基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台及跟踪方法与流程
本发明属于电机控制技术领域，特别是一种基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台及跟踪方法。
背景技术：
稳定平台是用来使被稳定对象相对于某方位保持稳定的装置，它的主要特征是广泛使用陀螺作为角运动敏感元件，采用的技术手段属于惯性技术研究的范畴，其特有的功能是能隔离载体扰动，通过测量平台姿态和位置的变化，精确保持载体动态姿态基准，并通过图像探测设备实现对机动目标的自动跟踪，所以一直是各国经久不衰的研究课题。稳定平台在工业上有着广泛的应用，在航空摄影观测设备上，稳定平台可以准确的使摄影设备对准目标从而获得更加准确、清晰的图像；而现代卫星电视接收转播，车船用移动卫星通讯以及运钞车、公安、消防等多种行业的发展，都需要具有稳定跟踪能力的平台来隔离载体的运动对平台姿态造成的影响，并在各种气象环境条件下保证对目标信号的截获、识别和跟踪。此外在机载目标指示器、空间遥感探测和海底声呐探测等深海作业场合，稳定跟踪平台都得到了广泛的应用。
美国raysatantennasystems(简称ras)公司是世界上较先进的移动通信系统的天线设备制造商，在美国的主要应用是军事通信，现在世界很多地区都有raysat的天线设备在服务。其生产的stealthray系列车载移动通信平台设备支持双向通信，能在车辆运动过程中通过自动控制方位、俯仰和极化角，自动跟踪保持指向，并支持车辆在时速350km行驶条件下的双向2mbps传输速率。我国从事国家重要军民用大型电子信息系统、通信与电子设备的科技院所，研究的相关产品体系包括便携天线、车载天线和船载天线，车载天线系统采用了陀螺稳定、惯导引导跟踪和相控电子波束扫描跟踪技术，保持天线始终高精度对准卫星，保证通信畅通，而相控电子波束扫描跟踪可对惯导数据进行实时修正，克服了惯导数据随时间漂移的固有缺陷，无需定时停车修正惯导数据，实现了长时间行进间的稳定跟踪。例如，西安的星展测控科技股份有限公司自主研发的satpro品牌车、船载稳定跟踪设备在民用、军用等领域受到了广泛的赞誉。近年来随着国际航空领域卫星通信需求的不断增长，星展测控凭借行业先进的技术、超强的研发实力以及对市场准确的判断能力使satpro机载天线设备逐步进入国际市场，目前在欧洲航空安全局的监督下已经顺利完成相关各项实验。satpro天线设备融入了gnss/ins融合姿态测量系统、圆锥扫描峰值跟踪、载体姿态解算、补偿算法及相控阵通信等多项业界领先技术，可在船舶大幅摇摆、汽车剧烈颠簸和飞机高速飞行的情况下，仍能保证天线稳定对星。
在车载无人机稳定跟踪平台方面，主要采用两轴结构的平台进行跟踪。当跟踪目标过顶时，跟踪平台由于两轴结构限制，不可避免的会产生跟踪盲区，盲区会影响平台的持续精确跟踪。并且相对而言，用于无人机跟踪的平台精度较低，不能满足高精度跟踪要求。此外，现有的稳定平台的结构相对比较宽大，不适用于小型车体。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够解决平台的过顶问题，且跟踪精度高、响应速度快、稳定性高的基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台，包括光电开关、三轴陀螺、传感器采集mcu、天线控制板mcu、馈源、信标机、滑环、定位系统、电机驱动器和电机；
所述光电开关，包括方位光电开关、横滚光电开关和俯仰光电开关，用于将方位、横滚和俯仰的位置信息通过gpio口传送至传感器采集mcu；
所述三轴陀螺，用于将速度信息和加速度信息传送至传感器采集mcu；
所述传感器采集mcu，用于通过串口发送消息给天线控制板mcu；
所述馈源，是高增益天线的初级辐射器，用于将电波汇聚到自身处从而接收到最大信号，之后将信号传送至滑环；
所述信标机，用于将空中平台的地理位置发送至天线控制板mcu；
所述滑环，用于接收馈源和定位系统的输出信号，并将信号传输至天线控制板mcu；
所述定位系统，即惯性导航系统，用于提供目标的经纬度信息、海拔高度，并将传送至滑环；
所述天线控制板mcu，对接收到的信号进行综合计算，控制电机驱动器，从而控制电机调整动中通天线的通信姿态；
所述电机驱动器，包括方位电机驱动器、方位电机驱动器和俯仰电机驱动器，用于驱动电机按相应的速度运行；
所述电机，包括方位电机、方位电机和俯仰电机，用于调整天线角度，使得动中通天线保持最佳的通信姿态。
作为一种具体示例，所述传感器采集mcu采用stm32f103vet6，所述天线控制板mcu采用stm32f427vet6，所述电机采用鸣智公司的交流伺服电机，所述光电开关采用kjt-st676，所述三轴陀螺采用adis16475-2型mems陀螺。
作为一种具体示例，所述天线控制板mcu通过usart1将调试信息发送到pc端，并在pc端显示，输出天线的调试信息，以查看运算和控制的结果，辅助天线的调试；
天线控制板mcu通过usart2，与信标机连接，获取目标的地理位置信息；
天线控制板mcu通过usart3，接收定位系统中的惯性导航系统信息，并根据惯导信息调整天线对准方向；
天线控制板mcu通过usart4，接收传感器采集mcu的信息，通过处理其中的陀螺仪信息，进一步调整天线对准角度；
天线控制板mcu通过uart1，发送速度指令给方位电机驱动器，控制方位电机按相应的速度运行；
天线控制板mcu通过uart2，发送速度指令给横滚电机驱动器，控制横滚电机按相应的速度运行；
天线控制板mcu通过uart3，发送速度指令给俯仰电机驱动器，控制俯仰电机按相应的速度运行；
天线控制板mcu通过网口，与伺服控制设备连接，接受设备相关信息查询以及天线运动控制命令；
天线控制板mcu通过定时器4的通道2，产生一路pwm信号，用以控制方位电机的step信号，以控制方位电机的转动；天线控制板mcu通过定时器5的通道2，产生一路pwm信号，用以控制横滚电机的step信号，以控制横滚电机的转动；天线控制板mcu通过定时器8的通道1，产生一路pwm信号，用以控制俯仰电机的step信号，以控制俯仰电机的转动。
一种基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台的跟踪算法，包括以下步骤：
步骤1，空中平台通过信标信道发送本端地理位置信息，地面系统根据信标信道提供的地理位置信息完成目标捕获和跟踪；
步骤2，光电开关将方位、横滚和俯仰信息通过gpio口传送给传感器采集mcu，三轴陀螺将速度信息和加速度信息传送给传感器采集mcu；
步骤3，传感器采集mcu通过spi接口读取三轴陀螺中的速度信息和加速度信息，进行数据预处理，并将天线状态通过串口发送消息给天线控制板mcu；
步骤4，天线控制板mcu经过综合计算，控制电机驱动器，调整动中通天线的通信姿态。
作为一种具体示例，步骤1所述的空中平台通过信标信道发送本端地理位置信息，地面系统根据信标信道提供的地理位置信息完成目标捕获和跟踪，具体如下：
步骤1.1、采用地面设备在目标捕获阶段采用tdma方式发送信标问询信号，即各个用户站以北斗授时为基准，在不同时段发送信标问询信号；
步骤1.2、空中平台收到地面设备问询信号后发送信标应答信号，其他时间保持静默状态；
步骤1.3、地面设备进行目标捕获和入网操作，停止发送信标问询信号，由业务信道完成地理位置信息更新。
作为一种具体示例，步骤1.3中所述的地面设备进行目标捕获和入网操作，具体如下：
步骤1.3.1，通过粗对准进行目标位置对准，当目标处于3km以内时，天线俯仰电机以0.533°/s的速度进行扫描；当天线处3km～15km范围内，天线俯仰电机以0.267°/s的速度进行扫描；当天线在15km范围以外时，天线俯仰电机以0.133°/s的速度进行扫描；方位电机始终以60°/s的速度进行扫描，系统总的捕获时间为43.5秒；
步骤1.3.2，通过精对准进一步地对准目标，精对准采用圆锥扫描算法对目标进行捕获。
作为一种具体示例，步骤4所述的天线控制板mcu经过综合计算，控制电机驱动器，调整动中通天线的通信姿态，包括采用三步跟踪算法控制α、β、γ轴上的电机跟踪目标，α、β、γ轴分别对应方位轴、俯仰轴、横滚轴，步骤如下：
步骤4.1，当目标处在上升阶段，且仰角小于75度时，保持γ轴不动，通过旋转α和β轴来跟踪目标；
步骤4.2，当目标处于仰角大于75度时，保持α轴不动，通过旋转β轴和γ轴来跟踪目标；
步骤4.3，当目标处在下降阶段且当仰角小于75度时，γ轴不动，通过旋转α和β轴来跟踪目标。
作为一种具体示例，步骤4所述的天线控制板mcu经过综合计算，控制电机驱动器，调整动中通天线的通信姿态，包括采用闭环pid反馈控制方式抑制载体干扰，步骤如下：
闭环pid反馈控制方式最内环为电流环，电流调节器的传递函数模型为
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用俯仰、横滚、方位三个轴跟踪目标，跟踪目标更加快速、稳定；(2)采用三轴结构，且采用三步切换跟踪算法，解决了目标跟踪的过顶问题；(3)采用stm32系列，使得跟踪系统具有处理速度快，抗干扰能力强的特点；(4)所用芯片体积较小，整体控制板较小，便于模拟与实用。
附图说明
图1是本发明基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台的结构框图。
图2是本发明中天线控制板mcu的结构框图。
图3是本发明中传感器采集mcu的结构框图。
图4是本发明具体实施方式中圆锥扫描算法的流程示意图。
图5是本发明具体实施方式中三轴系统的坐标图。
图6是本发明具体实施方式中建立的空间直角坐标系的坐标图。
图7是本发明具体实施方式中闭环pid反馈控制方法的流程示意图。
图8是本发明具体实施方式中扰动补偿控制系统的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
结合图1，本发明一种基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台，包括光电开关1、三轴陀螺2、传感器采集mcu3、天线控制板mcu4、馈源5、信标机6、滑环7、定位系统8、电机驱动器9和电机10；
所述光电开关1，包括方位光电开关、横滚光电开关和俯仰光电开关，用于将方位、横滚和俯仰的位置信息通过gpio口传送至传感器采集mcu3；
所述三轴陀螺2，用于将速度信息和加速度信息传送至传感器采集mcu3；
所述传感器采集mcu3，用于通过串口发送消息给天线控制板mcu4；
所述馈源5，是高增益天线的初级辐射器，用于将电波汇聚到自身处从而接收到最大信号，之后将信号传送至滑环7；
所述信标机6，用于将空中平台的地理位置发送至天线控制板mcu4；
所述滑环7，用于接收馈源5和定位系统8的输出信号，并将信号传输至天线控制板mcu4；
所述定位系统8，即惯性导航系统，用于提供目标的经纬度信息、海拔高度，并将传送至滑环7；
所述天线控制板mcu4，对接收到的信号进行综合计算，控制电机驱动器9，从而控制电机10调整动中通天线的通信姿态；
所述电机驱动器9，包括方位电机驱动器、方位电机驱动器和俯仰电机驱动器，用于驱动电机10按相应的速度运行；
所述电机10，包括方位电机、方位电机和俯仰电机，用于调整天线角度，使得动中通天线保持最佳的通信姿态。
所述的传感器采集mcu3通过spi接口读取三轴陀螺仪中的速度、加速度等信息，进行数据预处理；光电开关1将方位、横滚和俯仰信息通过gpio口传送给传感器采集mcu3，传感器采集mcu3根据imu、光电开关1的反馈信息，将天线状态通过串口发送消息给天线控制板mcu4。天线控制板mcu4通过传感器采集板mcu3感知动中通天线的运动状态，根据imu、惯导、信标机6、光电开关1的信息，由处理器经过综合计算，控制电机驱动器9，使动中通天线始终保持最佳的通信姿态，确保通信过程的稳定，通过网口与室内单元进行控制和状态信息的沟通。
结合图2，本发明的光电开关1将方位、横滚和俯仰信息通过gpio口传送给传感器采集mcu3，三轴陀螺2将速度、加速度信息传送给传感器采集mcu3，传感器采集mcu3使用stm32f103vet6。stm32f103vet6内置flash空间512k，cpu内置20k的sram，cpu的最高频率为72mhz，3个通用定时器，1个高级定时器，2个spi接口，3个usart接口；三轴陀螺2选用ad公司的adis16475-2型mems陀螺，adis16475-2为imu，包含陀螺仪和加速度计，除了提供陀螺仪信息外，还可以通过一定算法解算出俯仰和横滚的姿态信息。
结合图3，本发明的传感器采集板mcu3通过spi接口读取三轴陀螺2中的速度、加速度信息，进行数据预处理，之后将天线状态通过串口发送消息给天线控制板mcu4，天线控制版mcu4经过综合计算，控制电机驱动器9，使动中通天线始终保持最佳的通信姿态，确保通信过程的稳定。所述传感器采集mcu3采用stm32f103vet6，所述天线控制板mcu4采用stm32f427vet6，所述电机10采用鸣智公司的交流伺服电机，所述光电开关1采用kjt-st676，所述三轴陀螺2采用adis16475-2型mems陀螺。
进一步地，所述的天线控制板mcu4通过usart1将调试信息发送到pc端，并在pc端显示，输出天线的调试信息，以查看运算和控制的结果，辅助天线的调试；天线控制板mcu4通过usart2，与信标机6连接，获取目标相关信息；天线控制板mcu4通过usart3，接收定位系统中的惯性导航系统信息，并根据惯导信息调整天线对准方向；天线控制板mcu4通过usart4，接收传感器采集mcu3的信息，通过处理其中的陀螺仪信息，进一步调整天线对准角度；天线控制板mcu4通过uart1，发送速度指令给方位电机驱动器，控制方位电机按相应的速度运行；天线控制板mcu4通过uart2，发送速度指令给横滚电机驱动器，控制横滚电机按相应的速度运行；天线控制板mcu4通过uart3，发送速度指令给俯仰电机驱动器，控制俯仰电机按相应的速度运行；天线控制板mcu4通过网口，与伺服控制设备连接，接受设备相关信息查询以及天线运动控制命令，并接收反馈结果信息；天线控制板mcu4通过定时器4的通道2，产生一路pwm信号，用以控制方位电机的step信号，以控制方位电机的转动；天线控制板mcu4通过定时器5的通道2，产生一路pwm信号，用以控制横滚电机的step信号，以控制横滚电机的转动；天线控制板mcu4通过定时器8的通道1，产生一路pwm信号，用以控制俯仰电机的step信号，以控制俯仰电机的转动。
一种基于三步自适应算法的无人机三轴稳定平台的跟踪算法，包括以下步骤：
步骤1，空中平台通过信标信道发送本端地理位置信息，地面系统根据信标信道提供的地理位置信息完成目标捕获和跟踪；
步骤2，光电开关1将方位、横滚和俯仰信息通过gpio口传送给传感器采集mcu3，三轴陀螺2将速度信息和加速度信息传送给传感器采集mcu3；
步骤3，传感器采集mcu3通过spi接口读取三轴陀螺2中的速度信息和加速度信息，进行数据预处理，并将天线状态通过串口发送消息给天线控制板mcu4；
步骤4，天线控制板mcu4经过综合计算，控制电机驱动器9，调整动中通天线的通信姿态，确保通信过程的稳定。
进一步地，步骤1所述的空中平台通过信标信道发送本端地理位置信息，地面系统根据信标信道提供的地理位置信息完成目标捕获和跟踪，具体如下：
步骤1.1、采用地面设备在目标捕获阶段采用tdma方式发送信标问询信号，即各个用户站以北斗授时为基准，在不同时段发送信标问询信号；
步骤1.2、空中平台收到地面设备问询信号后发送信标应答信号，其他时间保持静默状态；
步骤1.3、地面设备进行目标捕获和入网操作，停止发送信标问询信号，由业务信道完成地理位置信息更新。
进一步地，步骤1.3中所述的地面设备进行目标捕获和入网操作，具体如下：
步骤1.3.1，通过粗对准大致对准目标位置，当目标处于3km以内时，天线俯仰电机以0.533°/s的速度进行扫描；当天线处3km～15km范围内，天线俯仰电机以0.267°/s的速度进行扫描；当天线在15km范围以外时，天线俯仰电机以0.133°/s的速度进行扫描；方位电机始终以60°/s的速度进行扫描，系统总的捕获时间为43.5秒；
步骤1.3.2，通过精对准从而更加准确地对准目标，精对准采用圆锥扫描算法，对目标进行高精度的捕获，如图4所示。
进一步地，步骤4所述的天线控制板mcu4经过综合计算，控制电机驱动器9，调整动中通天线的通信姿态，包括采用三步跟踪算法控制α、β、γ轴上的电机跟踪目标，α、β、γ轴分别对应方位轴、俯仰轴、横滚轴，步骤如下：
步骤4.1，当目标处在上升阶段，且仰角小于75度时，保持γ轴不动，通过旋转α和β轴来跟踪目标；
步骤4.2，当目标处于仰角大于75度时，保持α轴不动，通过旋转β轴和γ轴来跟踪目标；
步骤4.3，当目标处在下降阶段且当仰角小于75度时，γ轴不动，通过旋转α和β轴来跟踪目标。
三步跟踪算法解决目标过顶问题的理论分析如下：
三轴系统如图5所示，包括方位、俯仰、横滚三部分，分别对应于α轴、β轴和γ轴三个转轴。三个转轴的交点o固定，os所指方向为观测方向。系统以o为坐标原点，以正东方向为x轴正方向，正北方向为y轴正方向，天顶方向为z正方向，建立空间直角坐标系如图6。当(α，β，γ)＝(0，0，0)时,规定,α轴与z轴重合,β轴与x轴重合,γ轴与y轴重合,此时观测方向os指向天顶三轴旋转的正方向如图6所示。
三轴的旋转角度分别为α、β和γ,取值范围如下：
0≤α<360°,-90°≤β≤90°,-90°≤γ≤90°
设定α轴、β轴和γ轴的旋转矩阵分别为：
设定空间目标s离坐标原点o是单位长度,s在坐标系中的坐标为(x,y,z)，三轴平台经过旋转(α，β，γ)使观测方向对准目标s,那么(x，y，z)和(α,β,γ)关系如下：
三步跟踪算法指的是当跟踪目标处在上升阶段且当俯仰角小于75度时，保持α轴不动而通过旋转β轴和γ轴来跟踪目标，由于α轴保持不动,令α＝0，由上式得：
求导后可得:
最后可得：
当γ≠0，即目标高于水平面时,
进一步地，步骤4所述的天线控制板mcu4经过综合计算，控制电机驱动器9，调整动中通天线的通信姿态，包括采用闭环pid反馈控制方式抑制载体干扰，结合图7，步骤如下：
闭环pid反馈控制方式最内环为电流环，电流调节器的传递函数模型为
进一步地，系统采用扰动补偿方式抑制载体扰动，结合图8，具体如下：
首先检测平台方位方向的角速度，然后控制平台以相同速度反方向转动，从而减小扰动对系统的影响。
本发明采用俯仰、横滚、方位三个轴跟踪目标，跟踪目标更加快速、稳定；采用三轴结构，且采用三步切换跟踪算法，解决了目标跟踪的过顶问题；采用stm32系列，使得跟踪系统具有处理速度快，抗干扰能力强的特点；所用芯片体积较小，整体控制板较小，便于模拟与实用。
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