采用捷联惯导的火炮瞄准稳定系统控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种采用捷联惯导的火炮瞄准稳定系统控制方法，首先采集捷联惯导陀螺组所测量的三轴角速率并转换至大地坐标系下的角速率；然后计算车体系下高低和方位调转角速率、炮塔俯仰和横滚角速率以及车体航向角速率；其次，接受稳定控制指令，采集位置反馈，大幅调转时控制驱动器工作于调速模式；进入稳定模式后进行位置、前馈控制，速率稳定、速率干扰补偿控制，控制驱动器工作于电流或力矩模式；当达到稳定精度后上报瞄准好。本发明专利技术控制精度高，节约了成本，提高了可靠性。

【技术实现步骤摘要】
采用捷联惯导的火炮瞄准稳定系统控制方法
本专利技术属于火炮随动系统领域，主要涉及需要精确稳定、跟踪的火炮随动系统的控制方法。
技术介绍
随着军事斗争的发展演变，新军事作战需求迫切需要压制武器具备行进间射击的能力，需要自行火炮能够遂行动对静、动对动的作战任务。那么火炮需要在瞄准稳定系统的控制下，一是克服车体由于行走的路面对车体造成的扰动；二是火炮要跟随火控的跟踪瞄准调转指令。此类功能在坦克武器或两栖突击炮的炮控系统早已得到实现。但是，坦克炮控系统采用了摇架组合陀螺组、车体/炮塔陀螺组共同完成火炮的稳定瞄准，并配备惯导系统，安装在车体上，用于行进间的惯性导航。其中，摇架组合陀螺组由两组双轴速率陀螺和两组单轴速率陀螺组成，用于测量坦克炮在空间的运动状态，完成坦克炮高低向和方位向伺服的自动和手动的稳定瞄准控制；车体/炮塔陀螺组为三个单轴速率陀螺组用于测量车体航向、炮塔的俯仰和横滚角速率，用于炮控系统的速率干扰前馈补偿，使炮控系统达到或优于高低向0.8mil和方位向1.5mil的稳定精度。但是，坦克炮控系统所配置的陀螺太多，信息冗余，成本太高，可靠性较低，高价值的捷联惯导没有很好地利用，此类传统的炮控系统方案，不适用于现代压制武器的某自行火炮武器系统中。随着捷联惯导(SINS)的技术进步，其精度提高和成本降低，长期稳定性和抗冲击能力的大幅提高，将SINS安装在自行火炮的身管上直接测量大地坐标系的指向是现代自行火炮的标配。自行火炮的随动系统将SINS方向和姿态值作为随动系统的角度反馈，实现了火炮在大地坐标系下的直接控制，提高了火炮瞄准精度。但是，随动系统的控制坐标与SINS测量坐标不统一，造成控制系统的高低和方位控制系统存在耦合。对于驻停间进行发射的自行火炮采用如四元数、欧拉角法等坐标变换或串级控制来解决。但对于需要行进间的自行火炮需要采用既能抑制车体扰动，又能很好解决控制耦合问题的新方法。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种采用捷联惯导的火炮瞄准稳定系统控制方法，保留传统火炮随动系统组成的侧角器，利用SINS、高低侧角器和方位侧角器，采用空间坐标变换得到炮塔的俯仰和横贯角速率，以及车体航向的角速率，稳定系统采用复合控制方法实现火炮的高精度稳定跟踪控制。本专利技术采用SINS作为火炮随动系统的空间角度和惯性空间角速率速度反馈器件，抑制车体姿态对火炮身管指向的扰动以及高低向和方位向随动的控制耦合，实现火炮的高精度稳定跟踪控制方法问题；利用SINS直接测量火炮身管指向，提高指向控制精度，又可以使自行火炮武器系统完成自主定位导航功能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：(1)设定速度环控制补偿的控制步数k的初值为0，k逐一增加；设定速度环控制补偿的控制周期Ts＝1ms；(2)采集捷联惯导陀螺组所测量的三轴角速率ωp(k)＝[ωpx(k)ωpy(k)ωpz(k)]T；(3)计算身管在大地坐标下的航向和抚养调转角速率其中，为SINS输出的航向角、俯仰角和横滚角；j为位置环计算步数；(4)采集方向侧角器和高低侧角器的测量值βb(k),εb(k)；利用非线性观测器提取炮塔在车体上、火炮在炮塔上的调转角速率其中e1(k),e2(k)为观测误差，α，δ分别为fal函数的参数0.01≤α≤1，0.01≤δ≤1，β11,β12,β21,β22分别为方向侧角器和高低侧角器的一阶、二阶增益，z11(k)、z21(k)分别为βb(k),εb(k)的估计值，z12(k)、z22(k)分别为的估计值；(5)计算炮塔的俯仰和横滚角速率ωhx(k),ωhy(k)：(6)计算车体的航向角速率(7)设定位置控制的控制步数j的初值为0，j逐一增加，位置控制的控制周期为10ms；判定k值，若k为10的倍数时，执行第(8)步，否则跳转至第(18)步；(8)接收捷联惯导的航向、姿态和横滚角(9)接收大地坐标下的火炮瞄准控制指令ψref(j),θref(j)，包含其中，ψref(j),θref(j)分别为航向和姿态角；(10)判断调炮控制误差eβ(j)＝ψref(j)-ψ(j)和eε(j)＝θref(j)-θ(j)，若调炮控制误差eβ(j)≥eβmax或eε(j)≥eεmax，转入步骤(11)；否则，转入步骤(14)；(11)计算大幅调转下的方位随动伺服驱动器的速度控制指令其中：keβ为根号e控制系数；umaxsβ和uminsβ为PI控制器输出的上限和下限；(12)计算大幅调转下的高低随动伺服驱动器的速度控制指令其中：keε为根号e控制系数；umaxsε和uminsε为控制器输出的上限和下限；(13)设定驱动器工作在调速模式，通过CAN总线分别向方位和高低伺服驱动器发送速度控制指令(14)计算方位和高低位置控制系统的前馈控制量ufβ(j),ufε(j)其中，kfβ,kfε分别为方位和高低系统的前馈控制器系数；(15)计算高低和方位干扰速度补偿量udβ(j),udε(j)：其中，分别为高低和方位随动的干扰速率；kdβ1,kdβ2,kdβ3分别为方位补偿器的综合系数；kdε1,kdε2,kdε3,分别为高低补偿器的综合系数；(16)计算稳定条件下的方位随动伺服驱动器的速度控制指令upsβ(j)＝Kpsβesβ(j)upresatsβ(j)＝upsβ(j)+uisβ(j)+ufβ(j)+udβ(j)其中：upsβ(j)为比例控制项；uisβ(j)为积分控制项；uimaxsβ和uiminsβ为积分控制器输出的上限和下限，uimaxsβ＝max(0,umaxsβ-upeβ(j))，uiminsβ＝min(uminsβ-upeβ(j),0)；Kpsβ为PI比例控制系数；Kisβ为积分系数；(17)计算稳定条件下的高低随动伺服驱动器的速度控制指令upsε(j)＝Kpsεesε(j)upresatsε(j)＝upsε(j)+uisε(j)+ufε(j)+udε(j)其中：upsε(j)为比例控制项；uisε(j)为积分控制项；uimaxsε和uiminsε为积分控制器输出的上限和下限，uimaxsε＝max(umaxsε-upsε(j),0)，uiminsε＝min(uminsε-upsε(j),0)；Kpsε为PI比例控制系数；Kisε为积分系数；(18)计算稳定条件下的方位随动伺服驱动器的电流控制指令upcβ(k)＝Kpcβecβ(k)upresatcβ(k)＝upcβ(k)+uicβ(k)其中：upcβ(j)为比例控制项；uicβ(j)为积分控制项；umaxcβ和umincβ为PI控制器输出的上限和下限，uimaxcβ和uimincβ为积分控制器输出的上限和下限，uimaxcβ＝max(0,umaxcβ-upeβ(k))，uimincβ＝min(umincβ-upeβ(k),0)；Kpcβ为PI比例控制系数；Kicβ为积分系数；iβ为方位传动的减速比；(19)计算稳定条件下的高低随动伺服驱动器的电流控制指令upcε(k)＝Kpcεecε(k)upresatcε(k)＝upcε(k)+uicε(k)其中：upcε(j)为比例控制项；uicε(j)为积分控制项；umaxcε和umincε为PI控制器输出的上限和下限，uimaxcε和uimin本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用捷联惯导的火炮瞄准稳定系统控制方法，其特征在于包括下述步骤：(1)设定速度环控制补偿的控制步数k的初值为0，k逐一增加；设定速度环控制补偿的控制周期Ts＝1ms；(2)采集捷联惯导陀螺组所测量的三轴角速率ωp(k)＝[ωpx(k) ωpy(k) ωpz(k)]

【技术特征摘要】
1.一种采用捷联惯导的火炮瞄准稳定系统控制方法，其特征在于包括下述步骤：(1)设定速度环控制补偿的控制步数k的初值为0，k逐一增加；设定速度环控制补偿的控制周期Ts＝1ms；(2)采集捷联惯导陀螺组所测量的三轴角速率ωp(k)＝[ωpx(k)ωpy(k)ωpz(k)]T；(3)计算身管在大地坐标下的航向和抚养调转角速率其中，ψ(j),θ(j),为SINS输出的航向角、俯仰角和横滚角；j为位置环计算步数；(4)采集方向侧角器和高低侧角器的测量值βb(k),εb(k)；利用非线性观测器提取炮塔在车体上、火炮在炮塔上的调转角速率其中e1(k),e2(k)为观测误差，α，δ分别为fal函数的参数0.01≤α≤1，0.01≤δ≤1，β11,β12,β21,β22分别为方向侧角器和高低侧角器的一阶、二阶增益，z11(k)、z21(k)分别为βb(k),εb(k)的估计值，z12(k)、z22(k)分别为的估计值；(5)计算炮塔的俯仰和横滚角速率ωhx(k),ωhy(k)：(6)计算车体的航向角速率(7)设定位置控制的控制步数j的初值为0，j逐一增加，位置控制的控制周期为10ms；判定k值，若k为10的倍数时，执行第(8)步，否则跳转至第(18)步；(8)接收捷联惯导的航向、姿态和横滚角ψ(j),θ(j),(9)接收大地坐标下的火炮瞄准控制指令ψref(j),θref(j)，包含其中，ψref(j),θref(j)分别为航向和姿态角；(10)判断调炮控制误差eβ(j)＝ψref(j)-ψ(j)和eε(j)＝θref(j)-θ(j)，若调炮控制误差eβ(j)≥eβmax或eε(j)≥eεmax，转入步骤(11)；否则，转入步骤(14)；(11)计算大幅调转下的方位随动伺服驱动器的速度控制指令其中：keβ为根号e控制系数；umaxsβ和uminsβ为PI控制器输出的上限和下限；(12)计算大幅调转下的高低随动伺服驱动器的速度控制指令其中：keε为根号e控制系数；umaxsε和uminsε为控制器输出的上限和下限；(13)设定驱动器工作在调速模式，通过CAN总线分别向方位和高低伺服驱动器发送速度控制指令(14)计算方位和高低位置控制系统的前馈控制量ufβ(j),ufε(j)其中，kfβ,kfε分别为方位和高低系统的前馈控制器系数；(15)计算高低和方位干扰速度补偿量udβ(j),udε(j)：其中，分别为高低和方位随动的干扰速率；kdβ1,kdβ2,kdβ3分别为方位补偿器的综合系数；kdε1,kdε2,kdε3,分别为高低补偿器的综合系数；(16)计算稳定条件下的方位随动伺服驱动器的速度控制指令upsβ(j)＝Kpsβesβ(j)

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，任海波，韩耀鹏，位红军，孔祥宣，张光辉，林子琦，王永梅，刘妙，刘攀玲，
申请(专利权)人：西北机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61