一種基于壓電陶瓷的目標(biāo)精跟蹤系統(tǒng)

引 言

　　激光在大氣傳輸時，由于與大氣湍流的相互作用，導(dǎo)致光波振幅和相位的起伏。其抖動頻率主要是低頻成分，壓電陶瓷晶體的響應(yīng)頻率在1000Hz 以上，能滿足消除大氣湍流帶來的光斑抖動的影響。在光學(xué)跟蹤系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用于目標(biāo)跟蹤器件為CCD。由于CCD 采集的數(shù)據(jù)量很大，對后面的數(shù)據(jù)處理單元的要求很高，并且處理大量的數(shù)據(jù)增加了處理的復(fù)雜性和處理時間。本跟蹤系統(tǒng)采用PSD 位敏傳感器采集光斑位置信息，輸出只有四路信號，只需要五次加法運算、一次減法運算和一次除法運算，運算量大大減少。并且本系統(tǒng)的微處理器采樣dsPIC33F系列單片機，它有40M 的指令周期。其內(nèi)部加減運算為單指令周期，除法只需要19 個指令周期，大大提高了計算速度。

1.校正系統(tǒng)的組成與原理

　　校正系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，來自一公里之外的光束，經(jīng)激光雷達(dá)系統(tǒng)接收，通過傾斜鏡反射，光束經(jīng)分光鏡分光，一部分進(jìn)入成像系統(tǒng)，一部分進(jìn)入PSD 位敏傳感器。由位敏傳感器采集光斑位置，形成四路電流信號，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換放大之后，由單片機進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換并計算出光斑的偏移量，并根據(jù)光斑的偏移量計算出驅(qū)動壓電陶瓷所需要的電壓。最后將驅(qū)動電壓值進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換，并通過高壓驅(qū)動器驅(qū)動PZT（壓電陶瓷晶體）改變傾斜鏡的角度，從而使光斑始終在成像系統(tǒng)的中心。

圖1 跟蹤系統(tǒng)框圖

2.總體系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1位敏傳感器系

　　位敏傳感器是由Si 光電二極管組成，輸出信號為電流信號。電流大小與光斑位置和光強強弱有關(guān)。其初級電路必須是電流電壓轉(zhuǎn)換電路。四路輸出信號與光斑位置的關(guān)系為：

　　其中i1, i2 , i3, i4 為四路輸出信號。上式求x, y 時用到除法運算，消除了光強變化對位置的影響，從而獲得與光強無關(guān)的位置信號。

　　2.2單片機控制系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)采用dsPIC33F 系列單片機實現(xiàn)12 位的高速A/D 轉(zhuǎn)換、PID 控制、與D/A 轉(zhuǎn)換器的通信及與計算機的通信。

　　系列單片機的A/D 部分采用逐次比較式A/D 轉(zhuǎn)換，最多有32 路轉(zhuǎn)換通道，可實現(xiàn)自動通道選擇模式采樣，擁有16個結(jié)果緩沖器。在本系統(tǒng)中我們用125K 的采樣速率進(jìn)行四路模擬信號采樣，當(dāng)16 個結(jié)果緩沖器都滿之后，產(chǎn)生一次中斷，并對每路信號取四次的平均值。逐路采樣延長了每一路信號的采樣時間，并采取四次采樣取平均值的方法，一方面可以減小采樣誤差，另一方面，可以起到濾波的作用。

　　目標(biāo)精跟蹤系統(tǒng)需要實現(xiàn)快速反應(yīng)，這要求我們的算法必須實現(xiàn)快速收斂。我們采用PID(比例-積分-微分)增量算法，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速收斂。其中P 項為比例項，當(dāng)誤差大的時候，P 的系數(shù)也大，可以實現(xiàn)快速調(diào)整；當(dāng)誤差小的時候，P 的系數(shù)也小，可以實現(xiàn)小幅度的調(diào)整。隨著時間的消失，P 項有利于減小系統(tǒng)的總誤差。但總有一個靜態(tài)誤差。I 項為積分項，對誤差進(jìn)行積分，可以實現(xiàn)誤差的精度調(diào)整，使靜態(tài)誤差積累到一定的值乘以I 項的增益因子之后輸出，消除靜態(tài)誤差的影響。D 項為微分項，用來實現(xiàn)快速調(diào)整，，它對誤差信號的變化率進(jìn)行響應(yīng)。

　　增量算法推導(dǎo)如下：

　　其增量式為：

　　微分項的系數(shù)。由（2）式可以看出，由于PID 輸出與歷史狀態(tài)有關(guān)，計算工作量很大，需要對偏差信號進(jìn)行累加。而采用增量式PID 算法，既（2）的算法，輸出量為誤差的增量，可以減小計算量。

　　轉(zhuǎn)化采用的是SPI 通信方式，D/A轉(zhuǎn)換器選用的時TLV5638,它是雙路輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器，其輸出的最高電壓是參考電壓的2 倍，其飽和電壓為電源電壓VDD -0.4v ,也是說參考電壓不應(yīng)該大于V DD -0.4v ，另外，D/A 轉(zhuǎn)換必須在片選信號CS 的下降沿。而對運放偏移量、PID 系數(shù)的確定等都是通過計算機控制，MAX232 串口與計算機的通信，很多資料都有介紹，在這里不再累述。