本发明属于海洋重力仪技术领域，涉及海洋重力仪用水平稳定平台，尤其是一种海洋重力仪用水平稳定平台及其控制方法。
背景技术
目前，由于水平稳定平台具有隔离载体扰动、保证平台上设备稳定的特定，国外较早得对水平稳定平台进行了相关的研究和实际应用，在理论研究及工程应用方面形成了一整成熟的理论和设计规范。在舰载设备方面，稳定平台主要是为了保持舰艇上光电设备视轴的稳定，克服海上风浪、舰身晃动等因素的影响。
随着海洋重力测量作业过程中对海洋重力测量精度要求的提高，为了隔离重力仪受到海浪起伏航速与航向变化，及其振动以及海风论海流等干扰因素的影响，常规的水平稳定平台方案基于带宽宽、高精度的惯性导航设备以满足高精度(±0.1°)，高动态(±30°，5s)的技术指标要求，存在价格高昂，体积大，重量重，无法满足小型化，价格适中的需求的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种设计合理、高动态且高精度的一种海洋重力仪用水平稳定平台及其控制方法。
一种海洋重力仪用水平稳定平台，包括台体、俯仰框、横摇框、载体平台；其特征在于：所述台体上垂直固装有横摇框，在该横摇框前侧的台体上垂直固装有载体平台，该载体平台为板状结构且上、下两侧端面分别向后延伸制有与其一体成型的俯仰框，所述载体平台通过该俯仰框固装在横摇框的上边框和下边框之间；在该载体平台的前端面上制有多个垂直于台体的竖槽，在相邻的两个竖槽内分别安装有两个光纤陀螺和单个mems倾角测试仪，该光纤陀螺和mems倾角测试仪位于载体平台的几何中心位置，其中一个光纤陀螺的输出轴平行于横摇框，另一个光纤陀螺的输出轴平行于俯仰框。
一种海洋重力仪用水平稳定平台的控制方法，包括以下骤：
步骤1、通过控制速度环，实现水平稳定平台的速度控制：该速度环的前向通道包括速度控制器、pmw、电机、负载；速度环的反馈通道包括速率陀螺仪以及mems倾角测试仪的位置微分环节；
步骤2、通过控制位置环，实现水平稳定平台的位置控制：位置环的前向通道包括跟踪器、位置控制器、速度控制器、pwm、电机、负载积分环节，位置环的反馈通道包括速率陀螺仪的积分环节以及mems倾角测试仪。
而且，所述步骤1的具体步骤包括：
(1)位置控制器的角位置信息进行微分作为速度控制器的输入；
(2)速度控制器的速度信号进行pmw处理作为电机的输出，由电机控制负载的速度；
(3)mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置进行微分得到稳定平台当前的角速度信息，然后将平稳定平台当前的角速度信息和光纤陀螺作为速率陀螺检测到水平稳定平台当前的速度信息经过限值以及kalman滤波处理后作为速度环的反馈信号反馈到速度控制器实现水平稳定平台的速度控制。
而且，所述步骤1的第(3)步的mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置进行微分得到水平稳定平台当前的角速度信息的具体方法为：由mems倾角测试仪测输出当前地理坐标系下的水平角，设定位闭环控制的预期位置，并将该预期位置输出至跟踪器；所述跟踪器将测试获得水平稳定平台的实时位置信息输出至位置控制器；所述位置控制器将位置控制器的角位置信息进行微分输出至速度控制器；再将速度控制器的速度信号进行pmw处理后输出至电机，由电机控制负载的角速度。
而且，所述步骤1的第(3)步的将水平稳定平台当前的角速度信息和光纤陀螺作为速率陀螺检测到水平稳定平台当前的速度信息经过限值以及kalman滤波处理的方法为：假定xk为t时刻滤波后的位置信号，xk-1为t-1时刻滤波后的位置信号，xk,k-1为t-1时刻到t时刻滤波后的位置估计值，pk为t时刻位置信号误差协方差，pk-1为t-1时刻位置信号误差协方差，pk,k-1为t-1时刻与t时刻位置的误差协方差，zk为实际的角度输出量，kk为kalman滤波器的增益系数，经分析mems倾角测试仪的角度信号噪声方差矩阵qk非正定，rk正定，则有：
kk＝pk,k-1[pk,k-1+rk]-1
pk,k-1＝pk-1
而且，所述步骤2的具体步骤包括：
(1)根据mems倾角测试仪测输出当前地理坐标系下的水平角，设定位闭环控制的预期位置；
(2)由跟踪器测试获得水平稳定平台的实时位置信息，作为位置控制器的输入信息；
(3)输入信息通过速度环的前向通道进行积分获得实时的水平稳定平台的位置信息；
(4)mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置信息与光纤陀螺作为速率陀螺积分得到的位置信息，经过限值和kalman滤波处理后作为位置环的反馈信号反馈到跟踪器，实现水平稳定平台的位置控制。
而且，所述步骤2的第(3)步的具体方法为：
mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置进行积分得到水平稳定平台当前的速度，将该水平稳定平台当前的速度与光纤陀螺作为速率陀螺检测到水平稳定平台当前的速度作为速度环的反馈信号输出至速度控制器，实现水平稳定平台的速度控制，速度环的速度信息进行积分得到水平稳定平台的位置信息。
所述步骤2的第(4)步的将mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置信息与光纤陀螺作为速率陀螺积分得到的位置信息，经过限值和kalman滤波处理的方法为：假定xk为t时刻滤波后的位置信号，xk-1为t-1时刻滤波后的位置信号，xk,k-1为t-1时刻到t时刻滤波后的位置估计值，pk为t时刻位置信号误差协方差，pk-1为t-1时刻位置信号误差协方差，pk,k-1为t-1时刻与t时刻位置的误差协方差，zk为实际的角度输出量，kk为kalman滤波器的增益系数，经分析mems倾角测试仪的角度信号噪声方差矩阵qk非正定，rk正定，则有：
kk＝pk,k-1[pk,k-1+rk]-1
pk,k-1＝pk-1
本发明的优点和有益效果：
1、本发明公开了一种基于光纤陀螺及mems倾角测试仪的水平稳定平台及其控制方法，利用光纤陀螺的角速率信息与mems倾角测试仪的角度信息微分所得的速率信息作为速度环的反馈信息；光纤陀螺的角速率信息的积分和mems倾角测试仪的角度信息作为位置环的反馈信息；根据速度控制环和位置控制环的控制实现了对水平稳定平台的稳定控制。本发明基于光纤陀螺及mems倾角测试仪实现了高动态、高精度的水平稳定平台。
2、本发明通过光纤陀螺以及mems倾角测试仪实现了高动态、高精度的水平稳定平台要求，解决了常规的控制方法由于采用带宽宽、高精度的惯性导航设备而存在的价格高昂，体积大，重量重，无法满足小型化，价格适中的需求的技术问题，具有推广价值。
3、本发明通过高数据更新率的光纤陀螺的角速度信息实现高动态的速度环的稳定控制；通过mems倾角测试仪的角度信息与光纤陀螺的角速度信息进行融合后所得角位置信息实现位置环的稳定控制；并通过对mems倾角测试仪的角度信息微分所得速度信息进行限值、滤波后对光纤陀螺的漂移进行补偿。
4、本发明发明仅利用两个光纤陀螺与一个mems倾角传感器即实现了适用于高动态的高精度稳定平台系统，具有尺寸小，体重轻，价格低的特点；
5、本发明利用直接利用光纤陀螺的4khz的信号作为反馈信号，克服了惯性导航设备反馈信号输出慢的问题；
6、本发明利用mems倾角测试仪输出的俯仰角和横滚角的信息进行微分对光纤陀螺的漂移进行补偿后得到的角度信息实现稳定平台的位置环的稳定控制，可以克服光纤陀螺的输出随时间漂移的问题；
7、本发明针对mems倾角测试仪在摇摆时噪声大的现象，在反馈算法中加入对mems倾角测试仪输出信息的限值算法以及kalman滤波的算法，提高了反馈信号的精度，进而提高了稳定控制的精度，进而降低了设备的成本。
附图说明
图1是本发明的水平稳定平台的整体结构示意图；
图2是本发明的水平稳定平台的控制方法处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种海洋重力仪用水平稳定平台，如图1所示，包括台体6、俯仰框1、横摇框2、载体平台3、两个光纤陀螺4和mems倾角测试仪5；所述台体上垂直固装有横摇框，该横摇框呈方形；在该横摇框前侧的台体上垂直固装有载体平台，该载体平台为方形板状结构且上、下两侧端面分别向后延伸制有与其一体成型的俯仰框，所述载体平台通过该俯仰框固装在横摇框的上边框和下边框之间；在该载体平台的前端面上制有多个垂直于台体的竖槽3-1，在相邻的两个竖槽内分别安装有两个光纤陀螺和单个mems倾角测试仪，该光纤陀螺和mems倾角测试仪位于载体平台的几何中心位置，其中一个光纤陀螺的输出轴平行于横摇框，另一个光纤陀螺的输出轴平行于俯仰框。
一种海洋重力仪用水平稳定平台的控制方法，如图2所示，包括以下骤：
步骤1、通过控制速度环，实现水平稳定平台的速度控制；
所述步骤1的具体步骤包括：
(1)位置控制器的角位置信息进行微分作为速度控制器的输入；
(2)速度控制器的速度信号进行pmw处理作为电机的输出，由电机控制负载(即水平稳定平台)的速度；
(3)mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置进行微分得到稳定平台当前的角速度信息，然后将平稳定平台当前的角速度信息和光纤陀螺作为速率陀螺检测到水平稳定平台当前的速度信息经过限值以及kalman滤波处理后作为速度环的反馈信号反馈到速度控制器实现水平稳定平台的速度控制。
所述步骤1的第(3)步的mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置进行微分得到水平稳定平台当前的角速度信息的具体方法为：由mems倾角测试仪测输出当前地理坐标系下的水平角，设定位闭环控制的预期位置，并将该预期位置输出至跟踪器；所述跟踪器将测试获得水平稳定平台的实时位置信息输出至位置控制器；所述位置控制器将位置控制器的角位置信息进行微分输出至速度控制器；再将速度控制器的速度信号进行pmw处理后输出至电机，由电机控制负载(即水平稳定平台)的角速度。
所述步骤1的第(3)步的将水平稳定平台当前的角速度信息和光纤陀螺作为速率陀螺检测到水平稳定平台当前的速度信息经过限值以及kalman滤波处理的方法为：假定xk为t时刻滤波后的位置信号，xk-1为t-1时刻滤波后的位置信号，xk,k-1为t-1时刻到t时刻滤波后的位置估计值，pk为t时刻位置信号误差协方差，pk-1为t-1时刻位置信号误差协方差，pk,k-1为t-1时刻与t时刻位置的误差协方差，zk为实际的角度输出量，kk为kalman滤波器的增益系数，经分析mems倾角测试仪的角度信号噪声方差矩阵qk非正定，rk正定，则有：
kk＝pk,k-1[pk,k-1+rk]-1
pk,k-1＝pk-1
在本实施例中，所述限值为0.018度/秒；
步骤2、通过控制位置环，实现水平稳定平台的位置控制；
(1)根据mems倾角测试仪测输出当前地理坐标系下的水平角，设定位闭环控制的预期位置；
(2)由跟踪器测试获得水平稳定平台的实时位置信息，作为位置控制器的输入信息；
(3)输入信息通过速度环的前向通道进行积分获得实时的水平稳定平台的位置信息；
所述步骤2的第(3)步的具体方法为：
mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置进行积分得到水平稳定平台当前的速度，将该水平稳定平台当前的速度与光纤陀螺作为速率陀螺检测到水平稳定平台当前的速度作为速度环的反馈信号输出至速度控制器，实现水平稳定平台的速度控制，速度环的速度信息进行积分得到水平稳定平台的位置信息，mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置信息与光纤陀螺作为速率陀螺积分得到的位置变化信息作为位置环的反馈信号反馈到跟踪器，实现水平稳定平台的位置控制。
(4)mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置信息与光纤陀螺作为速率陀螺积分得到的位置信息，经过限值和kalman滤波处理后作为位置环的反馈信号反馈到跟踪器，实现水平稳定平台的位置控制。
所述步骤2的第(4)步的将mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置信息与光纤陀螺作为速率陀螺积分得到的位置信息，经过限值和kalman滤波处理的方法为：假定xk为t时刻滤波后的位置信号，xk-1为t-1时刻滤波后的位置信号，xk,k-1为t-1时刻到t时刻滤波后的位置估计值，pk为t时刻位置信号误差协方差，pk-1为t-1时刻位置信号误差协方差，pk,k-1为t-1时刻与t时刻位置的误差协方差，zk为实际的角度输出量，kk为kalman滤波器的增益系数，经分析mems倾角测试仪的角度信号噪声方差矩阵qk非正定，rk正定，则有：
kk＝pk,k-1[pk,k-1+rk]-1
pk,k-1＝pk-1
在本实施例中，所述限值为0.018度/秒；
本发明的工作原理为：
本发明利用光纤陀螺的角速率信息与mems倾角测试仪的位置信息微分所得的速率信息作为水平稳定平台的速率环反馈信息，以满足高动态的需求。光纤陀螺的速率信息积分得到的位置信息与滤波后的mems倾角测试仪的位置信息作为位置环的反馈信息，以获得高精度的位置精度需求。
水平稳定平台单轴控制系统控制流程如图2所示，水平稳定平台单轴控制包括速度环控制与位置环控制。速度环的前向通道包括速度控制器、pmw(脉冲宽度调制)、电机、负载；速度环的反馈通道包括速率陀螺仪以及mems倾角测试仪的位置微分环节。位置环的前向通道包括跟踪器、位置控制器、速度控制器、pwm、电机、负载积分环节，位置环的反馈通道包括速率陀螺仪的积分环节以及mems倾角测试仪。
速度环的闭环控制由速率陀螺以及mems倾角测试仪的位置微分信号实现；其具体过程为：由mems倾角测试仪测输出当前地理坐标系下的水平角，设定位闭环控制的预期位置。由跟踪器测试获得水平稳定平台的实时位置信息，作为位置控制器的输入信息。将位置控制器的角位置信息进行微分作为速度控制器的输入。速度控制器的速度信号进行pmw处理作为电机的输出，由电机控制负载(即水平稳定平台)的速度。
位置环的闭环控制由速率陀螺积分以及mems倾角测试仪的位置信号实现；其具体过程为：mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置进行积分得到水平稳定平台当前的速度，将该水平稳定平台当前的速度与光纤陀螺作为速率陀螺检测到水平稳定平台当前的速度作为速度环的反馈信号反馈到速度控制器，实现水平稳定平台的速度控制。速度环的速度信息进行积分得到水平稳定平台的位置信息，mems倾角测试仪检测到当前水平稳定平台的位置信息与光纤陀螺作为速率陀螺积分得到的位置变化信息作为位置环的反馈信号反馈到跟踪器，实现水平稳定平台的位置控制。
本发明为了提高位置的控制精度，对mems倾角测试仪的角度信息进行了限值以及噪声模型建立与kalman滤波处理。
mems倾角测试仪的角度信息噪声的kalman滤波处理过程如下所示。假定xk为t时刻滤波后的位置信号，xk-1为t-1时刻滤波后的位置信号，xk,k-1为t-1时刻到t时刻滤波后的位置估计值，pk为t时刻位置信号误差协方差，pk-1为t-1时刻位置信号误差协方差，pk,k-1为t-1时刻与t时刻位置的误差协方差，zk为实际的角度输出量，kk为kalman滤波器的增益系数，经分析mems倾角测试仪的角度信号噪声方差矩阵qk非正定，rk正定。通过此算法，对水平稳定平台中速度环和位置环中的闭环控制信号进行了滤波求真，基于此方法可以提高水平稳定平台的控制精度，进而实现高精度的水平稳定平台。
kk＝pk,k-1[pk,k-1+rk]-1
pk,k-1＝pk-1
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。