基于DSP的光學探測陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的設計
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光學探測陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)作為一種高精度的瞄準線穩(wěn)定系統(tǒng)，可以提供對地、對空目標的全景式大范圍探測和跟蹤。既可作為獨立的光電觀瞄系統(tǒng)用于偵察任務，也可作為火控系統(tǒng)的組成部分完成戰(zhàn)場作戰(zhàn)任務。其重要功能是隔離載體角運動，使探測器在慣性空間內保持穩(wěn)定；能夠響應指令信號，在一定角度范圍內對目標進行搜索，在人工識別鎖定后能夠按探測器信號自動跟蹤目標，并給出方位、俯仰信息?？蓪崟r對地面敏感地區(qū)進行監(jiān)視，執(zhí)行晝夜監(jiān)視、海岸巡邏、戰(zhàn)場偵查等特定任務。在國防和民用領域具有廣闊的應用前景。
1 系統(tǒng)結構與設計指標
1.1 系統(tǒng)結構
系統(tǒng)主要由平臺部件、電子部件、顯控部件三部分組成。
平臺部件包括框架、俯仰/方位電機、大/小視場CCD、激光測距儀、俯仰/方位旋轉變壓器(以下簡稱旋變)。CCD攝像機安裝于相互正交的內、外兩個框架上，由兩個力矩電機控制可以在航向和俯仰兩個自由度的方向上掃描。在內、外框架上分別由速率陀螺感測方位和俯仰運動，其輸出送入穩(wěn)定系統(tǒng)調節(jié)器，再經(jīng)功率放大后至力矩電機，使框架按照指令旋轉(掃描)或穩(wěn)定瞄準線。
電子部件包括系統(tǒng)主板、電視跟蹤器、電機驅動及數(shù)據(jù)采集保持電路。電子部件根據(jù)系統(tǒng)的要求對系統(tǒng)的航向、水平、俯仰、橫滾和方位進行修正和補償控制；根據(jù)陀螺儀的溫度漂移特性曲線進行溫度補償控制；自動采樣、監(jiān)測系統(tǒng)信號；實現(xiàn)系統(tǒng)主要參數(shù)的常量有選擇地動態(tài)顯示。
顯控部件包括控制盒、工控機。主要用于顯示由CCD攝像機攝入的圖像及系統(tǒng)狀態(tài)信息，并完成搜索、鎖定、解鎖等操作。
1.2 系統(tǒng)主要設計指標
穩(wěn)定軸相關設計指標如下：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)下對不大于3 000gcm的擾動力矩，角度波動不大于30″且穩(wěn)定后無靜差。
穩(wěn)定隔離精度技術指標為:搖擺臺在擺幅為3°、頻率為1Hz的正弦擾動下，平臺俯仰通道擺幅應小于2′；搖擺臺在擺幅為2°、頻率為1Hz的正弦擾動下，穩(wěn)定平臺方位通道擺幅應小于2′。
2 控制系統(tǒng)設計
當平臺受到載體的運動干擾時，如果光軸作用點距離較遠，即使相對慣性空間產生很小的誤差角偏移，也會使遠距離外的跟蹤點脫離視場。因此系統(tǒng)主要針對干擾力矩下平臺角度輸出穩(wěn)定后無靜差這一要求來進行設計。
在一般的速率反饋方案中，校正環(huán)節(jié)選用PID校正僅能實現(xiàn)系統(tǒng)角速度無靜差，不能實現(xiàn)角度無靜差。如果要讓系統(tǒng)角度輸出無靜差，則需要在校正環(huán)節(jié)中含有雙重積分環(huán)節(jié)，因此設計了在速率陀螺反饋的基礎上采用PII2校正環(huán)節(jié)的控制方法。由于直流力矩電機電樞電感值通常非常小，忽略其時間常數(shù)的影響，模型簡化后的穩(wěn)定回路控制框圖如圖1所示。
(3) 主導極點：必須滿足特征多項式中一對具有復實部的共軛復根為系統(tǒng)的主導極點，應滿足α>5。
采用極點配置的方法來確定(比例-積分-二重積分)校正環(huán)節(jié)的三個系數(shù)，可得：
kp=7.2，ki=245，ki2=6 500，根據(jù)上述參數(shù)，施加一個1 000gcm的干擾力矩，在MATLAB中仿真的結果顯示系統(tǒng)調節(jié)時間及角度靜差均滿足要求，但系統(tǒng)超調過大。增大系統(tǒng)的開環(huán)增益，將系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)中kp、ki、ki2 三個參數(shù)均放大三倍，觀察閉環(huán)零極點圖，發(fā)現(xiàn)系數(shù)放大后，共軛復根的復實部并未發(fā)生較大變化，而其虛部變小，這可削弱系統(tǒng)動態(tài)特性中的正弦振蕩從而減小超調。同時系數(shù)放大三倍后復實軸上的極點更加遠離共軛復根，從而使得共軛復根的主導極點的地位更為加強，系統(tǒng)的特性更接近設計期望的特性。同樣1 000gcm擾動力矩下，系統(tǒng)調節(jié)時間及角度靜差均滿足要求。方位軸3 000gcm擾動力矩下角度輸出如圖2所示(在60秒時刻施加干擾力矩，縱坐標單位角秒，橫坐標單位秒)。 [next]
在系統(tǒng)反饋控制中,內環(huán)是一個力矩電機的電流環(huán),用于輸出穩(wěn)定無差的轉矩。次內環(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，測量框架相對于慣性空間的角速率。位置跟蹤環(huán)由旋變來完成角度的測量。陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)是一個力矩平衡系統(tǒng),由陀螺感測擾動力矩引起的角運動,通過反饋回路產生一個控制力矩來抵消擾動力矩,從而達到穩(wěn)定的目的。在本陀螺穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)中, 電機的控制模式采用轉矩控制模式，使轉矩(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)硬件設計
控制器核心選用TI公司TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器，采用模塊化主計算機板、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擴展框圖如圖3所示。
3.1 陀螺信號輸入接口
陀螺選用俄羅斯Fizoptika公司的光纖陀螺VG941-3AM，用于測量負載框架相對于慣性空間的角速率，輸出模擬電壓信號(0～3V)，陀螺信號通過信號處理電路轉成與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，可同時采樣，轉換時間為4μs，滿足系統(tǒng)要求。A/D轉換后的16位信號送到兩片鎖存器(SN74HC574)中，由DSP控制74LS138選通鎖存來讀取陀螺信號。
3.2 直流力矩電機伺服驅動接口
電機功放電路選用IR公司的電機驅動芯片IR2104。IR2104是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅動器，工作電壓10～20V。系統(tǒng)使用兩片IR2104控制四片N溝道的IGBT(IRF540N)組成一個全橋驅動電路控制一臺直流力矩電機。IR2104通過HO輸出分別控制全橋驅動電路的上半橋Q1、Q3的導通與關斷，而IR2104的LO輸出分別控制全橋驅動電路的下半橋Q2、Q4的導通與關斷，從而達到控制電機轉速與正反轉的目的。電機驅動接口如圖4所示(僅畫出一路)。
3.3 旋轉變壓器信號接口
在本系統(tǒng)中，選用DDC公司的專用RDC模塊19220，接收來自旋變粗、精通道的激磁信號，其中精通道的bit4-bit11轉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″。單路旋變接口實現(xiàn)如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件設計及功能
軟件設計包括初始化、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)定模塊的實時性比較高,整個系統(tǒng)程序采用匯編語言設計編寫，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，也可以由上位機發(fā)出。上位機還可以設定如測漂參數(shù)、位置指令參數(shù)等以完成各種系統(tǒng)監(jiān)測所需的參數(shù)設置，同時上位機還接收、顯示存儲來自平臺的包括陀螺、旋變、電機等各種實時信息，用于數(shù)據(jù)處理和分析判斷。軟件采用模塊化設計，方便軟件的調試，可擴展性、可移植性強。系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。
跟其他平臺相比，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)定測漂、旋變鎖定 、位置指令、目標搜索、光電跟蹤等五種狀態(tài)，還可完成諸如負載能力試驗、模擬搖擺試驗、帶寬預測試等系統(tǒng)試驗。
(1) 旋變鎖定
系統(tǒng)根據(jù)旋變信息對平臺施矩，將其控制到旋變的電零位，旋變鎖定狀態(tài)持續(xù)5秒鐘后結束并自動轉入陀螺穩(wěn)定狀態(tài)。
(2) 穩(wěn)定測漂
操作員鍵入采樣周期和采樣時間后，系統(tǒng)進入穩(wěn)定測漂狀態(tài)，測漂完成后自動補償陀螺漂移。
(3) 位置指令
系統(tǒng)接收到目標的緯度、經(jīng)度、高度三個參數(shù)，然后從載體系統(tǒng)中讀入自身的橫滾角、俯仰角、方位角三個參數(shù)，根據(jù)這六個參數(shù)計算得出自身所要轉動的俯仰、方位角度，然后控制平臺電機轉動到相應位置。
(4) 目標搜索
此時由操縱桿控制俯仰、方位兩個電機的運動，DSP接收到目標搜索的指令碼后，分別取出地面控制臺給出的俯仰、方位兩個電機的速度值，然后按照操縱桿給出的俯仰、方位兩個電機的速度值控制平臺轉動，進行目標搜索。
(5) 光電跟蹤
系統(tǒng)接收到光電跟蹤的指令碼，選擇相應的跟蹤方式，然后根據(jù)電視跟蹤器傳來的俯仰、方位的脫靶量控制兩個電機平臺運動，跟蹤目標點。
5 系統(tǒng)實驗及結論
5.1靜態(tài)穩(wěn)定精度檢測
開機使平臺進入穩(wěn)定狀態(tài)，分別給方位、俯仰軸添加負載。3 000gcm擾動力矩下，系統(tǒng)旋變角度輸出如圖7所示(在60秒時刻施加干擾力矩)，滿足設計要求。
5.2 動態(tài)穩(wěn)定精度檢測
開機使平臺進入穩(wěn)定狀態(tài)，在俯仰穩(wěn)定框安裝雙面反射鏡，調整好雙面反射鏡、平行光管和光電觀測儀，使方位穩(wěn)定軸進入穩(wěn)定功能狀態(tài)，使方位搖擺軸按照正弦波作搖擺運動，觀察光電觀測儀的讀數(shù)，如果小于要求值，即滿足要求。實測穩(wěn)定臺方位軸搖擺幅度為0.2′，俯仰軸搖擺幅度為0.3′，遠小于設計指標，滿足技術指標要求。
本文詳細論述了瞄準線穩(wěn)定高精度系統(tǒng)及其軟硬件設計。系統(tǒng)采用經(jīng)典的位置速率雙環(huán)控制結構，選用DSP 作為數(shù)字控制系統(tǒng)的核心，組成高精度瞄準線穩(wěn)定系統(tǒng)。對各項動、靜態(tài)性能指標進行了測試， 達到了預期設計指標。
參考文獻
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