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一種陀螺進(jìn)動控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種陀螺進(jìn)動控制裝置，包括：預(yù)處理電路；微控制器，完成進(jìn)動位置信息和進(jìn)動控制信息之間的映射，利用脈寬調(diào)制技術(shù)將進(jìn)動控制信息通過改變脈寬調(diào)制的占空比轉(zhuǎn)換成正弦波；低通濾波器和功率放大器。一種陀螺進(jìn)動控制方法，包括以下步驟：查詢陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動周期到來；如果到來，則測量陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；如果沒到來，則返回步驟查詢脈寬調(diào)制間隔是否到來；接收上位機(jī)的進(jìn)動位置信息；將陀螺進(jìn)動位置信息與進(jìn)動控制信號進(jìn)行映射；查詢脈寬調(diào)制間隔是否到來；如果到來，則輸出脈寬調(diào)制波；如未到來，則返回查詢陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動周期到來。本發(fā)明提高了陀螺進(jìn)動的控制精度；節(jié)約了成本，減少了電路復(fù)雜度；降低了算法的復(fù)雜度。
【專利說明】一種陀螺進(jìn)動控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陀螺進(jìn)動控制技術(shù)，具體地說是一種陀螺進(jìn)動控制的方法及裝置，應(yīng)用于頻率測量和陀螺進(jìn)動控制等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空、航海、航天和工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的意義。位置和頻率測量是陀螺速度穩(wěn)定控制領(lǐng)域當(dāng)中兩個輸入，這兩個輸入是進(jìn)動控制的基礎(chǔ)。進(jìn)動特性是陀螺的一個重要特性，利用該特性可以實現(xiàn)陀螺的定向偏轉(zhuǎn)，具體可以應(yīng)用在導(dǎo)航等領(lǐng)域。
[0003]在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，通常利用慣性系作為陀螺進(jìn)動的基準(zhǔn)，當(dāng)陀螺移動時會影響進(jìn)動精度；采用DAC模塊生成正弦波，這樣增加了硬件成本；在進(jìn)動控制中，采用算法計算進(jìn)動方位和幅度與進(jìn)動控制信號的幅度和相位的映射關(guān)系，占用微控制器的資源，算法實時性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種陀螺進(jìn)動控制的方法及裝置。
[0005]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種陀螺進(jìn)動控制裝置，包括:順序連接的預(yù)處理電路、微控制器、低通濾波器、功率放大器和陀螺驅(qū)動；預(yù)處理電路:將來自傳感器的陀螺反饋信息進(jìn)行放大整形后輸出至微控制器；微控制器:接收上位機(jī)的進(jìn)動位置信息，完成進(jìn)動位置信息和進(jìn)動控制信息之間的映射，利用脈寬調(diào)制技術(shù)將進(jìn)動控制信息通過改變脈寬調(diào)制的占空比轉(zhuǎn)換成正弦波；低通濾波器:將微控制器輸出的正弦波濾掉高頻成分；功率放大器:將低通濾波器的控制信號進(jìn)行放大后輸出至陀螺驅(qū)動使陀螺進(jìn)動。
[0006]所述陀螺反饋信息包括陀螺轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。
[0007]所述進(jìn)動控制信息包括陀螺轉(zhuǎn)子的頻率、幅度和相位。
[0008]所述進(jìn)動控制信息中的頻率根據(jù)陀螺反饋信息的轉(zhuǎn)速得出。
[0009]一種陀螺進(jìn)動控制方法，包括以下步驟:
[0010]I)查詢陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動周期是否到來；
[0011]2)如果到來，則測量陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；如果沒到來，則返回步驟5)；
[0012]3)接收上位機(jī)的進(jìn)動位置信息，包括陀螺轉(zhuǎn)子的幅度和方位；
[0013]4)在進(jìn)動位置信息與進(jìn)動控制信息之間進(jìn)行插值映射；所述進(jìn)動控制信息包括陀螺轉(zhuǎn)子的頻率、幅度和相位。
[0014]5)查詢脈寬調(diào)制間隔是否到來；
[0015]6)如果到來，則輸出脈寬調(diào)制波；如未到來，則返回步驟I);
[0016]7)脈寬調(diào)制的正弦波經(jīng)低通濾波器濾掉高頻成分，再通過功率放大器進(jìn)行信號放大后輸出至陀螺驅(qū)動使陀螺進(jìn)動。
[0017]所述步驟4)對進(jìn)動的位置和進(jìn)動控制信息進(jìn)行插值映射包括以下步驟:
[0018]A.對陀螺進(jìn)動的幅度和相位數(shù)據(jù)中的特殊點做成二維表；
[0019]B.在二維表中搜索離設(shè)定的進(jìn)動幅度和相位最近的兩個點；
[0020]C.利用線性插值的方法進(jìn)行插值，得到進(jìn)動控制信息的幅度和相位。
[0021]7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種陀螺進(jìn)動控制方法，其特征在于:
[0022]所述特殊點為在陀螺頂面上不同半徑的同心圓圓周與不同圓心角的交點。
[0023]所述脈寬調(diào)制間隔是通過定點采樣設(shè)定的。
[0024]所述輸出脈寬調(diào)制波包括以下步驟:
[0025]c.將映射所得的正弦波幅度轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的最大占空比；
[0026]d.將映射所得的正弦波相位與陀螺反饋的位置信息中的方位進(jìn)行比較，將所得相位差數(shù)字化并轉(zhuǎn)換為時間差，該時間差作為脈寬調(diào)制的50%占空比時刻；
[0027]c.將陀螺反饋的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率，作為占空比改變一個周期的頻率，即可得到高頻調(diào)制的正弦波。
[0028]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0029]1.本發(fā)明利用陀螺反饋信號測量陀螺轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速作為陀螺進(jìn)動的參考基準(zhǔn)，提高了陀螺進(jìn)動的控制精度。
[0030]2.本發(fā)明利用脈寬調(diào)制技術(shù)生成正弦波，節(jié)約了成本，減少了電路復(fù)雜度。
[0031]3.本發(fā)明利用線性插值技術(shù)將進(jìn)動幅度和方位與進(jìn)動控制信號的幅度和相位進(jìn)行映射，降低了算法的復(fù)雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明硬件原理示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明脈寬調(diào)制生成正弦波原理示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明進(jìn)動幅度方位與進(jìn)動控制信號映射原理示意圖；
[0035]圖4為本發(fā)明陀螺進(jìn)動控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0037]采用信號處理技術(shù)對陀螺反饋信號進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理過的反饋信號分別處理成速度反饋和轉(zhuǎn)子反饋并輸入微處理器，通過處理和計算得當(dāng)前時刻陀螺的位置和轉(zhuǎn)速，根據(jù)實時輸入的進(jìn)動方向和幅度調(diào)整進(jìn)動信號，然后經(jīng)過功率放大器進(jìn)行輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)動控制。
[0038]如圖1所示，陀螺反饋信號經(jīng)過電壓跟隨器、放大等預(yù)處理后，輸入微處理器作為進(jìn)動控制信號的參考基準(zhǔn)，并用該信號的頻率作為進(jìn)動控制信號的頻率；進(jìn)動的方位及幅度信息輸入微控制器后，根據(jù)預(yù)先儲存過的信息進(jìn)行插值得出進(jìn)動控制信號的幅度和相位；利用脈寬調(diào)制技術(shù)將進(jìn)動控制信號的頻率、幅度和相位信息通過改變脈寬調(diào)制的占空比變成調(diào)制過的正弦波，然后經(jīng)過低通濾波取出高頻成分，最后經(jīng)過功放來驅(qū)動陀螺進(jìn)動。微控制器采用TMS320F28335，低通濾波器采用二階巴特沃斯濾波器，功率放大器采用0PA544。
[0039]如圖2所示，利用脈寬調(diào)制模塊來生成的正弦波并非真正的正弦波，而是高頻調(diào)制的正弦波，其中正弦波的幅度決定了脈寬調(diào)制的最大占空比，二者為線性關(guān)系，正弦波的相位須和基準(zhǔn)信號(測量的陀螺位置信息)進(jìn)行比較，并將相位差數(shù)字化，變成時間差，改時間差決定了脈寬調(diào)制模塊的50%占空比的時刻，正弦波的頻率就是占空比改變一個周期的頻率，這樣高頻調(diào)制的正弦波就得以生成。
[0040]如圖3所示，陀螺進(jìn)動的幅度和方位與陀螺進(jìn)動控制信號的幅度和相位并不一致，二者有特定的復(fù)雜映射關(guān)系，在實際應(yīng)用過程中，為了簡化計算過程，將某些特殊點的映射做成64X64的二維表，將進(jìn)動幅度和進(jìn)動方位分別在該表中搜索距離輸入信息最近的兩個點，然后利用線性插值的方法進(jìn)行插值，得到進(jìn)動控制信息的幅度和相位。其中，特殊點為在陀螺頂面上不同半徑的同心圓圓周與不同圓心角的交點，本實施例采用陀螺頂面圓心為圓心，陀螺頂面圓周為最大圓周，以陀螺頂面的1/3和2/3半徑畫圓，并以圓心為原點，在圓面上設(shè)定y軸和z軸，y軸為O度,取圓心角為45° ,90°…360°的半徑,上述半徑與不同半徑的圓周相交的點采取為特殊點。
[0041]如圖4所示，系統(tǒng)上電后，首先對微控制器外圍設(shè)備及其硬軟件的參數(shù)進(jìn)行初始化，然后查詢，陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動周期到來，如果沒到來，則查詢脈寬調(diào)制的間隔是否到來，如果到來，則測量陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，接下來確定需要進(jìn)動的位置(本實施例通過串口接收上位機(jī)的需要進(jìn)動的位置信息)，然后把進(jìn)動的位置和進(jìn)動控制信息進(jìn)行映射，完成進(jìn)動控制信息的幅度、頻率和相位三要素了，在來查詢脈寬調(diào)制間隔是否到來，到來則輸出脈寬調(diào)制波，沒有到來則查詢陀螺轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)動周期是否到來。其中，脈寬調(diào)制的間隔通過定點采用得到，在一個周期的正弦波內(nèi) 設(shè)定256個點，正弦波周期除以256即得到脈寬調(diào)制的間隔。
【權(quán)利要求】
1.一種陀螺進(jìn)動控制裝置，其特征在于包括:順序連接的預(yù)處理電路、微控制器、低通濾波器、功率放大器和陀螺驅(qū)動； 預(yù)處理電路:將來自傳感器的陀螺反饋信息進(jìn)行放大整形后輸出至微控制器； 微控制器:接收上位機(jī)的進(jìn)動位置信息，完成進(jìn)動位置信息和進(jìn)動控制信息之間的映射，利用脈寬調(diào)制技術(shù)將進(jìn)動控制信息通過改變脈寬調(diào)制的占空比轉(zhuǎn)換成正弦波； 低通濾波器:將微控制器輸出的正弦波濾掉高頻成分； 功率放大器:將低通濾波器的控制信號進(jìn)行放大后輸出至陀螺驅(qū)動使陀螺進(jìn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺進(jìn)動控制裝置，其特征在于: 所述陀螺反饋信息包括陀螺轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺進(jìn)動控制裝置，其特征在于: 所述進(jìn)動控制信息包括陀螺轉(zhuǎn)子的頻率、幅度和相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺進(jìn)動控制裝置，其特征在于: 所述進(jìn)動控制信息中的頻率根據(jù)陀螺反饋信息的轉(zhuǎn)速得出。
5.一種陀螺進(jìn)動控制方法，其特征在于包括以下步驟: 1)查詢陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動周期是否到來； 2)如果到來，則測量陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；如果沒到來，則返回步驟5)； 3)接收上位機(jī)的進(jìn)動位置信息，包括陀螺轉(zhuǎn)子的幅度和方位； 4)在進(jìn)動位置信息與進(jìn)動控制信息之間進(jìn)行插值映射；所述進(jìn)動控制信息包括陀螺轉(zhuǎn)子的頻率、幅度和相位。 5)查詢脈寬調(diào)制間隔是否到來； 6)如果到來，則輸出脈寬調(diào)制波；如未到來，則返回步驟I)； 7)脈寬調(diào)制的正弦波經(jīng)低通濾波器濾掉高頻成分，再通過功率放大器進(jìn)行信號放大后輸出至陀螺驅(qū)動使陀螺進(jìn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種陀螺進(jìn)動控制方法，其特征在于: 所述步驟4)對進(jìn)動的位置和進(jìn)動控制信息進(jìn)行插值映射包括以下步驟: A.對陀螺進(jìn)動的幅度和相位數(shù)據(jù)中的特殊點做成二維表； B.在二維表中搜索離設(shè)定的進(jìn)動幅度和相位最近的兩個點； C.利用線性插值的方法進(jìn)行插值，得到進(jìn)動控制信息的幅度和相位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種陀螺進(jìn)動控制方法，其特征在于: 所述特殊點為在陀螺頂面上不同半徑的同心圓圓周與不同圓心角的交點。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種陀螺進(jìn)動控制方法，其特征在于: 所述脈寬調(diào)制間隔是通過定點采樣設(shè)定的。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種陀螺進(jìn)動控制方法，其特征在于: 所述輸出脈寬調(diào)制波包括以下步驟: a.將映射所得的正弦波幅度轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的最大占空比； b.將映射所得的正弦波相位與陀螺反饋的位置信息中的方位進(jìn)行比較，將所得相位差數(shù)字化并轉(zhuǎn)換為時間差，該時間差作為脈寬調(diào)制的50%占空比時刻； c.將陀螺反饋的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率，作為占空比改變一個周期的頻率，即可得到高頻調(diào)制的正弦波。
【文檔編號】G01C19/04GK103712611SQ201210375749
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月29日
【發(fā)明者】王恩德, 佟新鑫, 朱丹, 劉曉安, 王旭, 栗蕭峰 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所