基于DSP的光學(xué)探測(cè)陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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光學(xué)探測(cè)陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)作為一種高精度的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)，可以提供對(duì)地、對(duì)空目標(biāo)的全景式大范圍探測(cè)和跟蹤。既可作為獨(dú)立的光電觀瞄系統(tǒng)用于偵察任務(wù)，也可作為火控系統(tǒng)的組成部分完成戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)任務(wù)。其重要功能是隔離載體角運(yùn)動(dòng)，使探測(cè)器在慣性空間內(nèi)保持穩(wěn)定；能夠響應(yīng)指令信號(hào)，在一定角度范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索，在人工識(shí)別鎖定后能夠按探測(cè)器信號(hào)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，并給出方位、俯仰信息?？蓪?shí)時(shí)對(duì)地面敏感地區(qū)進(jìn)行監(jiān)視，執(zhí)行晝夜監(jiān)視、海岸巡邏、戰(zhàn)場(chǎng)偵查等特定任務(wù)。在國(guó)防和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)指標(biāo)
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要由平臺(tái)部件、電子部件、顯控部件三部分組成。
平臺(tái)部件包括框架、俯仰/方位電機(jī)、大/小視場(chǎng)CCD、激光測(cè)距儀、俯仰/方位旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡(jiǎn)稱旋變)。CCD攝像機(jī)安裝于相互正交的內(nèi)、外兩個(gè)框架上，由兩個(gè)力矩電機(jī)控制可以在航向和俯仰兩個(gè)自由度的方向上掃描。在內(nèi)、外框架上分別由速率陀螺感測(cè)方位和俯仰運(yùn)動(dòng)，其輸出送入穩(wěn)定系統(tǒng)調(diào)節(jié)器，再經(jīng)功率放大后至力矩電機(jī)，使框架按照指令旋轉(zhuǎn)(掃描)或穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線。
電子部件包括系統(tǒng)主板、電視跟蹤器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集保持電路。電子部件根據(jù)系統(tǒng)的要求對(duì)系統(tǒng)的航向、水平、俯仰、橫滾和方位進(jìn)行修正和補(bǔ)償控制；根據(jù)陀螺儀的溫度漂移特性曲線進(jìn)行溫度補(bǔ)償控制；自動(dòng)采樣、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要參數(shù)的常量有選擇地動(dòng)態(tài)顯示。
顯控部件包括控制盒、工控機(jī)。主要用于顯示由CCD攝像機(jī)攝入的圖像及系統(tǒng)狀態(tài)信息，并完成搜索、鎖定、解鎖等操作。
1.2 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
穩(wěn)定軸相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：方位、俯仰軸角速度大于40°/s,方位、俯仰軸角加速度大于60°/s2。
靜態(tài)下對(duì)不大于3 000gcm的擾動(dòng)力矩，角度波動(dòng)不大于30″且穩(wěn)定后無(wú)靜差。
穩(wěn)定隔離精度技術(shù)指標(biāo)為:搖擺臺(tái)在擺幅為3°、頻率為1Hz的正弦擾動(dòng)下，平臺(tái)俯仰通道擺幅應(yīng)小于2′；搖擺臺(tái)在擺幅為2°、頻率為1Hz的正弦擾動(dòng)下，穩(wěn)定平臺(tái)方位通道擺幅應(yīng)小于2′。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
當(dāng)平臺(tái)受到載體的運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，如果光軸作用點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，即使相對(duì)慣性空間產(chǎn)生很小的誤差角偏移，也會(huì)使遠(yuǎn)距離外的跟蹤點(diǎn)脫離視場(chǎng)。因此系統(tǒng)主要針對(duì)干擾力矩下平臺(tái)角度輸出穩(wěn)定后無(wú)靜差這一要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在一般的速率反饋方案中，校正環(huán)節(jié)選用PID校正僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)角速度無(wú)靜差，不能實(shí)現(xiàn)角度無(wú)靜差。如果要讓系統(tǒng)角度輸出無(wú)靜差，則需要在校正環(huán)節(jié)中含有雙重積分環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)了在速率陀螺反饋的基礎(chǔ)上采用PII2校正環(huán)節(jié)的控制方法。由于直流力矩電機(jī)電樞電感值通常非常小，忽略其時(shí)間常數(shù)的影響，模型簡(jiǎn)化后的穩(wěn)定回路控制框圖如圖1所示。
(3) 主導(dǎo)極點(diǎn)：必須滿足特征多項(xiàng)式中一對(duì)具有復(fù)實(shí)部的共軛復(fù)根為系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)，應(yīng)滿足α>5。
采用極點(diǎn)配置的方法來(lái)確定(比例-積分-二重積分)校正環(huán)節(jié)的三個(gè)系數(shù)，可得：
kp=7.2，ki=245，ki2=6 500，根據(jù)上述參數(shù)，施加一個(gè)1 000gcm的干擾力矩，在MATLAB中仿真的結(jié)果顯示系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間及角度靜差均滿足要求，但系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大。增大系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，將系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)中kp、ki、ki2 三個(gè)參數(shù)均放大三倍，觀察閉環(huán)零極點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)系數(shù)放大后，共軛復(fù)根的復(fù)實(shí)部并未發(fā)生較大變化，而其虛部變小，這可削弱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性中的正弦振蕩從而減小超調(diào)。同時(shí)系數(shù)放大三倍后復(fù)實(shí)軸上的極點(diǎn)更加遠(yuǎn)離共軛復(fù)根，從而使得共軛復(fù)根的主導(dǎo)極點(diǎn)的地位更為加強(qiáng)，系統(tǒng)的特性更接近設(shè)計(jì)期望的特性。同樣1 000gcm擾動(dòng)力矩下，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間及角度靜差均滿足要求。方位軸3 000gcm擾動(dòng)力矩下角度輸出如圖2所示(在60秒時(shí)刻施加干擾力矩，縱坐標(biāo)單位角秒，橫坐標(biāo)單位秒)。 [next]
在系統(tǒng)反饋控制中,內(nèi)環(huán)是一個(gè)力矩電機(jī)的電流環(huán),用于輸出穩(wěn)定無(wú)差的轉(zhuǎn)矩。次內(nèi)環(huán)為框架慣性速率環(huán),最外環(huán)為位置跟蹤環(huán)。慣性速率環(huán)的反饋元件為速率陀螺，測(cè)量框架相對(duì)于慣性空間的角速率。位置跟蹤環(huán)由旋變來(lái)完成角度的測(cè)量。陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)是一個(gè)力矩平衡系統(tǒng),由陀螺感測(cè)擾動(dòng)力矩引起的角運(yùn)動(dòng),通過(guò)反饋回路產(chǎn)生一個(gè)控制力矩來(lái)抵消擾動(dòng)力矩,從而達(dá)到穩(wěn)定的目的。在本陀螺穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)中, 電機(jī)的控制模式采用轉(zhuǎn)矩控制模式，使轉(zhuǎn)矩(電流)環(huán)的輸出電流值與閉環(huán)的輸入電壓給定值成比例關(guān)系,這樣可以顯著提高慣性速率環(huán)的控制效果,從而提高穩(wěn)定精度。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
控制器核心選用TI公司TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器，采用模塊化主計(jì)算機(jī)板、顯示控制板、A/D 板、R/S 板及圖像跟蹤板。系統(tǒng)資源有一定冗余度，提高了系統(tǒng)的可靠性?？傮w擴(kuò)展框圖如圖3所示。
3.1 陀螺信號(hào)輸入接口
陀螺選用俄羅斯Fizoptika公司的光纖陀螺VG941-3AM，用于測(cè)量負(fù)載框架相對(duì)于慣性空間的角速率，輸出模擬電壓信號(hào)(0～3V)，陀螺信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)成與A/D 芯片匹配的輸入電平。本系統(tǒng)選用2 片ADI公司的16位A/D芯片ADS7805U，可同時(shí)采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間為4μs，滿足系統(tǒng)要求。A/D轉(zhuǎn)換后的16位信號(hào)送到兩片鎖存器(SN74HC574)中，由DSP控制74LS138選通鎖存來(lái)讀取陀螺信號(hào)。
3.2 直流力矩電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)接口
電機(jī)功放電路選用IR公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2104。IR2104是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，工作電壓10～20V。系統(tǒng)使用兩片IR2104控制四片N溝道的IGBT(IRF540N)組成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路控制一臺(tái)直流力矩電機(jī)。IR2104通過(guò)HO輸出分別控制全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋Q1、Q3的導(dǎo)通與關(guān)斷，而IR2104的LO輸出分別控制全橋驅(qū)動(dòng)電路的下半橋Q2、Q4的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與正反轉(zhuǎn)的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口如圖4所示(僅畫出一路)。
3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)接口
在本系統(tǒng)中，選用DDC公司的專用RDC模塊19220，接收來(lái)自旋變粗、精通道的激磁信號(hào)，其中精通道的bit4-bit11轉(zhuǎn)換后直接送到低位鎖存中，bit1-bit3送到中位鎖存的低三位，精通道的bit1-bit5再和粗通道在MD27C256中精粗精組合后送到中、高位鎖存，形成旋變的18位數(shù)據(jù)，分辨率為4.94″。單路旋變接口實(shí)現(xiàn)如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及功能
軟件設(shè)計(jì)包括初始化、自檢、控制算法、故障處理、以及各功能模塊的編寫，考慮到穩(wěn)定模塊的實(shí)時(shí)性比較高,整個(gè)系統(tǒng)程序采用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)編寫，伺服采樣周期為1ms。
系統(tǒng)控制命令既可以由控制盒發(fā)出，也可以由上位機(jī)發(fā)出。上位機(jī)還可以設(shè)定如測(cè)漂參數(shù)、位置指令參數(shù)等以完成各種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所需的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)上位機(jī)還接收、顯示存儲(chǔ)來(lái)自平臺(tái)的包括陀螺、旋變、電機(jī)等各種實(shí)時(shí)信息，用于數(shù)據(jù)處理和分析判斷。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，方便軟件的調(diào)試，可擴(kuò)展性、可移植性強(qiáng)。系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。
跟其他平臺(tái)相比，本系統(tǒng)的一大特色是功能比較豐富，系統(tǒng)軟件具有穩(wěn)定測(cè)漂、旋變鎖定 、位置指令、目標(biāo)搜索、光電跟蹤等五種狀態(tài)，還可完成諸如負(fù)載能力試驗(yàn)、模擬搖擺試驗(yàn)、帶寬預(yù)測(cè)試等系統(tǒng)試驗(yàn)。
(1) 旋變鎖定
系統(tǒng)根據(jù)旋變信息對(duì)平臺(tái)施矩，將其控制到旋變的電零位，旋變鎖定狀態(tài)持續(xù)5秒鐘后結(jié)束并自動(dòng)轉(zhuǎn)入陀螺穩(wěn)定狀態(tài)。
(2) 穩(wěn)定測(cè)漂
操作員鍵入采樣周期和采樣時(shí)間后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定測(cè)漂狀態(tài)，測(cè)漂完成后自動(dòng)補(bǔ)償陀螺漂移。
(3) 位置指令
系統(tǒng)接收到目標(biāo)的緯度、經(jīng)度、高度三個(gè)參數(shù)，然后從載體系統(tǒng)中讀入自身的橫滾角、俯仰角、方位角三個(gè)參數(shù)，根據(jù)這六個(gè)參數(shù)計(jì)算得出自身所要轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰、方位角度，然后控制平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置。
(4) 目標(biāo)搜索
此時(shí)由操縱桿控制俯仰、方位兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，DSP接收到目標(biāo)搜索的指令碼后，分別取出地面控制臺(tái)給出的俯仰、方位兩個(gè)電機(jī)的速度值，然后按照操縱桿給出的俯仰、方位兩個(gè)電機(jī)的速度值控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行目標(biāo)搜索。
(5) 光電跟蹤
系統(tǒng)接收到光電跟蹤的指令碼，選擇相應(yīng)的跟蹤方式，然后根據(jù)電視跟蹤器傳來(lái)的俯仰、方位的脫靶量控制兩個(gè)電機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，跟蹤目標(biāo)點(diǎn)。
5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)論
5.1靜態(tài)穩(wěn)定精度檢測(cè)
開(kāi)機(jī)使平臺(tái)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，分別給方位、俯仰軸添加負(fù)載。3 000gcm擾動(dòng)力矩下，系統(tǒng)旋變角度輸出如圖7所示(在60秒時(shí)刻施加干擾力矩)，滿足設(shè)計(jì)要求。
5.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度檢測(cè)
開(kāi)機(jī)使平臺(tái)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，在俯仰穩(wěn)定框安裝雙面反射鏡，調(diào)整好雙面反射鏡、平行光管和光電觀測(cè)儀，使方位穩(wěn)定軸進(jìn)入穩(wěn)定功能狀態(tài)，使方位搖擺軸按照正弦波作搖擺運(yùn)動(dòng)，觀察光電觀測(cè)儀的讀數(shù)，如果小于要求值，即滿足要求。實(shí)測(cè)穩(wěn)定臺(tái)方位軸搖擺幅度為0.2′，俯仰軸搖擺幅度為0.3′，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。
本文詳細(xì)論述了瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定高精度系統(tǒng)及其軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用經(jīng)典的位置速率雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，選用DSP 作為數(shù)字控制系統(tǒng)的核心，組成高精度瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)。對(duì)各項(xiàng)動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試， 達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 王連明. 機(jī)載光電平臺(tái)的穩(wěn)定與跟蹤伺服控制技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2002:45-46.
[2]JAMES D， STEPHEN S A， JIM S， et al. High performance gimbal control for self2 protection systems[C].Proceedings of SPIE. 1998，3365:77-86.
[3] 楊海峰，李奇，姬偉. 高精度伺服穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)數(shù)字控制器研制[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）增刊,2004,34:96-100.
評(píng)論