淺析DSP的光學(xué)探測陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)

? ? ? ? ?光學(xué)探測陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)作為一種高精度的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)，可以提供對地、對空目標(biāo)的全景式大范圍探測和跟蹤。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)場作戰(zhàn)任務(wù)。其重要功能是隔離載體角運(yùn)動，使探測器在慣性空間內(nèi)保持穩(wěn)定；能夠響應(yīng)指令信號，在一定角度范圍內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)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(biāo)，并給出方位、俯仰信息。可實時對地面敏感地區(qū)進(jìn)行監(jiān)視，執(zhí)行晝夜監(jiān)視、海岸巡邏、戰(zhàn)場偵查等特定任務(wù)。在國防和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計指標(biāo)

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(jī)、大/小視場CCD、激光測距儀、俯仰/方位旋轉(zhuǎn)變壓器（以下簡稱旋變）。CCD攝像機(jī)安裝于相互正交的內(nèi)、外兩個框架上，由兩個力矩電機(jī)控制可以在航向和俯仰兩個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方位和俯仰運(yùn)動，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(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(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)計指標(biāo)

　　穩(wěn)定軸相關(guān)設(shè)計指標(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(shù)指標(biāo)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(yīng)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(yīng)小于2′。

　　2 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　當(dāng)平臺受到載體的運(yùn)動干擾時，如果光軸作用點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，即使相對慣性空間產(chǎn)生很小的誤差角偏移，也會使遠(yuǎn)距離外的跟蹤點(diǎn)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(jìn)行設(shè)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(shè)計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。

　?。?） 主導(dǎo)極點(diǎn)：必須滿足特征多項式中一對具有復(fù)實部的共軛復(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(jié)果顯示系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間及角度靜差均滿足要求，但系統(tǒng)超調(diào)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(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)系數(shù)放大后，共軛復(fù)根的復(fù)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(diào)。同時系數(shù)放大三倍后復(fù)實軸上的極點(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)計期望的特性。同樣1 000gcm擾動力矩下，系統(tǒng)調(diào)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(biāo)單位角秒，橫坐標(biāo)單位秒）。

　　在系統(tǒng)反饋控制中，內(nèi)環(huán)是一個力矩電機(jī)的電流環(huán)，用于輸出穩(wěn)定無差的轉(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(yùn)動，通過反饋回路產(chǎn)生一個控制力矩來抵消擾動力矩，從而達(dá)到穩(wěn)定的目的。在本陀螺穩(wěn)定平臺控制系統(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

　　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(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(fù)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(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，可同時采樣，轉(zhuǎn)換時間為4μs，滿足系統(tǒng)要求。A/D轉(zhuǎn)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(jī)伺服驅(qū)動接口

　　電機(jī)功放電路選用IR公司的電機(jī)驅(qū)動芯片IR2104。IR2104是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)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(qū)動電路控制一臺直流力矩電機(jī)。IR2104通過HO輸出分別控制全橋驅(qū)動電路的上半橋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)動接口如圖4所示（僅畫出一路）。

　　3.3 旋轉(zhuǎn)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(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″。單路旋變接口實現(xiàn)如圖5所示。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及功能

　　軟件設(shè)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(shè)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(jī)發(fā)出。上位機(jī)還可以設(shè)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(shè)置，同時上位機(jī)還接收、顯示存儲來自平臺的包括陀螺、旋變、電機(jī)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(shè)計，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(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、模擬搖擺試驗、帶寬預(yù)測試等系統(tǒng)試驗。

　?。?） 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(jié)束并自動轉(zhuǎn)入陀螺穩(wěn)定狀態(tài)。

　?。?） 穩(wěn)定測漂

　　操作員鍵入采樣周期和采樣時間后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定測漂狀態(tài)，測漂完成后自動補(bǔ)償陀螺漂移。

　?。?） 位置指令

　　系統(tǒng)接收到目標(biāo)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(zhuǎn)動的俯仰、方位角度，然后控制平臺電機(jī)轉(zhuǎn)動到相應(yīng)位置。

　?。?） 目標(biāo)搜索

　　此時由操縱桿控制俯仰、方位兩個電機(jī)的運(yùn)動，DSP接收到目標(biāo)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(jī)的速度值，然后按照操縱桿給出的俯仰、方位兩個電機(jī)的速度值控制平臺轉(zhuǎn)動，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)電視跟蹤器傳來的俯仰、方位的脫靶量控制兩個電機(jī)平臺運(yùn)動，跟蹤目標(biāo)點(diǎn)。

　　5 系統(tǒng)實驗及結(jié)論

　　5.1靜態(tài)穩(wěn)定精度檢測

　　開機(jī)使平臺進(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(shè)計要求。

　　5.2 動態(tài)穩(wěn)定精度檢測

　　開機(jī)使平臺進(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，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(yuǎn)小于設(shè)計指標(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。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)。對各項動、靜態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行了測試， 達(dá)到了預(yù)期設(shè)計指標(biāo)。