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(shí)，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(dòng)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(mǎn)足消除大氣湍流帶來(lái)的光斑抖動(dòng)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(duì)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(shí)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(hào)，只需要五次加法運(yùn)算、一次減法運(yùn)算和一次除法運(yùn)算，運(yùn)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(jī)，它有40M 的指令周期。其內(nèi)部加減運(yùn)算為單指令周期，除法只需要19 個(gè)指令周期，大大提高了計(jì)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(lái)自一公里之外的光束，經(jīng)激光雷達(dá)系統(tǒng)接收，通過(guò)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(hào)，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換放大之后，由單片機(jī)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換并計(jì)算出光斑的偏移量，并根據(jù)光斑的偏移量計(jì)算出驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷所需要的電壓。最后將驅(qū)動(dòng)電壓值進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換，并通過(guò)高壓驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(jì)

　　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(hào)為電流信號(hào)。電流大小與光斑位置和光強(qiáng)強(qiáng)弱有關(guān)。其初級(jí)電路必須是電流電壓轉(zhuǎn)換電路。四路輸出信號(hào)與光斑位置的關(guān)系為：

　　其中i1, i2 , i3, i4 為四路輸出信號(hào)。上式求x, y 時(shí)用到除法運(yùn)算，消除了光強(qiáng)變化對(duì)位置的影響，從而獲得與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的位置信號(hào)。

　　2.2單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)采用dsPIC33F 系列單片機(jī)實(shí)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(jì)算機(jī)的通信。

　　系列單片機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)通道選擇模式采樣，擁有16個(gè)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(hào)采樣，當(dāng)16 個(gè)結(jié)果緩沖器都滿(mǎn)之后，產(chǎn)生一次中斷，并對(duì)每路信號(hào)取四次的平均值。逐路采樣延長(zhǎng)了每一路信號(hào)的采樣時(shí)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(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，這要求我們的算法必須實(shí)現(xiàn)快速收斂。我們采用PID(比例-積分-微分)增量算法，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速收斂。其中P 項(xiàng)為比例項(xiàng)，當(dāng)誤差大的時(shí)候，P 的系數(shù)也大，可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整；當(dāng)誤差小的時(shí)候，P 的系數(shù)也小，可以實(shí)現(xiàn)小幅度的調(diào)整。隨著時(shí)間的消失，P 項(xiàng)有利于減小系統(tǒng)的總誤差。但總有一個(gè)靜態(tài)誤差。I 項(xiàng)為積分項(xiàng)，對(duì)誤差進(jìn)行積分，可以實(shí)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(xiàng)的增益因子之后輸出，消除靜態(tài)誤差的影響。D 項(xiàng)為微分項(xiàng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整，，它對(duì)誤差信號(hào)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(xiàng)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(jì)算工作量很大，需要對(duì)偏差信號(hào)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(jì)算量。

　　轉(zhuǎn)化采用的是SPI 通信方式，D/A轉(zhuǎn)換器選用的時(shí)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(shuō)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(hào)CS 的下降沿。而對(duì)運(yùn)放偏移量、PID 系數(shù)的確定等都是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，MAX232 串口與計(jì)算機(jī)的通信，很多資料都有介紹，在這里不再累述。