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基于MEMS陀螺仪的稳定平台关键技术研究

作　者: 赵灵
导　师: 朱欣华
学　校: 南京理工大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: MEMS陀螺仪稳定平台卡尔曼滤波 PID DSP
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

稳定平台因其隔离载体干扰的能力,在现代武器和民用设备中均得到了广泛的应用,开展对稳定平台关键技术的研究具有重要的现实意义和明确的应用需求。本文针对小型运载体上关键设备的稳定技术需求,设计了基于MEMS陀螺仪的双轴稳定平台,阐述了双轴稳定平台精确设计要求、详细设计方案和具体实现方法。该平台以小型化为目标,采用MEMS陀螺仪敏感框架的角速度信号,利用改进的PID控制算法进行数字伺服控制系统的设计和实现。文中首先通过理论推导及仿真研究了机械结构、干扰力矩和陀螺安装误差等对平台稳定精度的影响；其次,利用Allan方差法分析了MEMS陀螺仪随机误差的组成,并建立了相应的ARMA模型,设计了卡尔曼滤波器降低了MEMS陀螺仪的输出噪声；然后,在经典PID控制算法的基础上加入了抗积分饱和、微分饱和等算法,设计了改进型PID控制算法,利用1natlab/simulink工具箱建立了双轴控制系统仿真模型,通过仿真结果验证了算法的可行性；最后,设计了以TMS320F2812型DSP为主控制器的伺服控制硬件电路,包括陀螺信号采集模块、主控制器模块和驱动器电机接口模块,利用2812专用于电机控制的事件管理器(EV)产生PWM脉宽调制信号对电机进行速度和位置控制,实现对平台载体干扰的隔离。对设计完成的基于MEMS陀螺仪的双轴稳定平台样机进行了调试和测试,测试结果表明,在外部干扰情况下,平台方位轴在0。-360。转动范围内能够相对惯性空间稳定,稳定精度≤1.0。；俯仰轴在-45。-45。转动范围内相对惯性空间稳定,稳定精度≤1.0。。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-15
  1.1 基于MEMS陀螺仪的稳定平台的研究意义  8
  1.2 稳定平台研究现状  8-13
    1.2.1 国内外研究现状  8-9
    1.2.2 控制策略发展情况  9-11
    1.2.3 陀螺仪发展概况  11-13
  1.3 论文主要研究内容  13-15
2 基于陀螺仪的双轴稳定平台系统设计  15-35
  2.1 双轴稳定平台稳定与跟踪机理  15-16
  2.2 稳定平台系统组成  16-17
  2.3 平台稳定隔离方程及陀螺安装方式  17-20
  2.4 电机建模与具体选型  20-25
  2.5 平台稳定精度影响因素分析  25-34
    2.5.1 机械结构误差  25-28
    2.5.2 干扰力矩  28-31
    2.5.3 机械谐振  31
    2.5.4 陀螺仪信号误差  31-34
  2.6 本章小结  34-35
3 控制系统设计  35-49
  3.1 三环控制策略设计  35-43
    3.1.1 三环控制原理  35-36
    3.1.2 控制算法选择  36-43
  3.2 控制系统的matlab/simulink仿真  43-47
  3.3 本章小结  47-49
4 MEMS陀螺信号分析与处理  49-61
  4.1 陀螺仪信号随机误差的Allan方差分析  49-53
    4.1.1 Allan方差法基本原理  49-52
    4.1.2 陀螺仪误差成分数据分析  52-53
  4.2 陀螺仪信号数字滤波方法  53-59
    4.2.1 基于ARMA模型的卡尔曼去噪方法  54-58
    4.2.2 基于阈值的小波去噪方法  58-59
  4.3 本章小结  59-61
5 稳定控制系统软硬件设计  61-71
  5.1 平台稳定与跟踪功能要求  61
  5.2 主要芯片选型  61-63
    5.2.1 DSP控制器选型  61-62
    5.2.2 外接模/数转换芯片  62-63
    5.2.3 MEMS陀螺仪  63
  5.3 控制模块硬件电路图设计  63-68
    5.3.1 DSP电源设计  64-65
    5.3.2 A/D采集电路设计  65-66
    5.3.3 PWM引脚与驱动器接口电路  66
    5.3.4 编码器与控制器接口电路  66-67
    5.3.5 整体样机展示  67-68
  5.4 控制系统软件设计  68-70
    5.4.1 软件主要模块流程图  68-69
    5.4.2 滤波算法  69-70
    5.4.3 PID控制算法  70
  5.5 本章小结  70-71
6 试验与结论  71-80
  6.1 方位轴调试步骤及测试结果  71-76
    6.1.1 PWM波形测试结果  71-72
    6.1.2 编码器反馈测试结果  72-73
    6.1.3 方位轴陀螺性能测试  73-75
    6.1.4 方位轴转动范围及稳定精度试验  75-76
  6.2 俯仰轴调试步骤及测试结果  76-79
    6.2.1 A/D采集电路测试  76
    6.2.2 俯仰轴陀螺仪性能测试  76-78
    6.2.3 俯仰轴转动范围及稳定精度实验  78-79
  6.3 本章小结  79-80
7 总结与展望  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-85
附录  85

基于MEMS陀螺仪的稳定平台关键技术研究

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