船用稳定平台运动规划算法研究
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摘要
船舶在大海中航行时受到风、浪、涌等扰动作用,影响其搭载设备的姿态稳定性。船用稳定平台作为位置随动装置,能实时的测量船体的姿态变化,通过镜像运动隔离船舶的纵横摇扰动影响,从而保证其搭载设备在惯性空间中水平稳定。近几年来,随着各国在军事装备及民用产品方面的技术发展,稳定平台也得到了越来越广泛的应用。本文以二轴船用稳定平台运动控制系统为研究背景,着重对稳定平台伺服控制系统进行了分析与设计,深入讨论了稳定平台运动位置姿态预测及运动速度规划算法,并进行了相应的实验验证。本文主要研究内容如下：
首先,介绍了稳定平台伺服控制系统的设计指标,并对其功能及扰动隔离原理进行了分析；完成了伺服控制系统的总体设计,并着重对基于DSP的伺服主控制器进行了硬件电路设计和软件控制程序设计。
其次,为了减少GPS姿态测量数据的噪声和闭环系统的时延对稳定平台控制精度的影响,分析了几种数据平滑滤波和平台姿态预测的方法,并对各种方法分别进行了VC++6.0软件仿真及在DSP主控制器上的实验验证。以算法的实时性和位置精度为准则,最终确定以滑动平均滤波算法进行数据平滑滤波,以Kalman滤波预测算法进行姿态预测。
然后,为了稳定平台运动速度的平稳连续性,对其运动速度规划算法进行了深入研究。分析了各种常用的加减速算法,结合稳定平台运动控制特点,分别进行了基于T型和S型的稳定平台速度规划算法设计,并通过在DSP主控制器上的实验验证,最终确定基于S型的速度规划算法为最优方案。
最后,完成了对稳定平台伺服系统的伺服闭环参数的调试,得到了伺服系统与机械台体的最佳匹配状态；制定了稳定平台运动规划算法实验方案,并针对不同海况下的运动规划算法的控制精度进行实验验证,获得了良好的效果；将整个稳定平台系统进行联机调试,得到了较小的系统控制误差,证明本文设计满足技术指标要求。
Sailing in the ocean, ships are suffered from the wind, wave, surge and other disturbances, which would affect the gesture stability of the carried instruments. Stabilized platform of ship can Real-time measures the variation of ship gesture, via doing a mirror image motion to segregate the effects of ship's rolling and pitching. In recent years, with the development of defense weaponry equipment and production of goods for civilian use technology, Stabilized platform applications are becoming more and more widely. This paper is under the background of two-axis stabilized platform's servo control unit research, the scheme of servo control is analysed and designed; the position and gesture forecast algorithm and speed planning algorithm of stabilized platform's servo control are discussed. Following are the main works and the result of the thesis:
Firstly, the criteria for system design of stabilized platform is introduced, the function and segregating principle of stabilized platform are analysed.And then, the hardware circuit and software module of main servo controller of stabilized platform are designed in detail.
Secondly, to reduce the noise effects of GPS data and the time delay influences of closed-loop system, multiple smoothing filtering and gesture forecast algorithms are analyzed. All algorithms are executed on the VC++6.0 software and DSP main servo controller. Under the principle of real time and the accuracy of stabilized platform control, the Moving-average filtering and Kalman filtering methods are selected.
Thirdly, to maintain the smooth and steady of platform's running speed, speed planning algorithms are researched in depth. Frequently-used acceleration and deceleration algorithms are discussed, then the based on T type and S type speed planning algorithms are designed. With the result of experiments, the S type speed planning algorithm is the best choice for this paper.
Lastly, the parameters of servo closed-loop system of stabilized platform are set, which match with the machinery in optimum behavior. The scheme of motion planning algorithm experiments are drafted, which are carried out with different sea states GPS data and obtained a good result. Finally, all components of stabilized platform are joined together to check the precise of whole control system, the control errors are under the technical data which are satisfied with design requirements.
首先,介绍了稳定平台伺服控制系统的设计指标,并对其功能及扰动隔离原理进行了分析；完成了伺服控制系统的总体设计,并着重对基于DSP的伺服主控制器进行了硬件电路设计和软件控制程序设计。
其次,为了减少GPS姿态测量数据的噪声和闭环系统的时延对稳定平台控制精度的影响,分析了几种数据平滑滤波和平台姿态预测的方法,并对各种方法分别进行了VC++6.0软件仿真及在DSP主控制器上的实验验证。以算法的实时性和位置精度为准则,最终确定以滑动平均滤波算法进行数据平滑滤波,以Kalman滤波预测算法进行姿态预测。
然后,为了稳定平台运动速度的平稳连续性,对其运动速度规划算法进行了深入研究。分析了各种常用的加减速算法,结合稳定平台运动控制特点,分别进行了基于T型和S型的稳定平台速度规划算法设计,并通过在DSP主控制器上的实验验证,最终确定基于S型的速度规划算法为最优方案。
最后,完成了对稳定平台伺服系统的伺服闭环参数的调试,得到了伺服系统与机械台体的最佳匹配状态；制定了稳定平台运动规划算法实验方案,并针对不同海况下的运动规划算法的控制精度进行实验验证,获得了良好的效果；将整个稳定平台系统进行联机调试,得到了较小的系统控制误差,证明本文设计满足技术指标要求。
Sailing in the ocean, ships are suffered from the wind, wave, surge and other disturbances, which would affect the gesture stability of the carried instruments. Stabilized platform of ship can Real-time measures the variation of ship gesture, via doing a mirror image motion to segregate the effects of ship's rolling and pitching. In recent years, with the development of defense weaponry equipment and production of goods for civilian use technology, Stabilized platform applications are becoming more and more widely. This paper is under the background of two-axis stabilized platform's servo control unit research, the scheme of servo control is analysed and designed; the position and gesture forecast algorithm and speed planning algorithm of stabilized platform's servo control are discussed. Following are the main works and the result of the thesis:
Firstly, the criteria for system design of stabilized platform is introduced, the function and segregating principle of stabilized platform are analysed.And then, the hardware circuit and software module of main servo controller of stabilized platform are designed in detail.
Secondly, to reduce the noise effects of GPS data and the time delay influences of closed-loop system, multiple smoothing filtering and gesture forecast algorithms are analyzed. All algorithms are executed on the VC++6.0 software and DSP main servo controller. Under the principle of real time and the accuracy of stabilized platform control, the Moving-average filtering and Kalman filtering methods are selected.
Thirdly, to maintain the smooth and steady of platform's running speed, speed planning algorithms are researched in depth. Frequently-used acceleration and deceleration algorithms are discussed, then the based on T type and S type speed planning algorithms are designed. With the result of experiments, the S type speed planning algorithm is the best choice for this paper.
Lastly, the parameters of servo closed-loop system of stabilized platform are set, which match with the machinery in optimum behavior. The scheme of motion planning algorithm experiments are drafted, which are carried out with different sea states GPS data and obtained a good result. Finally, all components of stabilized platform are joined together to check the precise of whole control system, the control errors are under the technical data which are satisfied with design requirements.
引文
[1]杨睿.机载随动稳定平台伺服控制系统研究.南京航空航天大学硕士学位论文.2009：1-4页
[2]吴树平.车载三轴稳定平台控制系统的研制.南京理工大学硕士学位论文.2007：1-6页
[3]郭新胜.车载稳定平台伺服控制系统设计.南京理工大学硕士学位论文.2004：3-8页
[4]徐世东.舰载稳定平台高精度伺服控制系统的设计研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2008：1-4页
[5]周结华.基于运动载体的平台稳定系统控制方法研究.厦门大学硕士学位论文.2009：2-9页
[6]田艳红.车载光电平台稳定系统设计研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2008：3-4页
[7]朱有为.精密稳定跟踪伺服机构的动态设计.国防科学技术的大学硕士学位论文.2003：5-6页
[8]周晓东.预测滤波技术在电视跟踪系统中的应用研究.中国科学院研究生院硕士学位论文.2005：22-24页
[9]杨秀华.预测滤波技术在光电目标跟踪中的应用研究.中国科学院研究生院博士学位论文.2005：2-4页
[10]PaulR.Kalata. a-β Target Tracking Systems:A Survey. ACC/WAM12.1992:832-836P
[11]张忠华,吴孟达.船摇数据实时滤波与预报的时序法.中国惯性技术学报.2000(12)：24-30页
[12]Li Shangyi, Gang Zhao, Keding Zhao, Hongguang Xu, Chunyan Wang. Study on Electro-Hydraulic Position Servo System with High Accuracy. New Achievement in Fluid Power Engineering ('93 ICFP).1993:34-39P
[13]Kaplan,P.,Book,D.H.,and Powell,F.D.,Analog Computer Applications in Predictor Design,IRE Trans.On Elc.Com.,Sep.,Vol.EC-6,No.3,1957
[14]周瑞青,刘新华,史守峡,王开斌著.捷联导引头稳定与跟踪技术.北京：国防工业出版社,2010：1-10页
[15]王连文.机载光电平台的稳定与跟踪伺服控制技术研究.中国科学院博士学位论 文.2002：1-10页
[16]潘玲.光电稳像系统跟踪控制与脱靶量预测方法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009：31-33页
[17]胡昭华.基于粒子滤波的视频目标跟踪技术研究.南京理工大学博士学位论文.2008：11-12,50-52页
[18]姚志军.利用轨迹预测实现深空探测中弱小目标的稳定跟踪.中国科学院研究生院硕士学位论文.2005：37-38页
[19]李铫.红外多目标跟踪技术的研究.中国科学院研究生院硕士学位论文.2005：21-25页
[20]张尚剑,刘永智.用滑动窗多项式拟合法实时船舶运动预测运动目标轨迹.光电工程.2003(8)：24-27页
[21]唐仁圣.空中目标实时跟踪算法研究及系统设计.重庆大学硕士学位论文.2004：27-34页
[22]王璐.船舶导航雷达运动目标跟踪技术研究.大连海事大学硕士学位论文.2009：24-36页
[23]Michel Verhaegen, Paul, Van Dooren.Numerical Aspects of Different KalmanFilter.IEEE.TransactiononAutomaticontrol,1986,31(10):907-917P.
[24]李庆扬,王能超,易大义编.数值分析.武汉：华中科技大学出版社,2001：21-27页
[25]周凤齐,卢晓东编.最优估计理论.北京：高等教育出版社,2009：23-68页
[26]张忠华主编.航天测量船姿态数据处理方法.北京：国防工业出版社,2009：124-133,169-204页
[27]FRANKN.BARNES.Stable Member Equationsof Motion for a Three-AxisGyro Stabilized Platform. DEEE.Transaction On Aerospace And Electronic System, Vol. AES-7.NO.5,1971.
[28]Guo-Shmg Huang and Jyh-Ching Juang.Application of Nonlinear Kalman Filter Approach in Dynamic GPS-Based Attitude Determination. IEEE.1997:1441-1444P
[29]Kalata P R.TheTracking Index:A Generalized Parameter fora-β,a-β-γTarget Trackers.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1984, 20(2):174-182P.
[30]王芳菲.两自由度稳定平台的控制策略分析.大连海事大学硕士学位论文.2009：43-44页
[31]David salmond.Target tracking:Introduction and kalman tracking filter.IEEE.QinetiQ ltd(2001)1:1-16P.
[32]Richard Malueg, Nicholas J. Colella, Dennis Hakala. Stabilized Optical Tracking Platform for Airborne Applications. SPIE Vol.2468/27-38P.
[33]肖龙远.kalman滤波在浮点DSP中的实现研究.万方数据库
[34]谢剑云.数控系统加减速控制方法研究现状.机械管理开发.2009(10)：38-39页
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[38]张得礼,周来水.数控加工运动的平滑处理.航空学报.2006(1)Vo127,No.1：125-130页
[39]马艳歌,贾凯,徐方,李晓.S/T曲线速度规划在定点DSP上的实现.仪器仪表学报.2006(6)：2365-2367页
[40]张碧陶,高伟强,沈列,阎秋生.S曲线加减速控制新算法的研究.机床与液压.2009(10)：27-29页
[41]肖桂敏.运动控制中的复杂轨迹与速度的平滑算法研究.四川大学硕士学位论文.2006：30-31页
[42]刘松国,朱世强,吴文祥.具有时间约束的机械手最优平滑轨迹规划.电机与控制学报.2009(11)：898-902页
[43]冷洪滨,邬义杰,潘晓弘.三次多项式型段内加减速控制新方法.浙江大学学报.2008(8)：1440-1443页
[44]冷洪滨,邬义杰,潘晓弘.三次多项式型微段高速加工速度规划算法研究.计算机集成制造系统.2008(2)：336-339页
[45]徐川,王永章,刘源.多项式加减速控制方法研究.组合机床与自动化加工技术.2009(9)：804-806页
[46]于东,胡韶华,盖荣丽.基于滤波技术的数控系统加减速研究.中国机械工程.2008(9)：42-45页
[47]杨志敏.基于单片机加减速控制算法的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2007：6-10页
[48]盖荣丽,林浒,郑廖默,黄艳.高速加工中速度规划算法的研究与实现.小型微型计算机系统.2009(6)：1067-1070页
[49]苏奎峰,吕强,常天庆,张永秀.TMS320X281xDSP原理及C程序开发.北京：北京航空航天大学出版社,2008：2-3页,160页
[50]赵国勇.数控系统运动平滑处理_伺服控制及轮廓控制技术研究.大连理工大学博士学位论文.2006：13-15页
[51]李晓辉.数控系统柔性加减速控制方法研究及软件开发.浙江大学硕士学位论文.2007：16-18页
[52]N.Tounsi,T.Bailey,M.A.Elbestawi.Identificationof acceleration deceleration profile of feed drive systems in CNC machines.International Journal of Machine Tool & Manufacture 2003(43):441-451P
[53]Jae Wook Jeon,Young Youl Ha.A Generalized Approach for the Acceleration and Deceleration of Industrial Robots and CNC Machine Tools.IEEE.2000:133-139P
[54]N.Tounsi,M.A.Elbestawi.Optimized feed scheduling in three axes machining. Part Ⅰ:Fundamentals of the optimized feed scheduling strategy.International Journal of Machine Tools & Manufacture.2003:257-263P
[55]Paul Lambrechts,Matthijs Boerlage,Maarten Steinbuch. Trajectory planning and feedforward design for electromechanical motion systems. Control Engineering Practice 2005 (13):145-157P
[56]陈定伟,吴怀宇,莫建民,杨波,申涛.直流伺服驱动器在模拟原动机自平衡特性试验系统中的应用.自动化技术与应用.2006(25)：63-64页
[57]刘听棋.基于TMS320F2812的数据采集和滤波的研究与实现.南京：南京理工大学.2007：41-43页
[58]王益红,陈志同.基于PMAC的数控机床手轮功能的实现.机械工程师.2005(12)：68-70页
[59]王晓丽.MOTOMAN机器人轨迹规划和控制系统的研究与设计.西安科技大学硕士学位论文.2009：2-9页
[60]D型直流伺服系统使用手册.桂林星辰电力电子公司.2007
[2]吴树平.车载三轴稳定平台控制系统的研制.南京理工大学硕士学位论文.2007：1-6页
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[19]李铫.红外多目标跟踪技术的研究.中国科学院研究生院硕士学位论文.2005：21-25页
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