基于DSP的穩定平臺設計

摘要：為了消除海水運動(dòng)對需要保持穩定姿態(tài)物體的影響，設計了兩軸穩定平臺。該穩定平臺以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；并架設了嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ來(lái)管理多任務(wù)穩定平臺系統。實(shí)驗結果表明，該兩軸穩定平臺在穩定性及動(dòng)態(tài)性能上均能滿(mǎn)足要求，起到了隔離海水運動(dòng)的目的。
關(guān)鍵詞：穩定平臺；DSP；捷聯(lián)慣性系統；μC／OS-Ⅱ

0 引言
在海面上要求保持物體水平狀態(tài)時(shí)，由于海浪的影響，將導致物體的姿態(tài)隨海浪的波動(dòng)而變化。兩軸穩定平臺的設計正是基于隔離海水運動(dòng)的目的，在平面內保持物體的水平狀態(tài)。隨著(zhù)傳感器技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等多項技術(shù)的應用，穩定平臺也得到了廣泛的發(fā)展。國外在穩定平臺方面的發(fā)展已經(jīng)趨向小型化、數字化、集成化。近年來(lái)我國對穩定跟蹤平臺的研究也開(kāi)始增多，有多個(gè)科研單位對穩定跟蹤平臺開(kāi)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。該機載穩定平臺通過(guò)嵌入式DSP系統的運算及控制，建立了測量與控制系統。以μC／OS-Ⅱ操作系統來(lái)管理多任務(wù)平臺，從而實(shí)現了穩定平臺的智能化、穩定性、快速和精確性。

1 系統原理
穩定平臺的工作原理為通過(guò)姿態(tài)測量得出當前實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，通過(guò)驅動(dòng)伺服電機的轉動(dòng)，調節上平臺面達到穩定姿態(tài)。當平臺受海水運動(dòng)所產(chǎn)生的力矩干擾，其姿態(tài)會(huì )發(fā)生變化，偏離穩定位置，通過(guò)姿態(tài)測量可以得出橫滾角及俯仰角信息。姿態(tài)測量系統布局在穩定平臺的上平臺面，隨著(zhù)上平臺面的運動(dòng)而運動(dòng)。受上平臺面尺寸方面的限制，系統布局如圖1所示。

捷聯(lián)慣性測量系統采用三陀螺、三加速度計組合的方式，構成了測姿系統的載體坐標系：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。
傳感器的布局設計構成了測姿系統的載體坐標系，而最終的平臺姿態(tài)信息是相對于地理坐標系來(lái)說(shuō)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，便根據三陀螺儀輸出的三角速度ωx，ωy，ωz進(jìn)行姿態(tài)解算。姿態(tài)矩陣解算采用最典型的四元數法。四元數法中，載體坐標系相對地理坐標系的轉動(dòng)可以看作是剛體定點(diǎn)轉動(dòng)，其基本表達式用來(lái)轉動(dòng)四元數Q來(lái)表示，即：

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

式中：Q為四元數矢量矩陣，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動(dòng)角速度在載體坐標系上的投影，也就是前面解算出來(lái)的載體三個(gè)軸向上的角速率。