基于XPC环境的两轴稳定平台控制策略

　　前 言

　　稳定平台是一种能够使被稳定对象相对某惯性空间保持在一定范围内方位不变，亦可按照给定规律调节被稳定对象位置方位的装置[1]。由于具有能隔离载体(飞机、车辆、船舶等)运动和姿态变化影响而始终保持水平的功能，稳定平台被广泛应用于现代航空航天、武器装备、交通运输及民用设施等领域中。两轴稳定平台是多轴稳定平台中较基本的一种，探讨两轴稳定平台的控制策略在研究多轴稳定平台技术方面具有较大的意义。在小负载情况下,两轴稳定平台多采用电机作为驱动元件，结构简单，系统可靠性高。

　　本文所涉及的两轴稳定平台控制系统是一种基于 XPC Target 环境，以陀螺仪作为测量元件、模拟量驱动伺服电机的方式实现的实时控制系统。这种控制系统在提高控制过程的可观测性及控制精度等方面的优势尤为突出。

　　1 运动学分析

　　记(ix，jy，kz)和(iu，jv，kw)分别为坐标系 OXYZ 和OUVW 沿它们的坐标轴的单位矢量，则空间中一点P 在两个坐标系中的位置表示为[2]

　　由转移矩阵的概念，可推得：

　　称式(3)为坐标系 OUVW 绕 X 轴旋转 α 角的旋转矩阵。同样地，绕 Y 轴旋转 β 角和绕 Z 轴旋转 γ角的旋转矩阵分别为

　　两轴稳定平台的两个框架分别绕 X 轴和 Y轴旋转角度 α 和 β 后得到的旋转矩阵为

　　已知上平台的姿态求解各框架的转角为运动学逆解。设欧拉角(φ，θ，ψ)T表示上平台的姿态，(α，β，γ)T表示平台各框架的转角 (对于两轴稳定平台而言，γ=0°)。

　　根据旋转矩阵的定义，可以求出方位角的旋转方程为:

　　针对本文中两轴稳定平台实现的具体实施方式，对稳定平台及陀螺仪的坐标系进行定义，如图 1所示。

　　由图 1 可知，陀螺仪的坐标系(OX′Y′Z′)与稳定平台的坐标系(OXYZ)在 Y 轴方向上相差 180°。故此时陀螺仪方位角的旋转矩阵为

　　令陀螺仪方位角的旋转矩阵与稳定平台的方位阵相等，有

　　将式(6)、式(7)和式(8)代入式(9)中，得运动学逆解表达式为

　　2 控制系统设计

　　本文所给出的两轴稳定平台伺服系统是一个以工业控制计算机为控制核心的控制系统，对电机的直接控制是通过伺服驱动器实现的。系统的测量元件为陀螺仪，控制机构为伺服驱动器，被控对象为伺服电机。通过在 XPC Target 环境下运行控制软件，实现控制系统的指令传输、数据采集、监控管理和对转台驱动等功能。