基于DSP的穩定平臺設計

摘要：為了消除海水運動對需要保持穩定姿態物體的影響，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、伺服控制技術等；并架設了嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ來管理多任務穩定平臺系統。實驗結果表明，該兩軸穩定平臺在穩定性及動態性能上均能滿足要求，起到了隔離海水運動的目的。
關鍵詞：穩定平臺；DSP；捷聯慣性系統；μC／OS-Ⅱ

0 引言
在海面上要求保持物體水平狀態時，由于海浪的影響，將導致物體的姿態隨海浪的波動而變化。兩軸穩定平臺的設計正是基于隔離海水運動的目的，在平面內保持物體的水平狀態。隨著傳感器技術、嵌入式控制技術等多項技術的應用，穩定平臺也得到了廣泛的發展。國外在穩定平臺方面的發展已經趨向小型化、數字化、集成化。近年來我國對穩定跟蹤平臺的研究也開始增多，有多個科研單位對穩定跟蹤平臺開展研究，已經在國防、科研及民用各領域發揮了重要作用。該機載穩定平臺通過嵌入式DSP系統的運算及控制，建立了測量與控制系統。以μC／OS-Ⅱ操作系統來管理多任務平臺，從而實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姿態測量得出當前實時姿態信息，通過驅動伺服電機的轉動，調節上平臺面達到穩定姿態。當平臺受海水運動所產生的力矩干擾，其姿態會發生變化，偏離穩定位置，通過姿態測量可以得出橫滾角及俯仰角信息。姿態測量系統布局在穩定平臺的上平臺面，隨著上平臺面的運動而運動。受上平臺面尺寸方面的限制，系統布局如圖1所示。

捷聯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，而最終的平臺姿態信息是相對于地理坐標系來說的，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值，定義為俯仰角θ0和橫滾角γ0。得出初始姿態之后，便根據三陀螺儀輸出的三角速度ωx，ωy，ωz進行姿態解算。姿態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可以看作是剛體定點轉動，其基本表達式用來轉動四元數Q來表示，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變化量；W(ω)為載體坐標系相對地理坐標系的轉動角速度在載體坐標系上的投影，也就是前面解算出來的載體三個軸向上的角速率。