基于DSP的光學(xué)探測陀螺高精度瞄準線(xiàn)穩定系統

　　光學(xué)探測陀螺穩定系統作為一種高精度的瞄準線(xiàn)穩定系統，其重要功能是隔離載體角運動(dòng)，使探測器在慣性空間內保持穩定;能夠響應指令信號，在一定角度范圍內對目標進(jìn)行搜索，在人工識別鎖定后能夠按探測器信號自動(dòng)跟蹤目標，并給出方位、俯仰信息?？蓪?shí)時(shí)對地面敏感地區進(jìn)行監視，執行晝夜監視、海岸巡邏、戰場(chǎng)偵查等特定任務(wù)?！?/P>

　1 系統結構與設計指標

　　1.1 系統結構

　　系統主要由平臺部件、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(chǎng)CCD、激光測距儀、俯仰/方位旋轉變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)旋變)。CCD攝像機安裝于相互正交的內、外兩個(gè)框架上，由兩個(gè)力矩電機控制可以在航向和俯仰兩個(gè)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(dòng)，其輸出送入穩定系統調節器，再經(jīng)功率放大后至力矩電機，使框架按照指令旋轉(掃描)或穩定瞄準線(xiàn)。

　　電子部件包括系統主板、電視跟蹤器、電機驅動(dòng)及數據采集保持電路。電子部件根據系統的要求對系統的航向、水平、俯仰、橫滾和方位進(jìn)行修正和補償控制;根據陀螺儀的溫度漂移特性曲線(xiàn)進(jìn)行溫度補償控制;自動(dòng)采樣、監測系統信號;實(shí)現系統主要參數的常量有選擇地動(dòng)態(tài)顯示。

　　顯控部件包括控制盒、工控機。主要用于顯示由CCD攝像機攝入的圖像及系統狀態(tài)信息，并完成搜索、鎖定、解鎖等操作。

　　1.2 系統主要設計指標

　　穩定軸相關(guān)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(dòng)力矩，角度波動(dòng)不大于30″且穩定后無(wú)靜差。

　　穩定隔離精度技術(shù)指標為:搖擺臺在擺幅為3°、頻率為1Hz的正弦擾動(dòng)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(dòng)下，穩定平臺方位通道擺幅應小于2′。

　　2 控制系統設計

　　當平臺受到載體的運動(dòng)干擾時(shí)，如果光軸作用點(diǎn)距離較遠，即使相對慣性空間產(chǎn)生很小的誤差角偏移，也會(huì )使遠距離外的跟蹤點(diǎn)脫離視場(chǎng)。因此系統主要針對干擾力矩下平臺角度輸出穩定后無(wú)靜差這一要求來(lái)進(jìn)行設計。

　　在一般的速率反饋方案中，校正環(huán)節選用PID校正僅能實(shí)現系統角速度無(wú)靜差，不能實(shí)現角度無(wú)靜差。如果要讓系統角度輸出無(wú)靜差，則需要在校正環(huán)節中含有雙重積分環(huán)節，因此設計了在速率陀螺反饋的基礎上采用PII2校正環(huán)節的控制方法。由于直流力矩電機電樞電感值通常非常小，忽略其時(shí)間常數的影響，模型簡(jiǎn)化后的穩定回路控制框圖如圖1所示。

　　(3) 主導極點(diǎn)：必須滿(mǎn)足特征多項式中一對具有復實(shí)部的共軛復根為系統的主導極點(diǎn)，應滿(mǎn)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)節的三個(gè)系數，可得：

　　kp=7.2，ki=245，ki2=6 500，根據上述參數，施加一個(gè)1 000gcm的干擾力矩，在MATLAB中仿真的結果顯示系統調節時(shí)間及角度靜差均滿(mǎn)足要求，但系統超調過(guò)大。增大系統的開(kāi)環(huán)增益，將系統校正環(huán)節中kp、ki、ki2 三個(gè)參數均放大三倍，觀(guān)察閉環(huán)零極點(diǎn)圖，發(fā)現系數放大后，共軛復根的復實(shí)部并未發(fā)生較大變化，而其虛部變小，這可削弱系統動(dòng)態(tài)特性中的正弦振蕩從而減小超調。同時(shí)系數放大三倍后復實(shí)軸上的極點(diǎn)更加遠離共軛復根，從而使得共軛復根的主導極點(diǎn)的地位更為加強，系統的特性更接近設計期望的特性。同樣1 000gcm擾動(dòng)力矩下，系統調節時(shí)間及角度靜差均滿(mǎn)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，縱坐標單位角秒，橫坐標單位秒)。

　　在系統反饋控制中,內環(huán)是一個(gè)力矩電機的電流環(huán),用于輸出穩定無(wú)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(lái)完成角度的測量。陀螺穩定系統是一個(gè)力矩平衡系統,由陀螺感測擾動(dòng)力矩引起的角運動(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,從而達到穩定的目的。在本陀螺穩定平臺控制系統中, 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(guān)系,這樣可以顯著(zhù)提高慣性速率環(huán)的控制效果,從而提高穩定精度。

　　3 系統硬件設計

　　控制器核心選用TI公司TMS320LF2407A數字信號處理器，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。系統資源有一定冗余度，提高了系統的可靠性?？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(guò)信號處理電路轉成與A/D 芯片匹配的輸入電平。本系統選用2 片ADI公司的16位A/D芯片ADS7805U，可同時(shí)采樣，轉換時(shí)間為4μs，滿(mǎn)足系統要求。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(lái)讀取陀螺信號。

　　3.2 直流力矩電機伺服驅動(dòng)接口

　　電機功放電路選用IR公司的電機驅動(dòng)芯片IR2104。IR2104是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅動(dòng)器，工作電壓10～20V。系統使用兩片IR2104控制四片N溝道的IGBT(IRF540N)組成一個(gè)全橋驅動(dòng)電路控制一臺直流力矩電機。IR2104通過(guò)HO輸出分別控制全橋驅動(dòng)電路的上半橋Q1、Q3的導通與關(guān)斷，而IR2104的LO輸出分別控制全橋驅動(dòng)電路的下半橋Q2、Q4的導通與關(guān)斷，從而達到控制電機轉速與正反轉的目的。電機驅動(dòng)接口如圖4所示(僅畫(huà)出一路)。

　　3.3 旋轉變壓器信號接口

　　在本系統中，選用DDC公司的專(zhuān)用RDC模塊19220，接收來(lái)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位數據，分辨率為4.94″。單路旋變接口實(shí)現如圖5所示。

　　4 系統軟件設計及功能

　　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(xiě)，考慮到穩定模塊的實(shí)時(shí)性比較高,整個(gè)系統程序采用匯編語(yǔ)言設計編寫(xiě)，伺服采樣周期為1ms。

　　系統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、位置指令參數等以完成各種系統監測所需的參數設置，同時(shí)上位機還接收、顯示存儲來(lái)自平臺的包括陀螺、旋變、電機等各種實(shí)時(shí)信息，用于數據處理和分析判斷。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。系統軟件框圖如圖6所示。

　　跟其他平臺相比，本系統的一大特色是功能比較豐富，系統軟件具有穩定測漂、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、帶寬預測試等系統試驗。

　　(1) 旋變鎖定

　　系統根據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5秒鐘后結束并自動(dòng)轉入陀螺穩定狀態(tài)。

　　(2) 穩定測漂

　　操作員鍵入采樣周期和采樣時(shí)間后，系統進(jìn)入穩定測漂狀態(tài)，測漂完成后自動(dòng)補償陀螺漂移。

　　(3) 位置指令

　　系統接收到目標的緯度、經(jīng)度、高度三個(gè)參數，然后從載體系統中讀入自身的橫滾角、俯仰角、方位角三個(gè)參數，根據這六個(gè)參數計算得出自身所要轉動(dòng)的俯仰、方位角度，然后控制平臺電機轉動(dòng)到相應位置。

　　(4) 目標搜索

　　此時(shí)由操縱桿控制俯仰、方位兩個(gè)電機的運動(dòng)，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(gè)電機的速度值，然后按照操縱桿給出的俯仰、方位兩個(gè)電機的速度值控制平臺轉動(dòng)，進(jìn)行目標搜索。

　　(5) 光電跟蹤

　　系統接收到光電跟蹤的指令碼，選擇相應的跟蹤方式，然后根據電視跟蹤器傳來(lái)的俯仰、方位的脫靶量控制兩個(gè)電機平臺運動(dòng)，跟蹤目標點(diǎn)。

　　5 系統實(shí)驗及結論

　　5.1靜態(tài)穩定精度檢測

　　開(kāi)機使平臺進(jìn)入穩定狀態(tài)，分別給方位、俯仰軸添加負載。3 000gcm擾動(dòng)力矩下，系統旋變角度輸出如圖7所示(在60秒時(shí)刻施加干擾力矩)，滿(mǎn)足設計要求。

　　5.2 動(dòng)態(tài)穩定精度檢測

　　開(kāi)機使平臺進(jìn)入穩定狀態(tài)，在俯仰穩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(guān)測儀，使方位穩定軸進(jìn)入穩定功能狀態(tài)，使方位搖擺軸按照正弦波作搖擺運動(dòng)，觀(guān)察光電觀(guān)測儀的讀數，如果小于要求值，即滿(mǎn)足要求。實(shí)測穩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(mǎn)足技術(shù)指標要求。

　　本文詳細論述了瞄準線(xiàn)穩定高精度系統及其軟硬件設計。系統采用經(jīng)典的位置速率雙環(huán)控制結構，選用DSP 作為數字控制系統的核心，組成高精度瞄準線(xiàn)穩定系統。對各項動(dòng)、靜態(tài)性能指標進(jìn)行了測試， 達到了預期設計指標。