一种适用于尾段舵机测试系统的电流补偿方法及系统与流程

本发明属于尾段舵机测控技术领域，具体涉及一种适用于尾段舵机测试系统的电流补偿方法及系统。

背景技术：

舵机，是指在自动驾驶仪中操纵飞机舵面(操纵面)转动的一种执行部件。是遥控航空、航天模型控制动作，改变方向的重要组成，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。舵机主要适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统,比如人形机器人的手臂和腿,车模和航模的方向控制。舵机的控制信号实际上是一个脉冲宽度调制信号(pwm信号),该信号可由fp-ga器件、模拟电路或单片机产生。

舵机的控制电流包括指令电流和补偿电流，在没有施加任何指令电流的情况下，由于舵机本身的属性，只要舵机一上电，舵机就存在轻微的漂移现象，如果不采取误差补偿措施，势必影响舵机的性能。舵机补偿电流就是在测试设备补偿端施加舵机反向偏转的电流，使舵机静止(一般认为舵机角速度低于0.3°/s则判定为舵机静止)，来消除由于漂移属性引起的误差。当再次施加指令电流时，能够更精确地完成舵机的控制。

传统的测试系统在进行舵机补偿电流测试时，主要通过指针式电压表和电流表进行，调节电流表指针，然后观察电压表指针是否动，整个过程完全是通过人眼判断，自动化程度低，人为差错率高，测试精度和准确度低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于尾段舵机测试系统的电流补偿方法及系统，至少可以部分解决上述问题。本发明技术方案针对现有技术中尾段舵机电流补偿的精度不高、难以满足尾段舵机测量需求的情况，通过测量一个数据采集周期前后舵机的偏转角度变化，并对其进行修正，可以提高舵机工作的稳定性和精确度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于尾段舵机测试系统的电流补偿方法，其特征在于，包括

s1舵机上电，采集舵机的初始偏转角度，并将舵机的初始补偿电流值置零；

s2在一个数据采集周期的时间后，采集舵机的瞬时偏转角度；

s3计算一个数据采集周期两端测得的舵机偏转角度的差值，根据该偏转角度差值获取舵机的补偿电流值；

s4利用补偿电流值对舵机进行角度修正。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤s3包括，

s31计算两个相邻数据采集周期的偏转角度差值；

s32比较该偏转角度差值与门限值的大小，若大于则根据该偏转角度差值对舵机当前的补偿电流值进行修正，否则不改变舵机当前的补偿电流值。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤s4中包括，

s41获取任意n个连续的数据采集周期的n个舵机偏转角度差值，

s42根据该偏转角度差值依次确定对应的舵机补偿电流值；

s43求取n个舵机补偿电流值的平均值，利用该平均值对舵机进行角度修正。

作为本发明技术方案的一个优选，门限值为0.001°/120ms。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤s3中，根据偏转角度差值对舵机补偿电流值修正公式如下：

ii+1＝ii+δi；

其中，i为电流补偿次数，δi为根据第i次测量得到的舵机偏转角度差值所确定的舵机偏转角度值的修正值。

作为本发明技术方案的一个优选，舵机偏转角度值的修正值为动态变化值，其计算公式如下：

δi＝k·wi；

其中，k为电流补偿修正的比例系数，wi为当前数据周期内舵机偏转的平均角速度。

作为本发明技术方案的一个优选，电流补偿修正的比例系数计算公式为：

其中，u0为舵机电流补偿电路的电压，r0为舵机电流补偿电路的等效电阻。

按照本发明技术方案的一个方面，提供了一种适用于尾段舵机测试系统的电流补偿系统，其特征在于，包括

初始化模块，用于舵机上电，采集舵机的初始偏转角度，并将舵机的初始补偿电流值置零；

采集模块，用于在一个数据采集周期的时间后，采集舵机的瞬时偏转角度；

计算模块，用于计算一个数据采集周期两端测得的舵机偏转角度的差值，根据该偏转角度差值获取舵机的补偿电流值；

补偿模块，用于利用补偿电流值对舵机进行角度修正。

作为本发明技术方案的一个优选，计算模块包括，

差值模块，用于计算两个相邻数据采集周期的偏转角度差值；

判断模块，用于比较该偏转角度差值与门限值的大小，若大于则根据该偏转角度差值对舵机当前的补偿电流值进行修正，否则不改变舵机当前的补偿电流值。

作为本发明技术方案的一个优选，补偿模块包括，

数据模块，用于获取任意n个连续的数据采集周期的n个舵机偏转角度差值，

转换模块，用于根据该偏转角度差值依次确定对应的舵机补偿电流值；

均值模块，用于求取n个舵机补偿电流值的平均值，利用该平均值对舵机进行角度修正。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明技术方案中，提供尾段舵机自动测试系统的智能补偿电流方法的核心内容主要包括采集模块、判断模块和补偿模块。三个模块相互独立，但是又相互制约，采集模块与补偿模块线性相关，并形成负反馈效应，采集模块和补偿模块是在判断模块的收敛条件下实施的，大大提高了测试过程的实时性和准确性。

2)本发明技术方案，补偿电流方法，应用于尾段舵机的补偿电流测试，可以方便测试出舵机的补偿电流，解决了传统人工测试人工干预高、精度低的问题。整个测试过程和数据处理都由系统自动完成，实现测试过程的自动化，对测试系统拓展伺服机构测试领域起到积极的作用。

3)本发明技术方案，可以根据精度需求调整补偿电流的测试次数，选择一次性完成尾段舵机的电流补偿值确定或者是采用动态补偿的方式，每修正一次舵机的电流补偿值就对其进行一次偏转角度的测量，以保证在尾段舵机的整个工作过程中始终处于精度要求的范围内。

附图说明

图1是本发明技术方案实施例中尾段舵机测试系统连接示意图；

图2是本发明技术方案实施例中尾段舵机测试系统补偿电流测试流程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

一般来说，尾段舵机上电时，接通电流的瞬间会产生瞬时脉冲，从而导致舵机发生一定的偏移，这种情况下，就需要通过施加一个反向的电流对这种偏移进行修正，以使舵机工作在正常的误差范围内。

本实施例的舵机补偿电流方法系统的核心内容主要包括数据采集块、条件判断和模拟输出等几个部分。其中，采集模块用于实时采集光纤陀螺发送的数据信息；判断模块用于实时判断舵机角速度是否满足收敛条件；补偿模块用于计算下一次数据采集周期叠加后的补偿电流值并实施补偿电流指令。数据信息包括光纤陀螺的角速度、标度因素及陀螺编号。测试系统软件通过开启陀螺数据接收线程实时解析数据信息。本实施例中，实时解析数据信息的过程是：首先解析到标度因素和陀螺编号，然后解析陀螺的角速度，将解析到的角速度和标度因数代入角度计算公式获得角度值，最后对角度值进行叠加。角度计算公式为：角度＝角速度值/标度因数*时间。其中，角速度值为陀螺通过串口发送的实时数据；时间为角度信息的更新间隔(2.5ms)；标度因数为陀螺的固定参数，只需解析一次，后续参与角度计算时，直接代入首次解析值即可。收敛条件指的是在施加舵机反向偏转的电流，使舵机静止的补偿电流值。本发明判定舵机静止的条件是角速度小于0.001°/120ms，比一般的标准0.3°/s更加严格。

进一步地，一次数据采集周期叠加后的补偿电流值的计算公式为il+1＝ii+δi，其中ii为本次数据采集周期的补偿电流值，ii+1为下一次数据采集周期的补偿电流值，δi为叠加的补偿电流值。叠加的补偿电流值是动态变化的，且与本次数据采集周期的偏转角度变化值线性相关，其计算公式为δi＝k·wi。k是一个比例系数，与测试系统的补偿电路相关，其计算公式为其中，u0为舵机电流补偿电路的电压，r0为舵机电流补偿电路的等效电阻。本实施例中，k的实际值为1.7/1.753。wi为本次数据采集周期的平均角速度，其计算公式为wi＝(ai-ai-1)/δt，其中，ai为本次数据采集周期最后时刻的偏转角度，ai-1为上一次数据采集周期最后时刻的偏转角度，δt为单位采集周期值。由上式可知：偏转角度变化值越大，叠加的补偿电流值就越大；偏转角度变化值越小，叠加的补偿电流值就越小。

如图1所示为本发明技术方案实施例中测试系统与尾段舵机的测试连接关系，其中主要包括支架零位校准器，光纤陀螺以及测试仪主机。本实施例中，尾段自动测试系统主机内置nicompactrio架构组件、控制板、主板、电源等，尾段与测试系统主机优选通过测试电缆进行连接，电源主要用于给舵机、舵电位计以及控制板进行供电，测试的控制核心采用了nicompactrio平台计算机系统，该平台能够在较复杂环境下实现电路控制与数据采集功能，工作可靠，系统平台主要由主控制器nicdaq-9139模块、模拟量输入ni9205模块、模拟输出ni9264模块、数字输入输出ni9403等模块组成。角度测量仪主要包括角度传感器、角度转换机构、定位销、光电开关等，定位销主要来确定舵电位计零位和尾段机械零位，同时为了避免测试过程中定位销对舵片的损坏，采用了光电开关自动检测定位销状态的方法。

本实施例中，优选将光纤陀螺通过支架板固定于尾段叉形件螺纹孔上，测试仪主机通过测试电缆给陀螺以及舵机供电，测试仪软件通过串口通信实时接收陀螺反馈的角度信息，并利用采集模块实时测量舵电位计以及舵机模拟量反馈，软件利用反馈信号经过一定的控制算法控制输出舵机电流，从而完成对尾段的整体测试。

本实施例中提供的智能补偿方法适用于尾段舵机自动测试系统的补偿电流测试，该测试项只是系统测试中的一项功能，具体来说，舵机补偿电流测试的具体步骤如下：

1)采集舵机的初始偏转角度ai＝a0，令舵机的补偿电流初始值为零；

2)等待一个数据采集周期δt(如120ms)后，采集舵机的瞬时偏转角度ai；

3)判断邻近两次偏转角度差值δa与门限值0.001°的关系，如果δa>0.001°，则下一次数据采集周期的舵机误差补偿电流ii+1＝ii+δi，其中δi为下一次数据采集周期叠加的补偿电流值，反之则转入步骤4)；

4)记录此刻的补偿电流值，完成一次补偿电流测试；

5)判断是否完成三次补偿电流测试，若否，则返回步骤1)；若是，则对三次补偿电流值求平均后，作为最终输出的补偿电流值i补偿。

也就是说，本申请的实施例中，通过两次偏转角度差值与门限值之间的大小比较，来确定当前的补偿电流是否需要进行调整，如果大于，则调整，否则不调整。因此，本实施例中，由于初始的补偿电流值为零，在第一个数据采集周期以后，可以第一次确定补偿电流的大小。但是考虑到测量仪器的准确性，需要对这个补偿电流值进行验证，即判断进行电流补偿后的舵机是否满足工作的精度要求。如果不满足则继续对其进行电流补偿，直至舵机的精度满足需求。本实施例中，在第一次确定舵机的补偿电流以后，再次根据一个数据采集周期两端的偏转角度差值对舵机的精度进行验证，如果该差值不大于门限值，则说明经过电流补偿的舵机已经工作在正常的精度范围内，如果大于，则继续对其进行修正。需要说明的是，如果该差值不大于门限值，则不需要对补偿电流进行修正，也就是说补偿电流的大小不变。

一般来说，第一次补偿电流测量即可获得较为准确的补偿电流值，因此本实施例中优选利用三次补偿电流测量结果的平均值作为最终的补偿电流值。但是，本实施例中所采用的这种形式仅作为对本发明技术方案的进一步说明之用，并不构成对本发明技术方案的具体限制。

由于工作环境的不同，尾段舵机的工作精度要求也有一定的差别。为了便于对本发明技术方案进行说明，本实施例中，尾段舵机的工作精度要求是一秒钟内舵机的偏移角度小于0.01°，则认为舵机相对静止，处于正常工作精度范围内。进一步地，本实施例中将上述精度要求划分到每个数据采集周期中去，例如采集周期为120ms时，则要求两次采集周期之间的误差不超过0.001°，实际上，这一精度要求比一秒钟内舵机的偏移角度小于0.01°的要求更高，其所获得的补偿电流也更为准确。

事实上，在更高的精度要求下，上述补偿电流的测试过程也是可以进行调节的。虽然本实施例中针对“一秒钟内舵机的偏移角度小于0.01°”的这一测量精度来说，只用了三次补偿电流测试即可获得一个较为准确的补偿电流值，但是在更高精度要求或者是其他的一些测量要求(如环境影响因素等)下，可以更改补偿电流的测试次数，即可以进行n次补偿电流测试，然后对这n次测得的补偿电流值进行求平均值(包括但不限于求取数学算术平均数或者是线性回归等形式下求得的平均数)，将这个平均值作为舵机最终的补偿电流值对舵机进行补偿。

此外，也可以对舵机采用动态电流补偿的形式。在舵机动态补偿的情形下，每完成一次补偿电流测试，则将测得的补偿电流值反馈给舵机，舵机根据该补偿电流值完成一次实时修正，然后开始下一次的补偿电流测试。

本实施例中，在舵机测量精度为“一秒钟内舵机的偏移角度小于0.01°”、进行三次补偿电流测试求取平均值的情况下，舵机补偿电流测试过程中生成的后台日志信息如下：

2017-12-1814:55:09.552:--开始补偿算法--

2017-12-1814:55:09.552:补偿开始初始角度：0.360280

2017-12-1814:55:09.672:补偿测试中间角度：0.357831

2017-12-1814:55:09.682:补偿添加中间值：-0.002375

2017-12-1814:55:09.792:补偿测试中间角度：0.352129

2017-12-1814:55:09.802:补偿添加中间值：-0.007905

2017-12-1814:55:09.912:补偿测试中间角度：0.354165

2017-12-1814:55:09.922:补偿添加中间值：-0.005930

2017-12-1814:55:10.032:补偿测试中间角度：0.364345

2017-12-1814:55:10.042:补偿添加中间值：0.003942

2017-12-1814:55:10.152:补偿测试中间角度：0.359637

2017-12-1814:55:10.162:补偿添加中间值：-0.000624

2017-12-1814:55:10.272:补偿测试中间角度：0.359108

2017-12-1814:55:10.272:第1次补偿测试测得补偿值-0.001286

2017-12-1814:55:10.292:开始第2次补偿算法

2017-12-1814:55:12.292:--开始补偿算法--

2017-12-1814:55:12.292:补偿开始初始角度：0.340719

2017-12-1814:55:12.412:补偿测试中间角度：0.347981

2017-12-1814:55:12.422:补偿添加中间值：0.007043

2017-12-1814:55:12.532:补偿测试中间角度：0.338820

2017-12-1814:55:12.542:补偿添加中间值：-0.001841

2017-12-1814:55:12.652:补偿测试中间角度：0.345682

2017-12-1814:55:12.662:补偿添加中间值：0.004813

2017-12-1814:55:12.772:补偿测试中间角度：0.341135

2017-12-1814:55:12.782:补偿添加中间值：0.000404

2017-12-1814:55:12.892:补偿测试中间角度：0.345396

2017-12-1814:55:12.902:补偿添加中间值：0.004536

2017-12-1814:55:13.012:补偿测试中间角度：0.341554

2017-12-1814:55:13.022:补偿添加中间值：0.000810

2017-12-1814:55:13.132:补偿测试中间角度：0.342485

2017-12-1814:55:13.142:第2次补偿测试测得补偿值0.001671

2017-12-1814:55:13.162:开始第3次补偿算法

2017-12-1814:55:15.162:--开始补偿算法--

2017-12-1814:55:15.162:补偿开始初始角度：0.347304

2017-12-1814:55:15.282:补偿测试中间角度：0.343882

2017-12-1814:55:15.292:补偿添加中间值：-0.003319

2017-12-1814:55:15.402:补偿测试中间角度：0.351724

2017-12-1814:55:15.412:补偿添加中间值：0.004286

2017-12-1814:55:15.522:补偿测试中间角度：0.345894

2017-12-1814:55:15.532:补偿添加中间值：-0.001368

2017-12-1814:55:15.642:补偿测试中间角度：0.349435

2017-12-1814:55:15.652:补偿添加中间值：0.002067

2017-12-1814:55:15.762:补偿测试中间角度：0.345437

2017-12-1814:55:15.772:补偿添加中间值：-0.001811

2017-12-1814:55:15.882:补偿测试中间角度：0.348528

2017-12-1814:55:15.892:补偿添加中间值：0.001187

2017-12-1814:55:16.002:补偿测试中间角度：0.347331

2017-12-1814:55:16.012:补偿添加中间值：0.000026

2017-12-1814:55:16.122:补偿测试中间角度：0.336906

2017-12-1814:55:16.132:补偿添加中间值：-0.010084

2017-12-1814:55:16.242:补偿测试中间角度：0.349460

2017-12-1814:55:16.252:补偿添加中间值：0.002090

2017-12-1814:55:16.362:补偿测试中间角度：0.348758

2017-12-1814:55:16.362:第3次补偿测试测得补偿值0.004311

2017-12-1814:55:16.372:最终测得补偿值0.001565

2017-12-1814:55:16.372:--结束补偿电流检测线程--

其中，“补偿开始初始角度”指的是舵机初始偏转角度a0，“补偿添加中间值”指的是下一次数据采集周期叠加后的补偿电流值ii+1，“补偿测试中间角度”为本次数据采集周期最后时刻的偏转角度ai。

举例来说，在上述日志信息中，

2017-12-1814:55:09.552:补偿开始初始角度：0.360280

2017-12-1814:55:09.672:补偿测试中间角度：0.357831

2017-12-1814:55:09.682:补偿添加中间值：-0.002375

根据公式ii+1＝ii+δi和δi＝k*wi可得：ii+1＝ii+k*wi，其中k的实际值为1.7/1.753，即ii+1＝0+1.7/1.753*(0.357831-0.360280)≈-0.002375。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。