基于DSP的穩(wěn)定平臺設(shè)計

摘要：為了消除海水運動對需要保持穩(wěn)定姿態(tài)物體的影響，設(shè)計了兩軸穩(wěn)定平臺。該穩(wěn)定平臺以TMS320F28335DSP為核心微處理器，采用了多傳感器采集、伺服控制技術(shù)等；并架設(shè)了嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ來管理多任務(wù)穩(wěn)定平臺系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該兩軸穩(wěn)定平臺在穩(wěn)定性及動態(tài)性能上均能滿足要求，起到了隔離海水運動的目的。
關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺；DSP；捷聯(lián)慣性系統(tǒng)；μC／OS-Ⅱ

0 引言
在海面上要求保持物體水平狀態(tài)時，由于海浪的影響，將導(dǎo)致物體的姿態(tài)隨海浪的波動而變化。兩軸穩(wěn)定平臺的設(shè)計正是基于隔離海水運動的目的，在平面內(nèi)保持物體的水平狀態(tài)。隨著傳感器技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等多項技術(shù)的應(yīng)用，穩(wěn)定平臺也得到了廣泛的發(fā)展。國外在穩(wěn)定平臺方面的發(fā)展已經(jīng)趨向小型化、數(shù)字化、集成化。近年來我國對穩(wěn)定跟蹤平臺的研究也開始增多，有多個科研單位對穩(wěn)定跟蹤平臺開展研究，已經(jīng)在國防、科研及民用各領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。該機載穩(wěn)定平臺通過嵌入式DSP系統(tǒng)的運算及控制，建立了測量與控制系統(tǒng)。以μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)來管理多任務(wù)平臺，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定平臺的智能化、穩(wěn)定性、快速和精確性。

1 系統(tǒng)原理
穩(wěn)定平臺的工作原理為通過姿態(tài)測量得出當(dāng)前實時姿態(tài)信息，通過驅(qū)動伺服電機的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)上平臺面達到穩(wěn)定姿態(tài)。當(dāng)平臺受海水運動所產(chǎn)生的力矩干擾，其姿態(tài)會發(fā)生變化，偏離穩(wěn)定位置，通過姿態(tài)測量可以得出橫滾角及俯仰角信息。姿態(tài)測量系統(tǒng)布局在穩(wěn)定平臺的上平臺面，隨著上平臺面的運動而運動。受上平臺面尺寸方面的限制，系統(tǒng)布局如圖1所示。

捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)采用三陀螺、三加速度計組合的方式，構(gòu)成了測姿系統(tǒng)的載體坐標系：其中ax，ay，az分別為三加速度計在載體坐標系三正交軸的加速度輸出，ωx，ωy，ωz分別為三陀螺儀在載體坐標系三正交軸上的角速度輸出。
傳感器的布局設(shè)計構(gòu)成了測姿系統(tǒng)的載體坐標系，而最終的平臺姿態(tài)信息是相對于地理坐標系來說的，所以必須將測得的載體三軸向加速度和載體三軸向角速度轉(zhuǎn)換到地理坐標系。
在上平臺面初始靜態(tài)條件下，三加速度計輸出值與重力加速度之比的反余弦值即為載體的初始狀態(tài)值，定義為俯仰角θ0和橫滾角γ0。得出初始姿態(tài)之后，便根據(jù)三陀螺儀輸出的三角速度ωx，ωy，ωz進行姿態(tài)解算。姿態(tài)矩陣解算采用最典型的四元數(shù)法。四元數(shù)法中，載體坐標系相對地理坐標系的轉(zhuǎn)動可以看作是剛體定點轉(zhuǎn)動，其基本表達式用來轉(zhuǎn)動四元數(shù)Q來表示，即：

式中：q0，q1，q2，q3為轉(zhuǎn)換系數(shù)；i，j，k為三軸轉(zhuǎn)換向量。故要求載體坐標系到地理坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，需要解下列四元數(shù)運動方程：

式中：Q為四元數(shù)矢量矩陣，用以描述載體坐標系相對于地理坐標系的姿態(tài)變化量；W(ω)為載體坐標系相對地理坐標系的轉(zhuǎn)動角速度在載體坐標系上的投影，也就是前面解算出來的載體三個軸向上的角速率。