基于三轴自主稳定的舰载卫星通信系统控制系统设计与实现
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摘要
我国拥有辽阔的海域,是航运大国。随着我国船舶制造业的发展,舰载卫星通信系统在国内市场的需求日益凸显。受技术实现和价格等的影响,国内“动中通”产品仍未得到广泛应用。针对这一现状和需求,本文以舰载卫星通信系统为研究对象,设计了三轴自主稳定的稳定跟踪控制系统。
首先进行了系统总体方案和结构设计,针对Ku波段舰载卫星通信系统,设计了基于卫星信号处理、稳定与跟踪和天线三个部分的系统总体结构,以无刷直流力矩电机作为执行器,采用全球定位系统、姿态参考系统和信标机组合进行姿态测量。
设计了以TMS320F2812为控制核心的硬件系统,采用模块化设计,分别完成了电源模块、控制核心模块、传感器模块和电机驱动模块的电路设计。在此基础上,对三轴稳定跟踪系统进行了空间姿态分析和解算,详细分析了系统的动态过程和原理。在姿态解算的基础上,建立了电机控制系统数学模型,为了有效克服参数不确定性、未建模动态和扰动等复杂非线性因素,设计了自适应鲁棒控制器,理论分析证明了该控制器能有效克服各种不确定因素,并通过调节控制器参数使系统达到所要求的跟踪精度通过仿真,验证了该控制器的有效性。
利用模块化思想,进行了系统的软件设计。完成了包括传感器数据解码、系统初始化以及系统稳定跟踪三个模块的程序设计和调试。
最后,进行了系统软硬件联合调试,并对调试结果进行了分析。实验结果表明本系统达到了预期的指标要求。
Having a broad maritime area makes China become a large shipping country. With the development of China's ship-building industry, the demand for satellite communication system on shipboard in the domestic market is becoming increasingly prominent. By the restrain of technology and price, the "mobile communication" products have not yet been widely used inland. In response to this situation, a three-axis stability control system based on the satellite communication system on the shipboard is designed in this paper.
First, the overall program and technical indicators are proposed. The communication system is for Ku-band satellite, what is divided into three parts:the satellite signal processing, stabilized tracking and the antenna. The system takes brushless DC torque motor as its actuators, and GPS, AHRS, beacon system as its sensors.
The hardware system is designed as modules, which uses TMS320F2812 as its core, and the circuits of the power module, the core module, the sensor module and the motor drive module are finished. Then, the attitude of the three-axis stabilized tracking system is solved in space, and the dynamic process and principles of the system is detailed analyzed. And the mathematical model of the motor control system is established. In order to effectively overcome the parametric uncertainties, unmodeled dynamics, disturbances, and other complex non-linear factors, an Adaptive Robust Controller is designed. Theoretical analysis shows that the controller can overcome the uncertainty of the system to reach the required tracking accuracy by adjusting the controller parameters. And the effectiveness of the controller is verified through simulation.
Then, using the modular thoughts, the software system is designed. The programming and debugging of sensor data decoding, system initialization and the stable tracking is complete.
Finally, the software and the hardware system is joint debugged, and the results are analyzed. The experimental results show that the system achieved the desired index requirements.
首先进行了系统总体方案和结构设计,针对Ku波段舰载卫星通信系统,设计了基于卫星信号处理、稳定与跟踪和天线三个部分的系统总体结构,以无刷直流力矩电机作为执行器,采用全球定位系统、姿态参考系统和信标机组合进行姿态测量。
设计了以TMS320F2812为控制核心的硬件系统,采用模块化设计,分别完成了电源模块、控制核心模块、传感器模块和电机驱动模块的电路设计。在此基础上,对三轴稳定跟踪系统进行了空间姿态分析和解算,详细分析了系统的动态过程和原理。在姿态解算的基础上,建立了电机控制系统数学模型,为了有效克服参数不确定性、未建模动态和扰动等复杂非线性因素,设计了自适应鲁棒控制器,理论分析证明了该控制器能有效克服各种不确定因素,并通过调节控制器参数使系统达到所要求的跟踪精度通过仿真,验证了该控制器的有效性。
利用模块化思想,进行了系统的软件设计。完成了包括传感器数据解码、系统初始化以及系统稳定跟踪三个模块的程序设计和调试。
最后,进行了系统软硬件联合调试,并对调试结果进行了分析。实验结果表明本系统达到了预期的指标要求。
Having a broad maritime area makes China become a large shipping country. With the development of China's ship-building industry, the demand for satellite communication system on shipboard in the domestic market is becoming increasingly prominent. By the restrain of technology and price, the "mobile communication" products have not yet been widely used inland. In response to this situation, a three-axis stability control system based on the satellite communication system on the shipboard is designed in this paper.
First, the overall program and technical indicators are proposed. The communication system is for Ku-band satellite, what is divided into three parts:the satellite signal processing, stabilized tracking and the antenna. The system takes brushless DC torque motor as its actuators, and GPS, AHRS, beacon system as its sensors.
The hardware system is designed as modules, which uses TMS320F2812 as its core, and the circuits of the power module, the core module, the sensor module and the motor drive module are finished. Then, the attitude of the three-axis stabilized tracking system is solved in space, and the dynamic process and principles of the system is detailed analyzed. And the mathematical model of the motor control system is established. In order to effectively overcome the parametric uncertainties, unmodeled dynamics, disturbances, and other complex non-linear factors, an Adaptive Robust Controller is designed. Theoretical analysis shows that the controller can overcome the uncertainty of the system to reach the required tracking accuracy by adjusting the controller parameters. And the effectiveness of the controller is verified through simulation.
Then, using the modular thoughts, the software system is designed. The programming and debugging of sensor data decoding, system initialization and the stable tracking is complete.
Finally, the software and the hardware system is joint debugged, and the results are analyzed. The experimental results show that the system achieved the desired index requirements.
引文
[1]赵勇,王世禄.一种高性价比船载卫星通信天线系统的设计与应用[J].电信快报.2010(7)：9-12.
[2]康荦.动中通发展新浪潮[J].卫星与网络.2010(11)：44～45.
[3]王毅凡,王琦.通信卫星发展现状及趋势分析[J].数字通信世界.2010(7)：22-24.
[4]朱翠平.用于卫星通信的载波复用技术研究[D].南京：南京邮电大学,2009.
[5]刘昌华.移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究[D].西安：西安电子科技大学.2009
[6]杜江鹏.基于三轴自主跟踪平台的研究与实现——系统控制算法与软件设计[D].南京：南京理工大学,2010.
[7]周华良.车载卫星天线稳定跟踪系统的设计与工程实现[D].南京：南京理工大学,2005.
[8]田华.船载“动中通”定向天线控制系统的研究与开发[D].西安：西安电子科技大学,2008.
[9]王鹏.“动中通”天线稳定平台伺服控制系统的研究与开发[D].西安：西安电子科技大学,2009.
[10]刘旭.基于运动载体的卫星通信系统控制器设计与实现[D].南京：南京理工大学,2009.
[11]林华,韩伟.船载卫星通信系统解决方案[J].中国海事.2010(2)：65-67.
[12]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社,2008.
[13]时琦婧.三轴自主稳定跟踪平台的研究与实现[D].南京：南京理工大学,2010.
[14]左旭坤.基于DSP的无刷直流电动机伺服控制系统研究[D].合肥：合肥工业大学,2006.
[15]袁磊峰.用于卫星通信的舰载天线稳定系统的设计及工程实现[D].南京：南京理工大学,2003.
[16]李果,胡剑飞,余达太.移动卫星天线的自适应鲁棒控制系统[J].控制理论与应用.2007(24)：307-311.
[17]胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京：科学出版社,2001
[18]Lu Lu, Bin Yao, Qingfeng Wang, Zheng Chen. Adaptive robust control of linear motors with dynamic friction compensation using modified LuGre model[J]. AUTOMATICA. 2009(12):2890-2896.
[19]Bin Yao,Li Xu. Output Feedback Adaptive Robust Control of Uncertain Linear Systems With Disturbances [J].ASME Journal of Dynamic Systems and Control. 2006,128(4):1-9.
[20]吴玉香.滑模控制理论及在移动机械臂中的应用[D].广州：华南理工大学,2006.
[21]William J. Palm Ⅲ. MATLAB7基础教程——面向工程应用[M].北京：清华大学出版社,2007.
[22]程鹏.动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法[J].今日科苑.2010(15)：142.
[23]苏奎峰,吕强,耿庆峰,陈圣俭.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社,2005.
[24]丁华众.船用卫星通信终端的研究与应用[D].南京：南京邮电大学,2012.
[25]马常举.移动卫星电视接收伺服系统的研制[D].西安：西安电子科技大学,2008.
[26]刘明,徐洪波,宁国勤.数字信号处理：原理算法与实现[M].北京：清华大学出版社,2006.
[27]管小明,李跃忠,王晓娟.基于MC34063的便携式仪器电源电路设计[D].东华理工大学学报.2010(3).
[28]周文虎.“动中通”用卫星实现应急通信[J].上海信息化.2010(8)：40-42.
[29]郭嘉俭.动中通卫星通信系统中的天线问题[J].数字通信世界.2011(10)：66-71.
[30]冯琦,冯少栋,李广侠,于坚.宽带多媒体卫星通信系统中的“动中通”技术[J].数字通信世界.2010(7)：46-49.
[31]刘晓军.稳定跟踪平台移动载体姿态测试技术与建模[D].北京：国防科技大学,2005.
[32]许磊磊.一种新型船载卫星通信天线控制器研究与应用[D].南京：南京邮电大学,2011.
[33]陈健明.船载卫星天线自动跟踪技术研究与实现[D].大连：大连理工大学,2008.
[34]李政.我国应急通信技术发展现状与展望[J].现代电信科技.2011(1/2)：44-47.
[35]李炜.世界移动卫星应用市场现状及其在应急通信领域的作用[J].卫星与网络.2010(5)：74-75.
[36]李异平.不确定性系统的自适应鲁棒跟踪控制[J].自动化学报.2003.29(6)：883-892.
[37]蒋威威.三轴跟踪瞄准系统的仿真设计[D].西安：西安电子科技大学,2005.
[38]秦继荣,沈安俊.现代直流伺服控制技术[M].北京：机械工业出版社,2002.252～288.
[39]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2008.
[40]郭健,陈庆伟,朱瑞军,胡维礼.一类非线性系统的自适应预测控制[J].控制理论与应 用.2002,19(1)：68-72.
[41]Hu Y M, San S Z, Su C Y. Stabilization of Uncertain Nonholonomic Systems Via Time-Varying Sliding Mode Control[J].IEEE Transactions on Automatic Control, 2004,49(5):757-763.
[42]付君.移动机器人运动控制系统的设计与实现[J].科协论坛.2011(4).
[43]夏鲁瑞.移动载体稳定跟踪平台关键技术研究[D].北京：国防科学技术大学.2005.
[44]李言俊,张科.系统辨识理论与应用[M].北京：国防工业出版社,2006.
[45]许华春,郝路瑶,金伟.车载平板动卫通三轴三轴稳定机理研究[J].宇航学报,2009,30(3)：1101-1105.
[46]滕云鹤,毛献辉,章燕申,李俊峰,刘进江.移动卫星通信捷联式天线稳定系统[J].宇航学报,2009,23(5)：36-37.
[47]强明辉,张京娥.基于MATLAB的递推最小二乘法辨识与仿真[J].自动化与仪器仪表,2008(6)：4-5.
[48]杨蒲,李奇.陀螺稳定平台模糊自调整滑模解耦控制[J].电机与控制学报,2008,12(5)：580-585.
[49]Tomihiko Yoshida Kohei Ohata, Masazumi Ueba. Highly Accurate and Cost-effective Auto-tracking Antenna System for Satallite[J]. Broadband Communication on Vessels NTI Technical Review.2005.3(9):60-71.
[50]李菁,刘国栋.机器人的鲁棒自适应轨迹跟踪控制[J].江南大学学报.2008(7)：448-452.
[51]于志刚,沈永良,宋忠民.机械臂鲁棒自适应运动控制[J].控制理论与应用.2011.28(7)：1021-1024
[52]Sun, W, Yeow, J.T.W., Sun, Z. Robust adaptive control of a one degree of freedom electrostatic microelectromechanical systems model with output-error-constrained tracking. Control Theory and Applications, IET.2012.6(1):111-119
[2]康荦.动中通发展新浪潮[J].卫星与网络.2010(11)：44～45.
[3]王毅凡,王琦.通信卫星发展现状及趋势分析[J].数字通信世界.2010(7)：22-24.
[4]朱翠平.用于卫星通信的载波复用技术研究[D].南京：南京邮电大学,2009.
[5]刘昌华.移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究[D].西安：西安电子科技大学.2009
[6]杜江鹏.基于三轴自主跟踪平台的研究与实现——系统控制算法与软件设计[D].南京：南京理工大学,2010.
[7]周华良.车载卫星天线稳定跟踪系统的设计与工程实现[D].南京：南京理工大学,2005.
[8]田华.船载“动中通”定向天线控制系统的研究与开发[D].西安：西安电子科技大学,2008.
[9]王鹏.“动中通”天线稳定平台伺服控制系统的研究与开发[D].西安：西安电子科技大学,2009.
[10]刘旭.基于运动载体的卫星通信系统控制器设计与实现[D].南京：南京理工大学,2009.
[11]林华,韩伟.船载卫星通信系统解决方案[J].中国海事.2010(2)：65-67.
[12]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社,2008.
[13]时琦婧.三轴自主稳定跟踪平台的研究与实现[D].南京：南京理工大学,2010.
[14]左旭坤.基于DSP的无刷直流电动机伺服控制系统研究[D].合肥：合肥工业大学,2006.
[15]袁磊峰.用于卫星通信的舰载天线稳定系统的设计及工程实现[D].南京：南京理工大学,2003.
[16]李果,胡剑飞,余达太.移动卫星天线的自适应鲁棒控制系统[J].控制理论与应用.2007(24)：307-311.
[17]胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京：科学出版社,2001
[18]Lu Lu, Bin Yao, Qingfeng Wang, Zheng Chen. Adaptive robust control of linear motors with dynamic friction compensation using modified LuGre model[J]. AUTOMATICA. 2009(12):2890-2896.
[19]Bin Yao,Li Xu. Output Feedback Adaptive Robust Control of Uncertain Linear Systems With Disturbances [J].ASME Journal of Dynamic Systems and Control. 2006,128(4):1-9.
[20]吴玉香.滑模控制理论及在移动机械臂中的应用[D].广州：华南理工大学,2006.
[21]William J. Palm Ⅲ. MATLAB7基础教程——面向工程应用[M].北京：清华大学出版社,2007.
[22]程鹏.动中通卫星通信系统天线跟踪精度检测方法[J].今日科苑.2010(15)：142.
[23]苏奎峰,吕强,耿庆峰,陈圣俭.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社,2005.
[24]丁华众.船用卫星通信终端的研究与应用[D].南京：南京邮电大学,2012.
[25]马常举.移动卫星电视接收伺服系统的研制[D].西安：西安电子科技大学,2008.
[26]刘明,徐洪波,宁国勤.数字信号处理：原理算法与实现[M].北京：清华大学出版社,2006.
[27]管小明,李跃忠,王晓娟.基于MC34063的便携式仪器电源电路设计[D].东华理工大学学报.2010(3).
[28]周文虎.“动中通”用卫星实现应急通信[J].上海信息化.2010(8)：40-42.
[29]郭嘉俭.动中通卫星通信系统中的天线问题[J].数字通信世界.2011(10)：66-71.
[30]冯琦,冯少栋,李广侠,于坚.宽带多媒体卫星通信系统中的“动中通”技术[J].数字通信世界.2010(7)：46-49.
[31]刘晓军.稳定跟踪平台移动载体姿态测试技术与建模[D].北京：国防科技大学,2005.
[32]许磊磊.一种新型船载卫星通信天线控制器研究与应用[D].南京：南京邮电大学,2011.
[33]陈健明.船载卫星天线自动跟踪技术研究与实现[D].大连：大连理工大学,2008.
[34]李政.我国应急通信技术发展现状与展望[J].现代电信科技.2011(1/2)：44-47.
[35]李炜.世界移动卫星应用市场现状及其在应急通信领域的作用[J].卫星与网络.2010(5)：74-75.
[36]李异平.不确定性系统的自适应鲁棒跟踪控制[J].自动化学报.2003.29(6)：883-892.
[37]蒋威威.三轴跟踪瞄准系统的仿真设计[D].西安：西安电子科技大学,2005.
[38]秦继荣,沈安俊.现代直流伺服控制技术[M].北京：机械工业出版社,2002.252～288.
[39]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2008.
[40]郭健,陈庆伟,朱瑞军,胡维礼.一类非线性系统的自适应预测控制[J].控制理论与应 用.2002,19(1)：68-72.
[41]Hu Y M, San S Z, Su C Y. Stabilization of Uncertain Nonholonomic Systems Via Time-Varying Sliding Mode Control[J].IEEE Transactions on Automatic Control, 2004,49(5):757-763.
[42]付君.移动机器人运动控制系统的设计与实现[J].科协论坛.2011(4).
[43]夏鲁瑞.移动载体稳定跟踪平台关键技术研究[D].北京：国防科学技术大学.2005.
[44]李言俊,张科.系统辨识理论与应用[M].北京：国防工业出版社,2006.
[45]许华春,郝路瑶,金伟.车载平板动卫通三轴三轴稳定机理研究[J].宇航学报,2009,30(3)：1101-1105.
[46]滕云鹤,毛献辉,章燕申,李俊峰,刘进江.移动卫星通信捷联式天线稳定系统[J].宇航学报,2009,23(5)：36-37.
[47]强明辉,张京娥.基于MATLAB的递推最小二乘法辨识与仿真[J].自动化与仪器仪表,2008(6)：4-5.
[48]杨蒲,李奇.陀螺稳定平台模糊自调整滑模解耦控制[J].电机与控制学报,2008,12(5)：580-585.
[49]Tomihiko Yoshida Kohei Ohata, Masazumi Ueba. Highly Accurate and Cost-effective Auto-tracking Antenna System for Satallite[J]. Broadband Communication on Vessels NTI Technical Review.2005.3(9):60-71.
[50]李菁,刘国栋.机器人的鲁棒自适应轨迹跟踪控制[J].江南大学学报.2008(7)：448-452.
[51]于志刚,沈永良,宋忠民.机械臂鲁棒自适应运动控制[J].控制理论与应用.2011.28(7)：1021-1024
[52]Sun, W, Yeow, J.T.W., Sun, Z. Robust adaptive control of a one degree of freedom electrostatic microelectromechanical systems model with output-error-constrained tracking. Control Theory and Applications, IET.2012.6(1):111-119