低空遥感小型三轴陀螺稳定平台的设计与实现

低空遥感小型三轴陀螺稳定平台的设计与实现

针对不同规模的无人机遥感系统的开发和成像，并已进入摄影和测量三维测量的专业领域。依据航空摄影测量规范,用于摄影测量的无人机航空摄影系统对有效载荷的姿态稳定度有着严格的量化要求。而飞机在航摄时会受到机体震动和空中杂散气流的影响,有效载荷会随之改变摄影姿态,造成航摄漏洞以及摄影测量交会角过小等严重问题。提高有效载荷的姿态精度只能借助小型三轴陀螺稳定平台。按照测绘领域专用、性价匹配的思想,设计并实现了一套低成本的用于低空遥感的小型三轴陀螺稳定平台,基本满足小区域大比例尺地形图立体测绘对稳定平台的要求。该系统以自主设计的三轴铝制云台为平台,以MEMS三轴角速率陀螺、线加速度计和磁阻传感器为基础,配置ARMCortexTM-M332位核心微处理器进行捷联姿态解算,以数字钛合金舵机为驱动输出。1低空遥感稳定平台是采用络联式稳定实现无人机有效载荷的增稳控制通常有两种方式:一是使用独立的稳定平台。如以色列的“侦查兵”和美国的“捕食者”无人机,其机载设备都采用了独立的平台式稳定系统。平台式稳定系统具有精度高、计算简单、响应快的优点,但是也存在体积大、机械结构复杂、补偿范围小、价格昂贵的缺点,一般仅适用于大型军用高端无人机。二是采用捷联方式。这种方式省去了复杂的机械结构平台,具有体积小、重量轻,成本低、补偿范围大的特点,但是传感器直接受机体震动的影响,精度和可靠性比平台式系统低。小型无人机对重量、体积和成本都比较敏感,飞行中姿态比大型无人机更易受空中杂散气流的影响而产生较大变化,因此第2种方式更适合于小型低空遥感无人机。邱宝梅等设计了安装摄像机的机载摄像稳定平台,其姿态稳定精度达到0.4°。但是该平台不保证航向绝对精度,且重达12kg,不适用于低空遥感无人机。Ying-ChihLai等设计了一个低成本的小型化的三轴姿态和航向参考系统(AHRS),其方向参考在可接受的范围内,但是文中未提及工程应用情况。霍丽霞等只提出了微型无人机稳定平台的设计方法,为实现机载侦察监视系统的稳定性和微型化提供了参考,并未涉及系统的实现方法。由此可见:捷联式稳定平台是低空遥感平台的首选方式;三轴陀螺稳定平台在小型无人机低空遥感上还未达到工程实用的程度。2航空摄影正演控制软件设计系统包括传感器、A/D模数转换、姿态解算与罗差改正、模糊PID(ProportionIntegrationDifferentiation比例-积分-微分)控制和驱动输出等5个子系统,系统原理如图1所示。首先由传感器子系统在同一时刻采样加速度计、速率陀螺和磁阻传感器的测量值,通过快速高分辨率A/D转换把模拟采集量转换为数字信号,经过捷联式姿态解算和罗差改正输出3个姿态角H(Heading航向角)、p(pitch俯仰角)和r(roll翻滚角)相对于参考点的误差值;然后送入模糊PID控制子系统,经过处理输出PWM(PulseWidthModulation脉宽调制)控制信号;最后驱动3个正交姿态调整舵机校正平台的姿态,达到稳定平台的目的。根据国家1∶500,1∶1000及1∶2000比例尺地形图航空摄影规范的要求,航摄仪的倾斜角不大于2°,旋偏角不大于6°;自稳平台的设计技术指标为:航偏角误差不大于2°,航偏角修正范围为0°~360°,倾斜角误差不大于0.5°,倾斜角修正范围为-45°~+45°。2.1模拟系统的基本原理传感器是整个系统的基础,它的性能直接关系到整个系统的精度与稳定性。综合考虑实际应用对精度和成本的要求,陀螺和加速度计选用美国ADI公司的MEMS模拟传感器ADXRS610/ADXRS613和ADXL103/ADXL203。磁阻传感器选择Honeywell的模拟传感器HMC1021和HMC1022,主要技术参数参见文献。相对数字传感器而言,采用模拟传感器方案的研制难度大,周期长,但是其传感器价格低廉,A/D转换可以灵活选择。重要的一点是,这样可以保证各个传感器采样时间的一致性,能有效提高系统的测量精度。2.2a/d转换芯片A/D转换的精度和速度直接影响系统的测角精度和瞬态响应,因此A/D转换是系统设计的重要环节。A/D转换芯片选用美国TI的ADS1258。ADS1258是16通道、24位delta-sigma模数转换器。片上的温度、电源和参考电压的监测保证了系统的完整性,实现了42μs的超低转换延时,以达到23.7kSPS的采样频率。2.3姿态解算方法姿态解算的常用方法有欧拉角法、方向余弦法和四元数法。实际工程中,姿态解算一般都选择四元数法。这是因为四元数不但能更简便地描述刚体的转动问题,简化计算,而且可以避免欧拉角法在转角等于90°时产生的方程退化问题和方向余弦法计算量大的缺点。2.3.1左、右部系的方位关系姿态解算用到了地理坐标系(n系NED)和平台坐标系(b系xbybzb)。n系原点在平台重心,N轴指北,E轴指东,D轴和重力g一致。b系原点在平台重心,xb沿飞行纵轴方向,yb与飞行器横轴方向一致,zb轴沿平台竖直向下,xbybzb构成右手系。姿态解算的实质就是确定b系在n系的方位关系。由于b系和n系均为直角坐标系,当只考虑两个直角坐标系的角位置相互关系和便于用四元数理论讨论刚体定点转动时,可使两个坐标系的原点重合。在摄影测量中考虑到摄测系原点与n系的原点并不重合,但是各轴定义相同,因此在安置时应尽量使两个坐标系的原点接近与各轴平行,对于要求比较高的应用场合可人工标定出n系与摄测系的方位关系。2.3.2元数描述的rb假定矢量rb通过定点“O”的某一轴以角速度ω转动了θ角,则有b系和n系的变换四元数为式中,u为转轴方向的单位矢量。转动后的矢量用rn表示,则rn与rb的关系可由四元数描述为式中,Q*为Q的共轭四元数;“ue0c9”表示四元数乘法。显然Q是时间的函数,如果用Q(t)表示t时刻的四元数,Q(t+Δt)为(t+Δt)时刻的四元数,则有Q(t+Δt)相当于Q(t)和ΔQ(t)两次转动的合成四元数,故有考虑到Δt很小,在Δt时间内转动角度也很小,则有uΔθ≈ωΔt,代入式(1)得把式(4)代入式(3)并取极限得四元数微分方程2.3.3加速度计与三轴磁阻传感器组合式(8)是迭代求解过程,因此必须已知t=0时的初值,即初始对准。在MEMS器件当中,加速度计的精度较高,可以满足初始对准水平面的要求。但MEMS陀螺的灵敏度较低,东陀螺不能正确地感知地球自转角速度,无法对准航向。在这种情况下,加速度计必须与三轴磁阻传感器组合才能满足航向对准的要求。设gb为加速度计的观测值,gn为n系中重力加速度的观测值,显然gb与gn的关系可表示为由惯导比力方程可知:fb=-gb。将其代入式(11)得把式(13)代入式(12)可得p和r的初值为由文献知,3轴磁阻传感器感应出地球磁场的3个磁场分量Bx,By和Bz。考虑到平台的倾斜,在计算航向角之前须将3个磁场分量投影到本地水平面上,公式为其中,Xb和Yb为地球磁场B在本地水平面内的磁场分量。把计算出来的Xb和Yb代入式(16)可得到航向角的初值为式中,α为本地的磁偏角。把计算得到的H,p和r的初值通过式(17)代入四元数迭代方程求解下一时刻的四元数。2.4磁联视角下的磁联轴测点位置航向角测量结果会受到平台周围磁场的影响而产生周期性误差。该磁场由硬铁磁场和软铁磁场两部分组成。为此引入一个基于傅立叶函数的罗差方程式中,H为实际航向角;Hm为磁阻传感器测量的航向角;ΔH为罗差。由罗差原理分析及磁航向罗差式(18)可知,进行磁航向补偿即是要针对具体的系统环境测出磁航向误差式中的误差系数A,B,C,D和E。常用的是8位置误差测量方法,计算过程参见文献。野外条件下并不能较精确地测出8个标定点的真实位置。但是可以通过指南针先找出磁北,使平台的北向与磁北对齐,然后按照在实验室里标定的位置,依次驱动平台转向其余7个位置。2.5自适应模糊pid控制器设计由姿态解算子系统得出3个姿态角,计算出水平面以及北方向的角度差;然后使用自适应模糊PID控制算法,输出PWM信号驱动平台舵机,使平台自动修正到北方向和铅垂线方向。下面介绍系统所使用的自适应模糊PID控制器。在传统的PID控制系统中,PID控制器的控制规则为自适应模糊PID控制器是在PID算法的基础上,以误差e和误差变化ec作为输入,利用模糊规则进行模糊推理,查询模糊矩阵表进行参数调整,以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊规则在线对PID参数进行修改,就构成了自适应模糊PID控制器,从而使对象具有良好的动、静态性能。模糊控制设计的核心是基于专家知识或控制工程师长期积累的技术知识和实际操作经验,从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面总结出的模糊推理规则,建立针对3个参数KP,KI和KD合适的模糊规则表。平台采用的自适应模糊PID控制器结构如图2所示。图2中模糊控制系统采用单点模糊化,通过Mamdani模糊推理得到PID系数的修正模糊量,采用重心平均解模糊法实现控制量的输出。其输入变量是误差信号和误差信号的变化率,输出变量是PID控制器的3个系数。根据Mamdani模糊推理模型的需求,多输入多输出系统可以分解成多输入单输出的模糊控制系统来进行考虑。因此,模糊控制规则可表示为式中,e表示误差信号量;ec表示误差信号的变化率。根据以上原则,由模糊推理可分别得出修正参数ΔKP,ΔKI和ΔKD的模糊量。但是模糊量不能直接用于驱动被控对象,在实际工程中要用一个确定的值代替模糊量,即去模糊化。考虑到平台系统的要求,采用重心法去模糊化,重心法的求取公式为式中,ΔK*为去模糊化后的精确值;ΔKn为模糊值;ΔK(ΔKn)为模糊值的隶属度。在平台控制系统中,PID控制参数的确定分两步进行:第1步是确定初始的PID参数KP0,KI0和KD0;第2步是在初定的PID控制参数的基础上,根据自适应模糊推理和参数修正输出的ΔKP,ΔKI和ΔKD自动修正初定的PID参数,计算公式为式中,kn为参数修正量;ΔKn为比例因子。文献[18-21]通过仿真和部分实验得出了自适应模糊PID的控制性能优于传统PID控制的结论。这里设计实现的平台的实验结果也验证了这一结论。2.6罗差调整标定的现代技术平台采用HITECHS-7955系列的高精度钛合金数字舵机为俯仰和横滚驱动,GWSS125数字舵机为航向驱动,基本参数参见文献[22-23]。舵机控制信号为脉宽0.5~2.5ms,周期20ms的PWM信号,其中点位置在1.5ms处。利用占空比的变化线性改变舵机位置,罗差改正标定预置位也是利用了舵机的这一性质。由于舵机的控制信号是PWM信号,所以易实现与ARM的16bitPWM模块的对接。航向舵机和主齿轮盘的齿轮比为6∶1,俯仰和横滚舵机与支架的齿轮比为1∶1。因此,航向角的修正量为0°~360°,俯仰和横滚修正量范围为-45°~+45°。GWS数字舵机的脉宽分辨率优于0.24μs,俯仰和横滚舵机的脉宽分辨率优于1μs。由此可得航向的驱动分辨率优于0.088°,俯仰和横滚的驱动分辨率优于0.09°,驱动响应时间为20ms。3奥西矿山下描述地区三轴陀螺稳定平台的CAD设计图和实物图如图3所示。采用文献实验方案对稳定平台系统做了室内精度测试。测试结果为:1)测角精度为航向1°,俯仰和横滚0.1°;2)机械控制精度优于0.1°,驱动响应时间小于20ms;3)最大驱动速度为航向2s/60°,俯仰和横滚为0.15s/60°;4)自重1kg,最大有效载荷为5kg。系统于2011年6月集成到自制的双翼无人航摄机,完成首次实验飞行。2011年7月完成奥西山庄面积大约为1km2的任务区飞行。摄影比例尺大约在1∶800,所有像片达到航空摄影规范要求。4基于集成的自动驾驶仪自适应移动遥感控制方案设计1)稳定平台的主要技术指标达到或超过设计指标,在实验区实际飞行测试中得到了满意的效果。2)可以满足低空摄影