基于DSP的稳定平台设计

摘要：为了消除海水运动对需要保持稳定姿态物体的影响，设计了两轴稳定平台。该稳定平台以TMS320F28335DSP为核心微处理器，采用了多传感器采集、伺服控制技术等；并架设了嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ来管理多任务稳定平台系统。实验结果表明，该两轴稳定平台在稳定性及动态性能上均能满足要求，起到了隔离海水运动的目的。
关键词：稳定平台；DSP；捷联惯性系统；μC／OS-Ⅱ

0 引言
在海面上要求保持物体水平状态时，由于海浪的影响，将导致物体的姿态随海浪的波动而变化。两轴稳定平台的设计正是基于隔离海水运动的目的，在平面内保持物体的水平状态。随着传感器技术、嵌入式控制技术等多项技术的应用，稳定平台也得到了广泛的发展。国外在稳定平台方面的发展已经趋向小型化、数字化、集成化。近年来我国对稳定跟踪平台的研究也开始增多，有多个科研单位对稳定跟踪平台开展研究，已经在国防、科研及民用各领域发挥了重要作用。该机载稳定平台通过嵌入式DSP系统的运算及控制，建立了测量与控制系统。以μC／OS-Ⅱ操作系统来管理多任务平台，从而实现了稳定平台的智能化、稳定性、快速和精确性。

1 系统原理
稳定平台的工作原理为通过姿态测量得出当前实时姿态信息，通过驱动伺服电机的转动，调节上平台面达到稳定姿态。当平台受海水运动所产生的力矩干扰，其姿态会发生变化，偏离稳定位置，通过姿态测量可以得出横滚角及俯仰角信息。姿态测量系统布局在稳定平台的上平台面，随着上平台面的运动而运动。受上平台面尺寸方面的限制，系统布局如图1所示。

捷联惯性测量系统采用三陀螺、三加速度计组合的方式，构成了测姿系统的载体坐标系：其中ax，ay，az分别为三加速度计在载体坐标系三正交轴的加速度输出，ωx，ωy，ωz分别为三陀螺仪在载体坐标系三正交轴上的角速度输出。
传感器的布局设计构成了测姿系统的载体坐标系，而最终的平台姿态信息是相对于地理坐标系来说的，所以必须将测得的载体三轴向加速度和载体三轴向角速度转换到地理坐标系。
在上绕行电感平台面初始静态条件下，三加速度计输出值与重力加速度之比的反余弦值即为载体的初始状态值，定义为俯仰角θ0和横滚角γ0。得出初始姿态之后，便根据三陀螺仪输出的三角速度ωx，ωy，ωz进行姿态解算。姿态矩阵解算采用最典型的四元数法。四元数法中，载体坐标系相对地理坐标系的转动可以看作是刚体定点转动，其基本表达式用来转动四元数Q来表示，即：

式中：q0，q1，q2，q3为转换系数；i，j，k为三轴转换向量。故要求载体坐标系到地理坐标系的转换矩阵，需要解下列四元数运动方程：

式中：Q为四元数矢量矩阵，用以描述载体坐标系相对于地理坐标系的姿态变化量；W(ω)为载体坐标系相对地理坐标系的转动角速度在载体坐标系上的投影，也就是前面解算出来的载体三个轴向上的角速率。


2 控制系统硬件设计
考虑到稳定平台系统对数据处理方面的严格要求，核心微处理器选择TI公司的TMS320F28335数字信号处理器。TMS320F28335是TI公司到目前为止用于数字控制领域最好的DSP芯片，它具有浮点运算、集成度高、片上资源丰富、运算速度快等特点。平台系统硬件架构如图2所示。

姿态测量系统采用三陀螺、三加速度计组电容器电感器合的工字电感器方式，通过SPI接口与高速DSP处理器TMS320F28335相连接，用于在两者之间传输数字信息。其中共有大功率电感贴片电感器4线相连，分别为：串电感生产行时钟线SCLK、主机输入／从机输出数据线MISO、主机输出／从机输人数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS。SPI为全双工通信，具有传输速率快，简单高效等优点。三陀螺、三加速度计均采用3．3 V电压供电，由系统电源提供。系统时钟采用30 MHz的外部晶体给CPU提供时钟，并通过使能片上PLL电路及控制寄存器的修改得到所需的时钟频率。

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