一种陀螺进动控制装置及方法

一种陀螺进动控制装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种陀螺进动控制装置，包括：预处理电路；微控制器，完成进动位置信息和进动控制信息之间的映射，利用脉宽调制技术将进动控制信息通过改变脉宽调制的占空比转换成正弦波；低通滤波器和功率放大器。一种陀螺进动控制方法，包括以下步骤：查询陀螺转子的转动周期到来；如果到来，则测量陀螺转子的转速；如果没到来，则返回步骤查询脉宽调制间隔是否到来；接收上位机的进动位置信息；将陀螺进动位置信息与进动控制信号进行映射；查询脉宽调制间隔是否到来；如果到来，则输出脉宽调制波；如未到来，则返回查询陀螺转子的转动周期到来。本发明提高了陀螺进动的控制精度；节约了成本，减少了电路复杂度；降低了算法的复杂度。
【专利说明】一种陀螺进动控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陀螺进动控制技术，具体地说是一种陀螺进动控制的方法及装置，应用于频率测量和陀螺进动控制等领域。
【背景技术】
[0002]陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空、航海、航天和工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业和其它高科技的发展具有十分重要的意义。位置和频率测量是陀螺速度稳定控制领域当中两个输入，这两个输入是进动控制的基础。进动特性是陀螺的一个重要特性，利用该特性可以实现陀螺的定向偏转，具体可以应用在导航等领域。
[0003]在现有的系统中，通常利用惯性系作为陀螺进动的基准，当陀螺移动时会影响进动精度；采用DAC模块生成正弦波，这样增加了硬件成本；在进动控制中，采用算法计算进动方位和幅度与进动控制信号的幅度和相位的映射关系，占用微控制器的资源，算法实时性差。

【发明内容】

[0004]针对现有技术的不足，本发明提供一种陀螺进动控制的方法及装置。
[0005]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种陀螺进动控制装置，包括:顺序连接的预处理电路、微控制器、低通滤波器、功率放大器和陀螺驱动；预处理电路:将来自传感器的陀螺反馈信息进行放大整形后输出至微控制器；微控制器:接收上位机的进动位置信息，完成进动位置信息和进动控制信息之间的映射，利用脉宽调制技术将进动控制信息通过改变脉宽调制的占空比转换成正弦波；低通滤波器:将微控制器输出的正弦波滤掉高频成分；功率放大器:将低通滤波器的控制信号进行放大后输出至陀螺驱动使陀螺进动。
[0006]所述陀螺反馈信息包括陀螺转子的位置和转速。
[0007]所述进动控制信息包括陀螺转子的频率、幅度和相位。
[0008]所述进动控制信息中的频率根据陀螺反馈信息的转速得出。
[0009]一种陀螺进动控制方法，包括以下步骤:
[0010]I)查询陀螺转子的转动周期是否到来；
[0011]2)如果到来，则测量陀螺转子的转速；如果没到来，则返回步骤5)；
[0012]3)接收上位机的进动位置信息，包括陀螺转子的幅度和方位；
[0013]4)在进动位置信息与进动控制信息之间进行插值映射；所述进动控制信息包括陀螺转子的频率、幅度和相位。
[0014]5)查询脉宽调制间隔是否到来；
[0015]6)如果到来，则输出脉宽调制波；如未到来，则返回步骤I);
[0016]7)脉宽调制的正弦波经低通滤波器滤掉高频成分，再通过功率放大器进行信号放大后输出至陀螺驱动使陀螺进动。
[0017]所述步骤4)对进动的位置和进动控制信息进行插值映射包括以下步骤:
[0018]A.对陀螺进动的幅度和相位数据中的特殊点做成二维表；
[0019]B.在二维表中搜索离设定的进动幅度和相位最近的两个点；
[0020]C.利用线性插值的方法进行插值，得到进动控制信息的幅度和相位。
[0021]7.根据权利要求6所述的一种陀螺进动控制方法，其特征在于:
[0022]所述特殊点为在陀螺顶面上不同半径的同心圆圆周与不同圆心角的交点。
[0023]所述脉宽调制间隔是通过定点采样设定的。
[0024]所述输出脉宽调制波包括以下步骤:
[0025]c.将映射所得的正弦波幅度转换为脉宽调制的最大占空比；
[0026]d.将映射所得的正弦波相位与陀螺反馈的位置信息中的方位进行比较，将所得相位差数字化并转换为时间差，该时间差作为脉宽调制的50%占空比时刻；
[0027]c.将陀螺反馈的转速转换成频率，作为占空比改变一个周期的频率，即可得到高频调制的正弦波。
[0028]本发明具有以下有益效果及优点:
[0029]1.本发明利用陀螺反馈信号测量陀螺转子的位置及转速作为陀螺进动的参考基准，提高了陀螺进动的控制精度。
[0030]2.本发明利用脉宽调制技术生成正弦波，节约了成本，减少了电路复杂度。
[0031]3.本发明利用线性插值技术将进动幅度和方位与进动控制信号的幅度和相位进行映射，降低了算法的复杂度。
【专利附图】

【附图说明】
[0032]图1为本发明硬件原理示意图；
[0033]图2为本发明脉宽调制生成正弦波原理示意图；
[0034]图3为本发明进动幅度方位与进动控制信号映射原理示意图；
[0035]图4为本发明陀螺进动控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0037]采用信号处理技术对陀螺反馈信号进行预处理，然后将预处理过的反馈信号分别处理成速度反馈和转子反馈并输入微处理器，通过处理和计算得当前时刻陀螺的位置和转速，根据实时输入的进动方向和幅度调整进动信号，然后经过功率放大器进行输出，实现系统的进动控制。
[0038]如图1所示，陀螺反馈信号经过电压跟随器、放大等预处理后，输入微处理器作为进动控制信号的参考基准，并用该信号的频率作为进动控制信号的频率；进动的方位及幅度信息输入微控制器后，根据预先储存过的信息进行插值得出进动控制信号的幅度和相位；利用脉宽调制技术将进动控制信号的频率、幅度和相位信息通过改变脉宽调制的占空比变成调制过的正弦波，然后经过低通滤波取出高频成分，最后经过功放来驱动陀螺进动。微控制器采用TMS320F28335，低通滤波器采用二阶巴特沃斯滤波器，功率放大器采用0PA544。
[0039]如图2所示，利用脉宽调制模块来生成的正弦波并非真正的正弦波，而是高频调制的正弦波，其中正弦波的幅度决定了脉宽调制的最大占空比，二者为线性关系，正弦波的相位须和基准信号(测量的陀螺位置信息)进行比较，并将相位差数字化，变成时间差，改时间差决定了脉宽调制模块的50%占空比的时刻，正弦波的频率就是占空比改变一个周期的频率，这样高频调制的正弦波就得以生成。
[0040]如图3所示，陀螺进动的幅度和方位与陀螺进动控制信号的幅度和相位并不一致，二者有特定的复杂映射关系，在实际应用过程中，为了简化计算过程，将某些特殊点的映射做成64X64的二维表，将进动幅度和进动方位分别在该表中搜索距离输入信息最近的两个点，然后利用线性插值的方法进行插值，得到进动控制信息的幅度和相位。其中，特殊点为在陀螺顶面上不同半径的同心圆圆周与不同圆心角的交点，本实施例采用陀螺顶面圆心为圆心，陀螺顶面圆周为最大圆周，以陀螺顶面的1/3和2/3半径画圆，并以圆心为原点，在圆面上设定y轴和z轴，y轴为O度,取圆心角为45° ,90°…360°的半径,上述半径与不同半径的圆周相交的点采取为特殊点。
[0041]如图4所示，系统上电后，首先对微控制器外围设备及其硬软件的参数进行初始化，然后查询，陀螺转子的转动周期到来，如果没到来，则查询脉宽调制的间隔是否到来，如果到来，则测量陀螺转子的转速，接下来确定需要进动的位置(本实施例通过串口接收上位机的需要进动的位置信息)，然后把进动的位置和进动控制信息进行映射，完成进动控制信息的幅度、频率和相位三要素了，在来查询脉宽调制间隔是否到来，到来则输出脉宽调制波，没有到来则查询陀螺转自转动周期是否到来。其中，脉宽调制的间隔通过定点采用得到，在一个周期的正弦波内 设定256个点，正弦波周期除以256即得到脉宽调制的间隔。
【权利要求】
1.一种陀螺进动控制装置，其特征在于包括:顺序连接的预处理电路、微控制器、低通滤波器、功率放大器和陀螺驱动；预处理电路:将来自传感器的陀螺反馈信息进行放大整形后输出至微控制器；微控制器:接收上位机的进动位置信息，完成进动位置信息和进动控制信息之间的映射，利用脉宽调制技术将进动控制信息通过改变脉宽调制的占空比转换成正弦波；低通滤波器:将微控制器输出的正弦波滤掉高频成分；功率放大器:将低通滤波器的控制信号进行放大后输出至陀螺驱动使陀螺进动。
2.根据权利要求1所述的一种陀螺进动控制装置，其特征在于:所述陀螺反馈信息包括陀螺转子的位置和转速。
3.根据权利要求1所述的一种陀螺进动控制装置，其特征在于:所述进动控制信息包括陀螺转子的频率、幅度和相位。
4.根据权利要求1所述的一种陀螺进动控制装置，其特征在于:所述进动控制信息中的频率根据陀螺反馈信息的转速得出。
5.一种陀螺进动控制方法，其特征在于包括以下步骤:1)查询陀螺转子的转动周期是否到来；2)如果到来，则测量陀螺转子的转速；如果没到来，则返回步骤5)；3)接收上位机的进动位置信息，包括陀螺转子的幅度和方位；4)在进动位置信息与进动控制信息之间进行插值映射；所述进动控制信息包括陀螺转子的频率、幅度和相位。5)查询脉宽调制间隔是否到来；6)如果到来，则输出脉宽调制波；如未到来，则返回步骤I)；7)脉宽调制的正弦波经低通滤波器滤掉高频成分，再通过功率放大器进行信号放大后输出至陀螺驱动使陀螺进动。
6.根据权利要求5所述的一种陀螺进动控制方法，其特征在于:所述步骤4)对进动的位置和进动控制信息进行插值映射包括以下步骤:A.对陀螺进动的幅度和相位数据中的特殊点做成二维表；B.在二维表中搜索离设定的进动幅度和相位最近的两个点；C.利用线性插值的方法进行插值，得到进动控制信息的幅度和相位。
7.根据权利要求6所述的一种陀螺进动控制方法，其特征在于:所述特殊点为在陀螺顶面上不同半径的同心圆圆周与不同圆心角的交点。
8.根据权利要求5所述的一种陀螺进动控制方法，其特征在于:所述脉宽调制间隔是通过定点采样设定的。
9.根据权利要求5所述的一种陀螺进动控制方法，其特征在于:所述输出脉宽调制波包括以下步骤:a.将映射所得的正弦波幅度转换为脉宽调制的最大占空比；b.将映射所得的正弦波相位与陀螺反馈的位置信息中的方位进行比较，将所得相位差数字化并转换为时间差，该时间差作为脉宽调制的50%占空比时刻；c.将陀螺反馈的转速转换成频率，作为占空比改变一个周期的频率，即可得到高频调制的正弦波。
【文档编号】G01C19/04GK103712611SQ201210375749
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月29日 优先权日:2012年9月29日
【发明者】王恩德, 佟新鑫, 朱丹, 刘晓安, 王旭, 栗萧峰 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所