[发明专利]海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及高精度重力测量技术领域，具体涉及一种海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统及方法。

技术背景

海洋/航空重力测量稳定平台是高精度重力仪系统中必不可少的组成部分，它主要提供高度稳定的水平基准和姿态信息，以保证重力传感器在工作中始终保持稳定的垂直指向，消除运动载体姿态变化带来的测量误差，隔离振动等干扰因素对重力测量的影响，是重力仪中保证重力测量精度的关键组成部分。而稳定平台控制系统又是保证平台稳定精度的关键。

在稳定平台的角速度传感器方面，光纤陀螺技术在近几十年取得了长足进步，精度不断提高，目前高精度光纤陀螺的精度可以达到惯性级，最高精度可以达到精密级，并且其精度仍有提升的潜力和空间。相比传统陀螺仪，光纤陀螺具有体积小、成本低、全姿态测角以及抗冲击等优势，因此特别适合用于捷联惯导系统，也特别适合作为陀螺稳定平台的测角元件。

传统稳定平台单纯追求快速性和高精度。而对于大负载重力稳定平台，其搭载的重力传感器和自身姿态/速率传感器光纤IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)都是非常精密的仪器。当系统在大偏角下启动或系统由于异常产生大偏角的情况下，由于传统控制系统的调节时间很短，平台台面会经历一个剧烈调整的过程，这个过程必然会对系统产生极大的冲击，这种冲击会影响重力传感器、光纤IMU等精密器件的使用寿命，也会影响力矩电机等部件的使用寿命。因此在保证平台最终稳定精度的同时，控制的平稳性也至关重要。这是传统平台难以解决的问题。

传统平台的重力传感器具有质量大、精密程度高以及成本较高等特点，平台的故障甚至倾覆会造成严重后果，这对重力测量平台的容错保护提出了很高的要求。需要一种多余度、全面、有效的容错保护方法，对系统的异常进行检测和处理，保障仪器工作的可靠性和安全性。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统及方法，该系统和方法以光纤陀螺为核心的惯性测量单元作为海洋航空重力测量平台的姿态基准，为控制系统提供平台姿态角和角速率信号。为了简化控制系统操作，提升控制过程智能化程度，本发明采用了一键启动的控制方式，使系统操作简单。为了克服单一控制模型的平台控制过程中系统冲击较大的问题，本发明提出一种角度自适应控制方法，根据平台的倾角调整控制器的参数，从而保证平台控制过程的平稳性。由于重力测量平台对容错保护的要求很高，本发明设计了角度/角速度异常保护、软件故障保护以及硬件保护三级异常处理机制，保障仪器工作的可靠性和安全性。

为实现此目的，本发明所设计的海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统，它包括上位机、数字信号处理器、第一功率放大器、第二功率放大器、俯仰轴力矩电机、横滚轴力矩电机和重力测量平台，其中，所述重力测量平台包括外层框架、在横滚轴力矩电机的驱动下能在外层框架内转动的内层框架、在俯仰轴力矩电机的驱动下能在内层框架内转动的平台面板、固定在平台面板上的惯性测量单元，固定在平台面板上的重力传感器，所述上位机的通信端连接数字信号处理器的通信端，数字信号处理器的俯仰电机控制信号输出端通过第一功率放大器连接俯仰轴力矩电机的控制信号输入端，数字信号处理器的横滚电机控制信号输出端通过第二功率放大器连接横滚轴力矩电机的控制信号输入端，所述惯性测量单元的信号输出端分别连接上位机和数字信号处理器的惯性信号输入端。

一种利用上述系统进行海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护的方法，它包括如下步骤：

步骤1：将海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统设置在船舶或飞行器上，船舶或飞行器在准静态状态下，将上述海洋航空重力测量平台自适应控制与容错保护系统开机，惯性测量单元对重力测量平台进行初始对准，数字信号处理器开始初始化处理；

步骤2：数字信号处理器初始化完毕后，数字信号处理器进入延时程序，数字信号处理器的俯仰电机控制信号输出端和横滚电机控制信号输出端输出置0，等待惯性测量单元对准完毕；

步骤3：惯性测量单元初始对准完毕后，数字信号处理器接收惯性测量单元输出的重力测量平台姿态角、角速率和协调世界时信息，并进行解析；

步骤4：数字信号处理器根据惯性测量单元提供的重力测量平台导航信息中的姿态角和角速率数据，判断重力测量平台是否满足开机条件，如果重力测量平台导航信息中的姿态角＞25°或角速度＞6°/s，则重力测量平台不满足开机条件，如果重力测量平台导航信息中的姿态角≤25°且角速度≤6°/s，则重力测量平台满足开机条件；