为1000个,采集时间为20s左右的情况下角度的累加误差在不断的增加,由初始的0.02°到达0.12°,并且随着时间的推移,角度的偏移量将继续加大。
结果表明对陀螺仪的角速度进行积分计算获得角度的方式,静止状态时由于受到陀螺仪本身的零漂以及温漂引起的误差使得累加误差随着时间的推移不断增大,不适合长时间的采集。
4.2 三角函数法
加速计是对加速度进行三角函数的变换来获得俯仰角数值。如图5所示,加速计可以采集ax、az的数据。ax、az数值为重力加速度g分量的加速度值[9],二者在位置上是两个相互垂直的加速度,相加得到重力加速度g。因而可以得到公式(3)的三角函数关系,根据反三角函数的知识,采用公式(4)的方式求得倾角α的值,便是所要得到的俯仰角(∠α)。
实际的数据采集中,选择随机的角度进行测试,图6是采集到的部分角度数据图形,其角度值在43.9°左右。
从图6中可以看出,输出角度的偏差在±1°内,并不会随着时间的推移产生累加误差。对采集数据的方差和均方根值进行计算,结果为0.001444和0.030407。可见采集的数据基本反映了俯仰角的实际数值,该方式可以实现对俯仰角的测量工作。
相对陀螺仪角速度积分方式在长时间积分后产生大的累加误差,加速计采用加速度实时分量的值来获得角度,在较长时间内能够保证采集角度的精确性。
5 结论
本文介绍了一种基于陀螺仪与电子罗盘的海洋浮标云台稳定系统,在分析对俯仰角测量方式的选择时,通过比较陀螺仪和加速计二者采集数据的适用性来选择更合适的方案以完成角度的测量工作。设计总体上达到了对稳定性的需求。与现有的高端稳定器相比,采用价格低廉的陀螺仪模块和指南针罗盘模块的结合,使得整个系统的成本得到大幅降低。相比高端稳定平台万元的价格,该系统所采用模块均为百元内,因而在性价比方面有着巨大的优势。
陀螺稳定系统 篇5
光纤陀螺姿态系统的旋转矢量算法研究
将光纤陀螺作为一种角速率传感器,会使其姿态系统的旋转矢量算法的误差增大,角增量的`提取方法改变.为此给出三子样和四子样算法的角速度提取角增量公式,推导算法在圆锥运动下的误差,根据圆锥运动下误差最小的原则,对算法系数进行改进,提出两种改进算法,推导误差公式表明改进算法比原算法的精度提高(Ωh)2倍.仿真表明:改进算法比原算法的精度提高了半个数量级.
作 者：曹晓平CAO Xiao-ping 作者单位：华中光电技术研究所,武汉,430073刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：13(3)分类号：V241.5关键词：光纤陀螺 Sagnac效应 等效转动矢量 子样
陀螺稳定系统 篇6
近年来, 在马拉松赛等长距离、大范围的体育赛事的电视直播中, 以及在电影宏大场景的拍摄中, 都需要对目标进行全方位多角度高清晰拍摄[1], 传统的车载移动拍摄会将车体运动干扰传递到摄像机上, 带来画面抖动和成像拖影等问题, 影响拍摄画面的质量。上世纪70年代, 国外开始使用陀螺稳定技术解决拍摄画面抖动的问题。国内直到上世纪90年代才开始引进和使用基于陀螺稳定技术的摄像平台。由于国外技术封锁, 国内在相关研究和应用方面与国外差距很大。目前国内有很多从事陀螺稳定技术研究的科研单位, 但很少有单位针对特种影视拍摄需要开展陀螺稳定摄像平台研制。
本文提出了一种基于陀螺稳定的车载摄像平台系统, 在有效隔离车体运动对摄像机的干扰、保证拍摄画面质量的同时, 克服了低精度陀螺零位不准造成的画面漂移现象, 因而在体育赛事直播等领域具有广阔的应用前景。
1 系统工作原理
1.1 系统组成
摄像稳定平台系统由平台本体 (机械框架、传感器和电机) 、电子箱和控制单元组成, 如图1所示。其中, 机械框架包括底座、方位和俯仰框架, 并预留用于摄像机安装的标准接口, 以适应不同类型的摄像机, 如肩扛式摄像机等。传感器安装在框架上, 主要包括敏感框架角速率的陀螺和测量框架角度的电位计。电机为执行机构, 主要作用是输出补偿力矩以克服外部干扰力矩。控制电路安装在电子箱中, 主要用于传感器信号的采集、控制计算和电机功率驱动信号输出。控制单元实现平台本体两框架的转动控制, 由二维摇杆 (控制框架转动角速度) 、转动角速度调节旋钮、平台工作状态指示灯等组成。平台本体、电子箱与控制单元之间通过电缆连接, 通信方式为RS-422串口通信。系统还可以外接球头码盘进行控制, 较好的实现了人机交互。
1.2 控制原理
稳定平台包括俯仰和方位两个控制通道, 均采用陀螺稳定回路加角度锁定回路的双回路复合控制模式。
陀螺稳定回路为内回路, 利用速率陀螺作为角速率敏感元件, 通过反馈控制直接驱动框架转动, 抵消干扰力矩引起的摄像机视轴晃动, 使视轴在惯性空间内长时间保持指向不变。
陀螺零漂越小精度越高, 只用陀螺稳定回路即可得到很好的稳定效果, 但高精度陀螺的成本也很高。本文采用较低精度的速率陀螺, 其零位稳定性较差, 零位不准给陀螺稳定回路造成的后果是使摄像视轴缓慢漂移运动, 难以满足在固定方向上连续拍摄的要求, 所以本文采用电位计作为角度传感器, 测量平台框架相对载体的角度, 通过反馈构成外部的角度锁定回路, 由于车辆在拍摄过程中基本处于匀速直线前进状态, 车体俯仰和方位姿态变化长周期趋于零, 从而抑制因陀螺漂移造成的视轴运动, 满足在指定方向上稳定拍摄的要求。
由于拍摄中感兴趣的拍摄对象会变化, 需要使摄像机视轴随控制单元的操控指令动。操控指令通常叠加在速率反馈信号上以保证框架快速转动到新的位置, 但在锁定回路存在的情况下, 角度锁定指令不变, 就会使框架姿态又锁回到操控之前的位置, 这是不可接收的。由于陀螺稳定回路的响应速度远高于角度锁定回路, 通常在锁定回路作用还不大时操控已经结束, 此时同步地向角度锁定回路设置相应角度锁定指令, 使锁定回路锁定在当前姿态, 即可满足在新的指定方向上稳定拍摄的要求。
以俯仰通道为例, 其控制原理如图2所示。图2中, 车体干扰力矩为Md, 平台及负载的等效转动惯量为J, 平台俯仰框架晃动角变化为Δθ, 车体俯仰姿态角变化为Δθb, 相对姿态变化为θa=Δθ-Δθb, 平台角速度为ω, 操控角速度指令为ωc, 锁定角度指令为θac。Kg为陀螺标度因子, Δω为陀螺零位漂移。Ka为角度传感器标度因子。Km为电机力矩系数。Gs (s) 为陀螺稳定回路校正网络, Ga (s) 为锁定回路校正网络, 均为比例-积分控制器。
1.3 控制仿真
1.陀螺稳定回路隔离车体扰动的效果
考虑车辆的悬挂谐振频率约1Hz～3Hz, 因此将有限带宽白噪声信号通过一个带宽为3Hz的低通滤波器后作为干扰力矩输入控制回路。令陀螺漂移为0。图3 (a) 为不加稳定回路时的摄像平台俯仰角变化曲线, 图3 (b) 为有陀螺稳定回路作用时的摄像平台俯仰角变化曲线。
仿真结果显示了陀螺稳定回路隔离车体扰动的效果。不加陀螺稳定时摄像平台俯仰角变化很大, 而加陀螺稳定以后摄像平台俯仰角变化始终在±2mrad以内。仿真结果同时说明在双回路控制中, 干扰力矩由陀螺稳定回路抑制, 角度锁定回路对抑制干扰力矩的贡献很小。
2.角度锁定回路抑制陀螺零位漂移的效果
将陀螺零位漂移设为1.25°/s的常值, 输入控制回路。令干扰力矩为0。图4 (a) 为只有稳定回路时的摄像平台俯仰角变化曲线, 图4 (b) 为陀螺稳定回路加角度锁定回路时的摄像平台俯仰角变化曲线。
仿真结果显示了角度锁定回路抑制陀螺零位漂移的效果。不加角度锁定回路的摄像平台俯仰角一直在缓慢增大, 加角度锁定回路的摄像稳定平台俯仰角经过一段时间调节以后趋于0, 调节时间的长短取决于角度锁定回路的控制参数设置。
3.有角度锁定回路的外部操控效果
外部操控指令为方波形式的角速度指令。令陀螺漂移为0。图5 (a) 为只有外部操控指令没有同步调节角度锁定信号时的摄像平台俯仰角变化曲线, 图5 (b) 为同步地向角度锁定回路设置相应角度锁定指令的摄像平台俯仰角变化曲线。
仿真结果显示:双回路摄像稳定平台的角速度操控信号会引起角度锁定回路的响应, 可能产生长达数分钟的调节后效, 而同步地调整角度锁定回路的角度锁定指令, 使角度锁定回路在运动中始终不偏离其收敛平衡状态, 消除了调节后效, 保障了摄像平台的操控性能。
2 系统硬件实现
摄像稳定平台的硬件系统由信号处理模块、控制模块以及驱动模块构成, 如图6所示。其中, 信号处理模块将陀螺敏感的平台角速率和电位计测量的平台角度进行低通滤波、模数转换后, 得到陀螺速率信号和电位计角度信号, 并将得到的信号输入给控制模块, 控制模块对输入的陀螺速率信号、电位计角度信号和待摄像目标的移动量进行处理, 给出加矩指令即角速度控制信号, 输出的数字量与反馈电流的数字量经过运算后得到控制信号送入功率模块, 驱动电机转动, 控制平台动作, 实现对待摄像目标的跟踪。下面分别介绍各模块的工作原理。
1.控制模块
信号处理模块以FPGA+DSP为核心处理器件, FPGA实现设备通信、设备同步等任务管理, DSP主要实现稳定控制算法。
DSP选用TMS320F2812, 主要控制管理电路三环控制算法的运算器和时序控制器, DSP首先进行模块的初始化、设定定时中断。定时中断周期为2ms, 在定时中断内循环执行各控制算法的流程。通过片选信号、地址线的逻辑组合, DSP从数据线上读取FPGA、A/D发出的各种数据。
FPGA执行逻辑运算、实现设备通信和设备同步等任务管理, 主要有A/D的逻辑控制、接收控制单元的串行数据、PWM产生等。
DSP与FPGA之间的数据是通过16位数据位传输的, FPGA作为DSP的外设进行访问, 所有的数据访问都由DSP发起。FPGA通过地址线和DSP外部存储器接口读写地址判断DSP读写的目标地址, 并将数据放在数据线上或把数据线上的数据读入FPGA。
2.信号处理模块
信号反馈模块包括二阶有源低通滤波模块和A/D转换模块, 二阶有源低通滤波模块主要对陀螺、电位计的模拟信号进行低通滤波, 在此采用巴特沃思滤波器。为提高陀螺和电位计的采样精度, AD采样芯片采用24位AD芯片AD7732。
3.驱动模块
系统将PWM信号和电机使能信号通过光耦隔离电路连接到功率驱动器上, 实现电机的PWM驱动。通过设定FPGA内寄存器的数值可改变PWM脉冲的频率, 通过电流环输出的值改变PWM脉冲的占空比, 从而调整加入电机绕组中的平均电压, 改变绕组中的电流, 实现各种控制。
3 系统应用
基于本文的车载摄像稳定平台实现了广播级摄像机在二维空间的稳定和操控, 已经成功应用于广州亚运会皮划艇比赛、北京国际马拉松、厦门国际马拉松等多项大型体育赛事直播中, 图7为系统在广州亚运会上的应用。
4 结语
实际应用表明本文研制的车载摄像稳定平台系统可以较好地满足影视特拍行业的使用要求。该系统的成功研制为国内开展影视特拍产品的研制提供了技术参考。
参考文献
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[4]丁楠, 蒋鸿翔等.车载摄像稳定平台控制系统:中国, CN101872196 A[P].2010-10-27.
陀螺稳定平台在影视拍摄中的应用 篇7
近年来, 大型活动的电视直播, 电影中宏大场景的拍摄, “马拉松赛”、“公路自行车赛”、“帆船比赛”等长距离、大范围的体育赛事, 都需要借助移动载体对目标进行全方位多角度的跟踪拍摄, 随着高清电视、3D电影电视的出现, 更需要获得清晰度高、视觉冲击感强的画面[1]。但是传统的移动拍摄不可避免地将载体本身的颠簸和振动传递到摄像机上, 带来画面抖动、模糊不清等问题, 影响了拍摄画面质量。这就需要一种特殊的设备将摄像机与移动载体的颠簸和振动隔离, 使拍摄视轴稳定在空间坐标系中给定的方向。
陀螺稳定平台可以隔离移动载体的颠簸、振动对摄像机的影响, 使视轴稳定在惯性空间, 确保图像画面的清晰。在影视拍摄领域将该类平台称为陀螺摄像稳定平台或“陀螺仪”[2]。
上世纪70年代开始, 国外公司就开始使用陀螺稳定平台解决拍摄画面抖动的问题, 现在陀螺稳定平台已成为国外影视行业不可或缺的重要设备。而国内上世纪90年代才开始引进和使用陀螺稳定平台, 由于国外的技术封锁, 国内外研究和应用方面的差距很大。目前国内从事陀螺稳定技术研究的单位不少, 但有关其在影视拍摄中应用研究的报道却很少。国内几乎没有相关的产品投入市场, 因此国外厂商通过各种方式垄断了国内陀螺摄像稳定平台市场。
1 陀螺稳定平台分类及系统组成
1.1 种类划分
陀螺稳定平台是利用陀螺特性将平台台体姿态稳定在参考坐标系的精密机电装置[3], 依照组成和功能的差异有不同的划分方式。
按照陀螺的种类划分, 常见的有机械式陀螺稳定平台、光纤陀螺稳定平台、微机电陀螺稳定平台等。早期的稳定平台多采用挠性陀螺 (机械式陀螺的一种) , 目前主流的、精度较高的是光纤陀螺稳定平台, 精度相对较低的平台则采用微机电陀螺。
按照陀螺稳定平台被稳定轴数, 可分为单轴、双轴、三轴、全姿态 (四轴) 稳定平台。
按照陀螺稳定平台结构形式可分为开放式和封闭式稳定平台。开放式稳定平台几何尺寸较大, 摄像机的尺寸和重量限制较小, 适合在摇臂、车载、船载、轨道、悬索等速度较慢, 风阻较小的场合。为了减少风阻对平台稳定效果的影响, 封闭式稳定平台的框架和摄像机包裹在一个类似球体的密闭壳体中 (又称为“吊舱”) , 摄像机的尺寸和重量受到一定限制, 有的甚至只能安装指定型号的摄像机, 适合直升机、固定翼飞机等速度较快, 风阻较大的场合。
按照工作原理和系统组成的不同, 陀螺稳定平台还可划分为主动式和被动式稳定平台。以下着重介绍这两类稳定平台的系统组成和工作原理。
1.2 被动式陀螺稳定平台
被动式陀螺稳定平台主要由万向节 (图1) 和具有较大陀螺力矩的机械式陀螺 (图2) 组成。摄像机与万向节的内框架固连;陀螺固定在需要稳定的万向节框架上, 确保其敏感轴与稳定轴轴线重合或平行, 同时使稳定平台重心与万向节坐标中心重合。整个系统中陀螺既是传感器, 敏感平台轴向的角运动, 同时也是执行机构, 依靠内部转子高速旋转产生的较大陀螺力矩抵抗基座角运动在轴向上的干扰力矩, 实现摄像机的稳定。
被动式陀螺稳定平台具有机械结构简单、价格较低等优点。但稳定精度较主动式低, 承载能力较弱。在改变拍摄角度时, 陀螺的定轴性又起一个相反的作用, 因此操控的灵活性和精度也不高。
1.3 主动式陀螺稳定平台
1.3.1 系统组成
以陀螺为敏感元件, 能隔离基座的角运动并能使被控对象按指令旋转的机电控制系统称为主动式陀螺稳定平台[4]。与被动式陀螺稳定平台依靠陀螺自身的陀螺力矩平衡干扰力矩不同, 主动式平台依靠电机产生的电磁力矩抵消干扰力矩, 其系统组成如图3所示。
1.3.2 工作原理
主动式陀螺稳定平台一般采用电流传感器、速率陀螺、角度传感器作为敏感元件, 实现三环闭环控制, 如图4所示[5]。内环为电流回路, 通过电流负反馈控制电机的转矩, 提高平台的动态响应速度;中环为速率稳定回路, 速率陀螺敏感平台框架角速率, 用于隔离载体角运动的干扰, 实现载荷相对惯性空间的稳定;外环为角位置跟踪回路, 使平台按照指令位置进行机动, 实现位置跟踪功能。
具体伺服控制流程为:操控杆发出的角速度指令经过前馈控制器1比例运算后叠加在陀螺速率信号的同时, 经过前馈控制器2比例积分运算后得到框架需要转动的角度与角度传感器信号叠加后输入角度控制器, 经一定的控制运算后与上述陀螺速率信号一起输入给速率控制器。速率控制器经过相关运算后得到的电流控制量, 与电流传感器信号叠加后输入到电流传感器, 通过一定算法计算生成电流控制量, 经功率放大后驱动电机, 由电机控制平台框架动作。电流传感器、速率陀螺、角度传感器采集实时的电机电流、框架角速率和角度, 作为控制回路的输入信号, 构成三环闭环控制。
主动式稳定平台的稳定精度高、承载能力强、结构紧凑, 通过操控杆控制的灵活性和精度大大提高。但存在机械和电气结构复杂、价格相较高等缺点。
2 国外典型设备及应用
2.1 国外典型设备
国外一些公司 (特别是美国) 上世纪70年代就开始研制适合影视拍摄的陀螺稳定平台, 并成功应用到电影电视的拍摄中, 解决了拍摄画面抖动的问题。陀螺稳定平台因其优越的稳定效果已经成为影视领域不可或缺的组成部分。目前几乎所有的好莱坞大片、大型国际体育赛事和活动、高清纪录片中都能看到陀螺稳定平台拍摄的稳定、清晰的画面。
国外研制陀螺摄像稳定平台主要的公司有Tyler、Advanced Camera、Nettmann、Pictorvision (2004年前名为Wescam) 、Space Cam、Filmotechnic等。
按照平台结构、工作原理、稳定精度、适用场合等不同, 国外习惯将陀螺稳定平台分为A、A-1、B、C、C-1、D六个类型, 各类平台的基本特性和典型产品如表1所示[6]。
2.2 国外设备典型应用
陀螺稳定平台广泛应用于电影、体育赛事、大型活动的拍摄和转播中。不同结构的稳定平台可以安装在不同的移动载体上, 适合不同的拍摄场合。
2.2.1 直升机
直升机具有起降方便, 机动性强等特点, 能够执行前飞、后退、悬停等特殊动作, 非常适合作为航拍载体。陀螺摄像稳定平台能够减少飞机振动和颠簸对拍摄的影响, 为观众展现清晰、稳定、强烈视觉冲击感的画面。图5 (1) 是用于航拍的Nettmann公司Super-G系列稳定平台;图5 (2) 是用于2008年北京奥运会航拍的Pictorvision公司Wescam系列球舱;图5 (3) 是用于电影航拍的被动式稳定平台。
2.2.2“飞猫”
“飞猫”学名为索道摄像承载系统, 分为二维飞猫和三维飞猫 (又称“蜘蛛眼”) 。二维飞猫可以实现远距离两点之间水平、垂直或倾斜方向的运动拍摄;三维飞猫通过调节悬挂飞猫的四根钢丝的长短, 实现摄像机在预设的三维空间内任意位置悬停拍摄。飞猫上安装陀螺稳定平台, 能够隔离绳索晃动等外部干扰, 使拍摄画面稳定、没有震颤和噪声, 特别适合于体育场、赛车场、大型演播室、体育馆等条件的运动拍摄。图6 (1) 、图6 (2) 分别为用于赛车和游泳比赛的二维飞猫;图6 (3) 是应用在2010年广州亚运会奥体中心的三维飞猫。
2.2.3 车载
车载条件下的拍摄具有机动灵活的特点, 适合长距离、复杂路面的赛事及活动, 同时也经常用于电影中运动场景拍摄。陀螺稳定平台能有效减少路面颠簸、车体振动对拍摄的影响。图7 (1) 是Nettmann公司Gyron FS/Stab-C系列稳定平台, 用于拍摄轿车行驶画面;图7 (2) 是Nettmann公司Gyron Mini-C系列稳定平台, 用于拍摄驾驶摩托车场景;图7 (3) 是Pictorision公司Cineflex系列稳定平台, 安装在雪地摩托车上, 应用于2010年温哥华冬奥会雪上项目的直播。
2.2.4 船载
船载条件下的拍摄同样具有机动灵活的特点, 适合长距离水上项目及电影中水面场景的拍摄。陀螺摄像稳定平台能有效减少船体颠簸、振动对拍摄画面的影响。图8 (1) 是Pictorvision公司的Cine-G系列稳定平台, 用于帆船赛的直播;图8 (2) 是Spacecam公司的Spacecam系列球舱, 用于电影水面场景拍摄。
2.2.5“电兔子”
“电兔子”是一种轨道摄像系统, 可以快速跟随田径运动员、游泳运动员或其它需要直线跟踪拍摄的目标, 通过搭载的陀螺摄像稳定平台, 能稳定捕捉每一个细节动作, 为观众展现高速清晰的画面。图9 (1) 为Filmotechnic公司的Flight head系列稳定平台, 用于足球比赛转播;图9 (2) 为2010年广州亚运会田径赛场上携带2台Nettmann公司的Stab-C Compact系列稳定平台的“电兔子”。
2.2.6 摇臂
摇臂是拍摄电视剧、电影、广告及大型赛事和活动中经常使用的一种摄像器材。陀螺摄像稳定平台可以减少外部干扰对摄像机的影响, 使画面更加清晰稳定。图10 (1) ~图10 (3) 为不同稳定平台在摇臂上的应用实例。
3 国内设备研制和应用现状
3.1 国内应用现状
国内对陀螺摄像稳定平台的关注较晚, 大约上世纪90年代, 才有部分影视单位开始引进陀螺稳定平台, 但对陀螺稳定平台的认识远不及国外。有的影视公司引进了国外陀螺稳定平台, 开展租赁业务, 但由于国外的技术封锁和限制, 引进的多为性能较低的平台。对于稳定性能更好的高端设备, 国外公司通过只租不卖的方式赚取高额的租赁费用。在奥运会、世博会、亚运会等大型体育赛事和活动的转播以及电影电视节目拍摄中, 国内只能租赁国外的陀螺摄像稳定平台, 且设备必须由其技术人员亲自操作, 使用受到较大限制。
3.2 国内设备研制情况
经过几十年的发展, 国内在陀螺稳定技术上有了长足的进步, 但和国外先进水平还有一定差距。而且国内多关注陀螺稳定平台在军事上的应用, 对其在影视拍摄领域的广阔应用前景缺乏了解。由于国内影视行业的快速发展, 对陀螺摄像稳定平台的需求也越来越广泛, 但国内缺乏自研产品, 导致陀螺稳定平台的应用只能受制于国外。
近年来, 航天控制仪器研究所发挥在惯性技术领域的专长, 开展了陀螺稳定技术在影视行业的应用研究, 研制了多款陀螺摄像稳定平台。其中, 车载摄像稳定平台 (图11) 采用陀螺稳定伺服控制, 能实现广播级摄像机在二维空间的稳定和操控, 已经成功应用于厦门马拉松、北京马拉松、广州亚运会皮划艇比赛以及马拉松等多项大型体育赛事直播中;全姿态影视吊舱 (图12) 可实现三轴的陀螺稳定和操控, 可搭载在悬索、飞机等运动载体上, 已成功应用于新版西游记外景航拍、央视“欢乐中国行”、“2010芜湖中秋晚会”等电视拍摄和大型活动转播中。
4 总结与展望
陀螺摄像稳定平台可以隔离移动载体角运动对摄像机的影响, 提供良好的摄像环境, 提高图像画面的清晰度。因此, 陀螺摄像稳定平台是影视行业不可或缺的设备, 应用前景广阔。目前, 国内与国外技术差距较大, 国外又采取技术封锁和限制措施, 为了满足快速发展的影视行业对陀螺摄像稳定平台的迫切需求, 国内应立足于自主研制、自主创新, 摆脱国外的垄断和束缚。本文综述了国内外陀螺摄像稳定平台的研制和应用现状, 指出了国内外的技术差距, 旨在引起国内的广泛关注, 自主研制开发陀螺摄像稳定平台, 拓展国内陀螺稳定技术在民用影视行业的应用。
摘要：本文介绍了陀螺摄像稳定平台的不同分类方法, 阐述了被动式和主动式陀螺稳定平台的系统组成和工作原理, 归纳了国外典型设备及其实际应用情况, 分析和总结了国内陀螺稳定平台在影视拍摄中的应用现状和研制情况以及与国外的差距, 并介绍了两款国内自研稳定平台的应用情况, 最后指出了加快自主研发的紧迫性, 并展望了应用前景。
关键词：陀螺,陀螺稳定平台,吊舱,影视,摄像
参考文献
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[5]丁楠, 蒋鸿翔等.车载摄像稳定平台控制系统.中国, CN 101872196 A[P].2010-10-27.
陀螺寿命自动测试系统设计与实现 篇8
1 硬件系统设计部分
1.1 硬件系统主要功能模块
(1) 陀螺供电电压监测。
长寿命挠性陀螺需要供电电源为三相20 V,250 Hz AC和±15 V及28 V DC,系统工作首先对供电电压进行测量,在电源工作正常范围之内才能进行工作,在系统工作过程中,对电源电压同样进行实时监控,电源出现异常或超出工作范围时,系统立即关断陀螺供电电源。
(2) 测温电阻检测。
系统对陀螺温度进行检测,利用陀螺温度与测温电阻的线性关系,通过高精度测温电阻可对陀螺工作温度进行精确测量。本陀螺标定温度为800 Ω,工作温度为800～1 050 Ω。
(3) 陀螺消耗电流检测。
陀螺在开始工作时,陀螺转子加速度较大,消耗电流较多,工作一段时间后趋于正常,工作电流减小,并稳定于一定的值附近。
(4) 陀螺力矩器输出电流检测。
陀螺是绕一支点进行高速旋转的刚体,转动时会产生力矩,系统会对陀螺产生的电流进行检测。
(5) 陀螺供电电源频率检测。
陀螺在进行工作过程中,需要稳定的供电电源,不允许出现幅值超过工作范围的情况,更不允许供电电源频率出现缺相和相位次序混乱的情况,系统会对陀螺供电电源频率进行监控,一旦出现异常,系统会立即切断对陀螺的供电电源。
1.2 硬件系统的主要构成
液浮积分陀螺寿命跑合台由以下部分组成:被测陀螺仪、仪器机柜、精密多功能电源、温控电源、工业控制计算机、信号调理电路板卡、数据采集卡以及连接电缆。各种电源都进行了地线隔离,各信号调理电路板卡之间的数字模拟信号相互独立,最终通过数据采集卡送入工控机处理,系统总体结构图,如图1所示。
(1) 电源系统:
给陀螺供电的20 V三相工作电源和回路板的15 V回路电源,以及给陀螺加温的28 V电源;
(2) 温控电源:
陀螺在工作期间,需要对其先进行加温,当陀螺处于稳定工作区间时,对其温度进行保温,此电源提供功率管前置桥式加温偏置电压所需要的+15 V温控电压;
(3) 电源检测模块:
监测电源系统的工作情况,将采集到的交流信号进行比例放大,积分;将采集到的交流信号进行滤波放大送至计算机,计算机分析采集到的数据,对不正常的数据进行切断相应继电器的操作,保护陀螺不受损害;
(4) 三相机电电流及陀螺输出检测模块:
实时监测检测陀螺工作过程中的三相电流、陀螺输出电流和工作电流的大小、进行采集、比例放大、送数据采集卡并在软件部分进行分析;
(5) 测温及回路电压测量模块:
对陀螺工作时的温度进行实时监控,采用检测恒流源在精密温度电阻上的电压变化来实现。
2 软件系统设计部分
2.1 软件系统功能模块
该系统是一个无人值守的长寿命陀螺运行情况监控系统,其主要功能为:
(1) 陀螺及电源参数的设定:对陀螺供电电源及工作参数进行设定,设定在正常工作的参数范围内,使其能够长期稳定的工作;
(2) 陀螺电源运行参数的显示:根据陀螺供电电源参数的设定,确保供电电源运行于工作允许的参数范围内,当供电电源出现故障时,先切断对各个陀螺的供电,确保陀螺安全;
(3) 参与实验的陀螺运行参数显示:根据陀螺运行过程中的参数设定,使其运行于正确的工作区间,当参数出现异常时,软件对相应的参数进行处理,同时根据异常程度,控制陀螺供电电源,确保安全使用;
(4) 陀螺及电源参数的存储备份:在陀螺运行过程中,对其工作参数及供电电源参数进行实时存储,使用SQL2000数据库进行存储,并能够方便查看;
(5) 对陀螺及电源异常情况的监控:当陀螺工作参数超过设定正常参数的一倍至两倍区间时,系统自动记录数据于异常数据表中,同时若陀螺参数于1分钟内没有恢复正常,自动切断陀螺供电电源;当陀螺参数超过正常值2倍或供电电源超过允差值时,系统记录出错数据,同时切断陀螺供电。
2.2 数据库设计
系统数据库表的设计:根据上述设计思路,系统需要至少5个数据库表:login.mdb表、colset.mdb表、tlno.mdb表、userecord.mdb表、陀螺数据表和errrecord.mdb表:
系统数据库结构:所有表格均在tlsjk(陀螺数据库)下,其中陀螺数据表由用户在测试前自行创建,创建成功时会自动将该表名以及该表名对应的陀螺测试通道记录到tlno表,查询数据时也是先从tlno表获得表名称,然后再定位到对应数据表进行相关数据条件的查询并显示结果。
2.3 系统程序设计
系统数据采集部分控制软件的设计,数据采集采用研华科技的PCL-1716卡和PCI-722卡。这两个卡带有相关驱动,支持Delphi 7.0软件对其控制,本设计利用Delphi 7.0自带的Timer控件,循环对PCL-1716卡的模拟端口进行扫描,获得该卡从硬件系统采集的模拟量数据。同时1716卡自身带有对数字量的采集,编写GetFrequency函数对电机频率进行采集,同采集到的模拟量一起显示到桌面平台上。
模拟量采集(ParaCollect函数):该函数通过两个卡得到待采集参数。然后在Timer控件中循环调用该函数以得到对应参数的多次平均值进行显示,将该函数采集到的参数再经过软件处理,实时显示在用户观测界面上。频率采集(GetFrequency函数)PCI-1716卡不仅具有模拟量采集的功能,同时其自身具有16位数字输入和16位数字输出功能。文中利用其数字输出功能向频率测量卡发送选通信号,同时利用其16位的数字输入接口来获得当前频率并进行显示。由于频率值较大,8位数字量无法达到其最大值,所以用两个口进行分次采集,再组合成16位输出。
软件控制部分的软件设计:对系统的控制函数以及参数采集函数的设计都是利用PCI-1716和PCL-722提供的对Delphi的驱动进行设计,该驱动可以很好的完成数字量I/O以及模拟量输入的功能。将其驱动函数进行包装,设计出适合的控制和采集函数。系统控制由对继电器的控制及读取其状态组成。此处根据PCL-722卡的驱动特点设计了两个函数来实现:控制码的发送(CardDo函数)、继电器状态的读取(Carddi函数)。
陀螺参数存储的设计:文中采用Delphi 7.0自带的数据库链接控件adoquery和adoconnection来实现与SQL server的链接及数据储存任务。
3 结束语
简述了长寿命饶性陀螺寿命试验自动测试系统的软硬件设计原理与实现方式,该系统已经应用于多个航天航空陀螺仪的寿命测试实验中,长时间运行已经超过2 000小时,均正常稳定工作,经受了可靠性与稳定性的考验;在使用过程中发现系统还存在不少需要改进的地方,比如对海量数据的分析、对采集精度的提高,仍然是一个努力的方向。
摘要：阐述了某型号积分陀螺寿命试验自动测试系统的软硬件设计原理,该系统的主要参数测试可以分为:检测、性能分析、寿命分析、故障判断、数据存储和查询等。设备具有可以长期连续地无人值守地完成寿命试验数据的采集、显示、判读、通讯、贮存、管理等工功能,异常时可根据故障类型自动进行处理,确保陀螺安全。
关键词：光学工程,陀螺,自动测试系统,硬件设计,软件设计
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陀螺稳定系统 篇9
1 微惯性测量系统的硬件设计
1.1 硬件系统总体设计
实时记录弹体内通过测量的加速度和角速度是惯性测量系统硬件部分的主要任务, 微惯性测量单元的硬件部分主要由电源控制器、中心控制器、Flash存储器、三轴陀螺、三轴加速度计、适配放大滤波电路和接口电路组成, 如图1所示。
由于A/D转换器的输入范围为0 V~2.5 V, 但是传感器的输出范围在0 V~5 V, 所以在信号从传感器输出以后, 需要将信号缩小到A/D转换器可接受的范围。本文采取了电阻分压的方式进行信号缩小, 缩小到0 V~2.5 V的信号被输入A/D转换器, 信号转换为数字信号, 并存入Flash存储器。实验完成后装置从弹体中取出, 并经过上位机读取数据后进行信号处理、解算和输出[1,2,3]。
本文中微惯性测量单元的性能指标要求工作温度在-40℃~60℃, 角速度测量范围:X, Y, Z:±2 000°/s, 加速度测量范围:±50 g, 分辨率为12 bit, 采样频率50 k Sa/s, 技术实践60 s记录通道为8通道, 存储容量48Mbyte, 陀螺传感器精度≤0.5%FR;加速度传感器精度≤0.5FR, USB接口为上位机接口方式, 数据保持时间≥72 h。
1.2 微惯性测量系统的状态设计
介于设备使用的要求和条件, 以及电路设计的原理, 通常在进行设计测试系统时要先完成功能设计, 而后进行状态设计, 最后进行整体电路设计[4,5]。图2为微惯性测量单元状态设计图, 状态设计分为待上电、初始化、顺序记录、等待读数、读数、擦除六种状态。
1) 待上电:电池开始为电源控制芯片供电, 等待上电信号。此状态下, 电流标准设置为20μA左右, 为达到低功耗要求, 只有MAX894L和CPLD电源管理芯片接通电源, 装置的上电方式为断线上电。
2) 初始化:复位信号会在断线上电后在电路中产生, 对CPLD进行复位操作。系统设定为保持上电信号1 s以上电路才进行上电, 主要原因是为了避免电路中产生的毛刺使电路误上电。
3) 顺序记录:时间60 s, 长度48Mbyte, 此状态需保证Flash存储器中的数据已被擦除过, 且电路进行断电上电, 数据记录成功后, 进入低功耗状态, 自动关闭传感器电源, 等待读数。
4) 等待读数:等待与上位机相连, 此时系统不再进行任何数据的记录和存储。
5) 读数:装置在与上位机连接后, 发出读数指令, 唤醒单片机, 设备接收指令后, AD总线进入高阻态, CPLD总线同步进入到输出状态, 读出存储设备中数据。读数完成后, 既可以进入擦除状态, 也可以直接下电。
6) 擦除:上位机对Flash存储器发擦除命令, 进行按块擦除。此状态需要在数据读出后进行。
2 传感器的选择
2.1 陀螺传感器的选择
由于相比于传统陀螺仪, MEMS陀螺具有重量轻、体积小、结构坚固、抗冲击强等特点, 故本文选择MEMS陀螺作为微惯性测量单元的传感器。
MEMS陀螺的工作原理是随着三个轴角速度的变化而输出不同的电压信号, 此信号在经过A/D转换器后以数字信号存储在Flash存储器中, 之后通过上位机软件将信号读取到计算机并解算成需要的参数值。
由于成本、体积、速度等方面的考虑, 且要求设备在随着时间和温度变化的条件下依然能够保持较好的稳定性和可靠性, 本文选择采用MEMS技术芯片的西安精准测控公司生产的PA-3ARG系列固态角速率陀螺, 其是一种具有高可靠性和高封装坚固性的三轴角速度传感器。
2.2 加速度传感器的选择
由于:a=f/m, 即:加速度=惯性力/质量, 可知加速度可以通过测量惯性力的方式被计算出来。而惯性力可以通过电磁力来平衡, 电磁力和电流又存在着比例关系, 可以通过实验得出惯性力和电流的关系, 信号处理电路记录电流便可通过惯性力得出加速度[6]。
由于功耗、体积、稳定性和精度方面的考虑, 本文选用Analog Device公司的ADXL系列的加速度传感器[7]。
3 微惯性测量系统的上位机软件设计
Lab VIEW软件是一款提供直觉式开发环境的软件, 且其拥有丰富的数据采集、分析和存储等相关函数。本文选用Lab VIEW软件作为数据采集系统的设计开发软件。
3.1 软件主界面
在充分考虑人机界面要与以往软件风格的衔接及人们实际操作习惯等因素的条件下, 本系统软件界面如图3。
软件图形界面的左边是波形图空间, 用来显示数据得出的波形, 可以通过Lab VIEW软件的波形显示控件直接显示多种波形, “采样长度”控件记录采集的数据量, 以MB为单位, “采样读数”控件对设备内的数据进行读取, “打开文件”控件用于打开以前的数据, “通道选择”控件查看不同通道中的数据波形。
3.2 程序各部分功能
主程序主要由程序初始化部分, 主体部分和程序退出部分三部分组成。主体部分是用来响应用户各种操作的一个带While循环的事件结构。
根据系统要求设计了数据采集子程序、读取二进制文件子程序、数据转换子程序和通道选择子程序。
通过数据采集子程序及读取二进制文件子程序发送读数指令和读取二进制文件 (.dat文件) , 并输出成为一维数据。再用数据转换子程序将.dat文件从8位转换为16位, 并处理得到12位A/D转换的结果。
通道选择子程序能够将得到数据的一维数组, 按照8个通道分成8个数组, 并且按照用户选择的通道进行输出。
3.3 模块化程序设计
为了使主程序能够简单易读的同时又方便分开调试, 且不容易出错, 采用了子VI的方法。采样读数、读取文件、数据转换、通道选择的程序分别封装成子VI, 分别调用不同的子VI, 就能分别实现其对应功能。节省了工作路径的同时, 也提高了运行速度和稳定性。
3.4 事件结构
事件结构能够根据用户的不同动作去执行不同的程序, 是当今主要的人机界面设计方法之一。由于事件通常需要多次执行, 而不是只执行一次, 所以通常情况下事件结构需要配合While循环一同使用。相比于不断循环判断触发条件的轮询结构, 事件结构等待触发的特点能够节省大量的系统资源。
3.5 错误处理
软件设计人员需要对软件有全面的了解, 在软件发生问题的时候, 能够迅速找到问题发生的地方, 作为Lab VIEW编程中重要的一环, 软件本身提供了错误输入和错误输出控件, 通过这两个控件, 可以方便地进行错误处理。
如图4所示, 本次软件设计中, 使用了错误输入簇和错误输出簇, 程序框图最左边是错误输入簇, 之后数据流经过程序初始化部分、主循环事件结构部分、程序结束部分, 最后在错误输出簇部分结束。这样设计出来的程序, 体现了数据流编程的思想, 不但能够使程序按照数据流的方向执行, 而且能够很好地处理程序各个部分产生的错误。
4 实验结果
为了验证微惯性测量系统的性能, 利用三轴无磁性转台模拟弹体的飞行姿态。以X轴为例:如图4为两个传感器采集到的X轴信号。将采集到的三轴信号进行后续的解算即可得到需要的飞行参数。
5 结论讨论
采用陀螺和加速度计的微惯性测量系统体积小、功耗低, 能很好地实现对飞行体姿态的数据采集, 可以满足测量单元性能指标的要求。两种传感器信息的融合使得精度更高, 误差减小。该测试系统适用于很多场合, 后续将采集到的数据利用算法软件进行处理分析, 便可以解算出姿态测试所需要的参数, 有进一步研究的意义和必要性。同时, 在试验过程中也发现每一次信息的读取都需要将测试装置拆下来连接数据线读取, 若能在系统中集成小型无线数据传输模块, 便可能解决这个问题。这也是后续为提高工作效率需要改进的。
摘要：主要介绍了陀螺和加速度计的微惯性测量单元的硬件设计以及Lab VIEW上位机软件的设计。硬件设计介绍了测量系统的总体设计、状态设计和陀螺、加速度传感器的选择。软件设计介绍了软件主界面、程序各部分功能、模块化程序设计、事件结构及错误处理。最后将测量系统安装到无磁性转台进行模拟飞行试验, 并将系统中的数据采集到上位机软件进行分析。该系统满足测量三轴信息的需求, 同时兼顾了测试系统小型化低成本的要求。
关键词：惯性测量,微惯性测量单元,陀螺,加速度计
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