（机械电子工程专业论文）车载光电跟瞄系统控制技术的研究.pdf

摘要 光电捕获、跟踪与瞄准( a c q u i s i t o n ，t r a c k i n ga n dp o i n t i n g ，a t p ) 系统日益 受到武器控制、天文观测、航空航天、激光通信等领域的重视。虽然不同的领域 对光电跟瞄系统要求的侧重点各不相同，但总体趋势都是向着高精度、高速度、 强适应性方向发展。 本文首先介绍了车载光电跟瞄系统的结构原理、控制模块、装置专用软件 c o m p o s e r 及其使用方法。其次，运用四元数法对三轴架构的跟瞄系统进行了详细 的运动分析，并在此基础上，基于l a g r a n g e m a x w e l l 方程，建立了系统的机电动 力学模型，该模型对于多刚体运动系统具有普遍的适用性。最后，分析了系统跟 瞄的特性，并根据实际参数，运用m a t l a b 对其运动过程进行了基于p i d 控制器的 数值仿真及分析。 关键字：光电跟瞄系统四元数法p i i ) 控制器 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fp h o t o e l e c t r i ca t p ( a c q u i s i t i o n ，t r a c k i n ga n dp o i n t i n g ) s y s t e m i nt h ef i e l do fa r m sc o n t r o l ，c e l e s t i a lo b s e r v a t i o n ，a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，l a s e r c o m m u n i c a t i o na n de t c w a sc o n s t a n t l ye x t e n d e d t h ep e r f o r m a n c ed e m a n do fa t p s y s t e mi sd i s s i m i l a ri nd i f f e r e n tf i e l d s ，b u tt h et r e n do fd e v e l o p m e n ti sh i g h e rp r e c i s i o n ， f a s t e rs p e e da n dm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a b i l i t y f i r s to fa l l ，t h eo r g a n i z a t i o np r i n c i p l ea n dc o n t r o lp a r t so fa t p s y s t e m ，t h es p e c i a l s o f t w a r ec o m p o s e ra n dt h eu s i n gm e t h o dw e r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s w h a t sm o r e ， t h et h r e e - a x i sa t ps y s t e mw a sa n a l y z e db a s e do nt h eq u a t e r n a r ym e t h o da n dt h e d y n a m i cm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nl a g r a n g e - m a x w e l lf u n c t i o n s f i n a l l y , t h e m o v e m e n to ft r a c k i n ga n da i m i n gw a sa n a l y z e d ，a n da c c o r d i n gt oa c t u a ls y s t e m p a r a m e t e r , e m u l a t e da n da n a l y z e dd y n a m i cm o d e lw i t hm a t l a bb a s e do nt h ep i d c o n t r o l l e r k e y w o r d s ：p h o t o e l e c t r i ct r a c k i n ga n da i m i n gs y s t e mq u a t e r n a r ym e t h o d p i dc o n t r o l l e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 l , j ) j n 以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：j ：继 日期五f 垒：墨：区 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学：学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在j 解密后适用本授权书。 1 3 1 t 明丛应： ： 日期2 型立：i ： 第一章绪论 第一章绪论 光电跟瞄系统的控制技术，就是控制机动目标的跟踪瞄准，即利用探测器( 雷 达、声纳、红外、光电传感器等) 获得运动目标( 飞机、坦克、舰艇等) 的数据， 对目标的运动状态( 位置、速度、加速度等) 进行估计，并根据处理后的信息控 制瞄准轴按照一定的轨迹进行跟瞄。由于其在军事、工业和科研等领域都具有较 为广阔的应用前景，所以本文对三轴架构的光电跟瞄系统的控制技术进行了较为 深入的研究。 1 1 1 研究背景 1 1 研究背景及发展状况 光电捕获、跟踪与瞄准( a c q u i s i t i o n ，t r a c k i n ga n dp o i n t i n g ，a t p ) 系统以 高于微波频率的光波为信号载体，使跟瞄系统战术性能产生了质的飞跃：极高的 时域、空域、频域分辨率；特强的抗电磁干扰能力；独有的夜间观察功能和良好 的战场适应性等。这些优越的性能使得光电跟瞄系统在低可观测性目标探测、高 分辨率目标识别、精确制导、火控和瞄准、飞行辅助和信息对抗等军事应用领域 具有巨大的潜力。除了武器控制以外，光电跟瞄技术在天文观测、靶场测量、航 空航天和激光通信等领域也都取得了日益广泛的应用【l j 【4 。在激光通信方面，利 用激光束传递信息，其有有效带宽在理论上可以比平常的通信信道容量增加1 0 5 倍。由于用激光束通信具有信息不易被截获，通信系统不易被人为干扰等非常具 有诱惑力的特点，同时由于大容量、机动性和保密通信的需求，吸引人们研究和 开发激光通信。由此可知，虽然不同领域对跟瞄系统要求的侧重点各不相同，但 总的趋势都是向着高精度、高速度、强适应性方向发展。 随着对光电跟瞄系统要求的不断提高，特别是系统自身机动性的要求，基座 固定于大地的跟瞄系统( 地基a t p 系统) 已经不能满足使用要求。发展基座固定于 运动平台( 车、船、飞机、卫星等) 上的光电跟瞄系统( 运动平台a t p 系统) 成 为当前研究的重要内容。小型运动平台光电跟瞄系统由于其体积小、重量轻、机 动性好，布局灵活、便于组网、隐蔽性好等优点，具有广阔的应用前景【5 j 。 光电跟踪瞄准系统主要由光学系统、跟踪瞄准伺服系统( 包括跟踪系统结构 架，控制器及控制电路，驱动器) 、测角系统、记录系统等组成。当跟踪目标进入 光学测量的视场内后，伺服系统捕获并锁定目标，然后一直跟踪目标使其一直位 于光学测量的视场内，其系统概念框图如下图1 1 。光电跟踪瞄准系统具有捕获、 车载光电跟瞄系统控制技术的研究 跟踪、瞄准三种基本功能，如图1 2 所示。它是以跟踪回路为中心，跟踪传感器 测出目标位置信息( 跟踪误差) ，送入跟踪控制器进行回路补偿，再经速度回路由 电机驱动机架跟踪目标。捕获方式时先由大视场捕获传感器发现目标，将信息送 至跟踪回路并转入跟踪，也可以由其它设备或目标理论轨迹引导捕获目标。瞄准 则是根据各种传感器测量的数据对跟踪系统机架进行修正控制，也可以直接控制 测量轴或发射轴，以便对准目标。 图1 1 捕获跟踪与瞄准系统框图 图1 2 常用跟瞄系统控制结构 随着科学技术的迅速发展，光电跟瞄技术无论是在军事领域还是在工业和科 学研究领域都有了更加广泛的应用。同时，现代社会的发展也对光电跟瞄技术提 出了更高的要求。要达到高精度，除了要有高性能的光电传感元件之外，快速、 灵活且高精度的伺服系统也是关键。而常规的跟瞄伺服系统无论在快速性还是在 精度和抗干扰性方面都很难满足要求，所以对光电跟瞄系统结构和控制方案的研 究已成为必然。最大限度地发挥出光学传感器的优势，实现对低空、高速目标的 快速捕获和稳定、高精度的跟踪瞄准是各科研单位都正在努力解决的问题。 1 1 2 光电跟瞄系统的基本技术问题 在跟瞄系统的设计过程中，存在着一些基本的技术问题。对于这些问题存在 的原因进行深入的了解，对于改进整个系统的性能是大有益处的。 第一章绪论 1 捕获的基本技术问题 捕获系统的基本技术问题主要有捕获距离、捕获视场、捕获目标的光学特性 以及背景特性等。增大捕获距离和视场，减小捕获时间是对捕获系统的主要技术 要求。 影响目标捕获的主要因素有大气扰动、背景辐射及干扰、目标辐射( 或反射) 特性、传感器性能、系统参数性能等。 2 跟踪的基本技术问题 跟踪系统的主要技术要求可概括为以下几项： 跟踪角度范围( 方位角、俯仰角) 目标特性( 与捕获要求类似) 跟踪角速度、角加速度 过渡特性( 过渡时间、超调量、振荡次数等，实质是系统的稳定性和快速 性标志) 跟踪精度 上述指标就是要求跟踪系统能够精确测量出目标与跟踪光轴之间的偏差，快 速抓住目标，减小由于目标运动以及各种扰动引起的跟踪误差。这可以概括为提 高跟踪精度和响应速度两个问题，当然这也必须在保证系统稳定的前提下。跟踪 精度和响应速度不仅是跟踪系统的关键指标，也是决定整个跟瞄系统方案的关键 因素。 要保证光电跟瞄系统具有良好的跟踪性能，其跟瞄控制系统需满足以下的要 求：系统在低频段具有较高的增益，保证跟踪精度；中频段具有足够的稳定裕度， 保证系统的过渡过程平稳，超调量满足要求；高频段具有较好的衰减作用，以减 小噪声的影响。 提高系统跟踪性能的策略主要有两类：一是改进跟踪控制方法，二是改善跟 踪架机械结构。目前有效的跟踪控制方法有复合轴控制、前馈控制、电流负反馈 控制、模糊控制以及神经网络控制等；改进跟踪架机械结构主要是为了改善系统 的机械谐振频率，在材料性能、驱动装置性能满足要求的条件下，设计更为合理 的跟踪架结构成为改善系统机械谐振频率的主要因素。 3 瞄准的基本技术问题 瞄准是在跟踪的基础上为使设备的主光轴对准目标，尽可能地减小误差。瞄 准的基本方法都是根据一定的数学模型，根据输入的有关数据，用计算机控制的 方法调整轴的位置。 瞄准系统的误差来源主要有以下几方面：跟踪轴与主轴之间的视差；轴系或 者结构变形引起的误差；大气折射引起的误差；测量点与跟踪点之间的偏差；光 束传输时间引起的误差等等。 4 车载光电跟瞄系统控制技术的研究 4 捕获、跟踪与瞄准的切换过渡问题 为了可靠地捕获目标和高精度的跟踪目标，大多数光电跟瞄系统都具有几种 捕获跟踪手段，正确选择捕获跟踪方式以及确定每种方式的视场是非常重要的。 不同视场的捕获方式之间、捕获与跟踪之间以及各种跟踪方式之间的平滑切换是 可靠跟踪的重要条件。实现平滑切换的关键有两点t 一是正确判断当前的工作状 态，确保切换信号的有效性，以避免切换失误；第二点是状态转换前后加速度回 路输入点的电压不能跃变。 综上所述，跟踪瞄准系统产生误差的原因很多，而且既有系统误差又有随机 误差。因此，要提高跟瞄系统的性能，既要提高元件( 尤其是光电传感器) 性能， 还需设计合理的跟踪架结构，同时还要考虑控制系统性能的改善。具体途径有： 采用高精度的光电跟踪探测器、传感器；改善跟瞄系统的结构( 包括提高刚度、 降低摩擦力矩等) ；采用高精度的视轴稳定技术；采用高精度的跟踪控制技术；自 适应光学与跟踪控制相结合等等【6 1 。 1 1 3 国内外研究动态【7 】- 【1 3 】 由于上述种种原因，光电跟瞄系统的研制普遍受到世界各国的关注。以高分 辨力和抗电子干扰为突出特点的军用光电跟踪设备已成为当今世界高技术军事装 备发展的重点之一。舰船光电跟瞄设备的研究自上世纪七十年代起步，八十年代 有较大的发展，但此时的光电跟瞄设备还处于论证、样机演示和海上试验阶段。 九十年代光电跟瞄设备进入较为成熟的发展期，九十年代末开始装备海军。例如 美国海军的舰载自卫系统( s s d s ) 计划中的光电系统，采用了红外摄像机来捕捉 目标，然后由激光雷达来测距和识别。该系统技术型样机于1 9 9 3 年进行了实验， 1 9 9 6 年装备于美海军“a s h l a n d 号。类似的系统还有法国m s p d t l 光学传感器 平台，该实验设备在1 9 9 4 年由s t n a t l a s 电子公司和z e i s s e l t r o 光学公司开始 研制，在1 9 9 5 年进行实验，1 9 9 8 年装备德国海军。 日本早在七十年代开始空间激光传输技术的研究，1 9 8 7 年开始跟瞄技术的研 究。美国空军于上世纪八十年代开始支持空间激光通信技术的研究，其中包括空 间激光跟瞄技术。美国机载空中实验室，其中激光器由联合技术公司研制，高精 度跟踪瞄准系统由休斯飞机公司研制，多年来曾多次进行激光武器的精密打靶试 验。近年来德国m b b 公司与d i e h l 公司联合研制的“高能激光防空坦克系统 ， 由m b b 公司发展强激光器，d i e h l 公司发展高精度跟瞄系统。其它如英国、瑞士 等西方发达国家也都于近些年研制了各种光电跟瞄系统。 国内激光和电视传感器通过十几年的发展日趋成熟，红外热像仪在引进、改 造的基础上也有所进步，为光电跟瞄系统的开发研制提供了较成熟的条件。面对 第一章绪论 这一新课题，如何能够最大限度地发挥出光学传感器的优势，实现对低空、高速 目标的快速捕获和稳定、高精度的跟踪瞄准是各科研单位都正在努力解决的问题。 1 2 课题来源及其研究意义 本课题来源于学校重点学科建设项目“车载自动跟瞄装置”。该项目的设立将为 我校机电工程学院建成一套光机电相结合的综合实验系统。 车载自动跟瞄系统是集光学、电学、机械学、控制理论、传感及检测、通讯 技术等于一体的实验系统。该系统的建设主要是为了研究光电跟瞄系统如何能快 速、准确的跟瞄目标，并且为各种跟瞄算法提供知识积累以及为理论的实践提供 实验平台。车载自动跟瞄装置的整个系统是从最底层开发的，给实验者以广阔的 实验空间。通过对系统的理解，实验者可以自行设计和亲自参与实验，这使得实 验者能够更加自主、积极的进行多学科知识的交叉融合，提高实验者对所学知识 综合运用的能力。 1 3 本文的主要工作 本文主要围绕着车载光电跟瞄系统的控制方法进行了深入的研究。首先介绍 了系统的结构原理、控制机制、装置专用软件c o m p o s e r 及其使用方法。其次， 运用四元数法对三轴架构的跟瞄系统进行了详细的运动分析，并在此基础上，基 于l a g r a n g e - - m a x w e l l 方程，建立了系统的机电动力学模型，该模型具有普遍适 用性；最后，详细的分析了系统跟瞄运动的策略，依据实际参数，使用m a t l a b 对系统运动过程进行了基于p i d 控制器的数值仿真及结果分析。本文的主要工作 和研究内容如下： 第一章：绪论。介绍了光电跟踪相关理论及设备的国内外发展现状；研究背 景、研究意义；并对全文的内容做了总结。 第二章：车载光电跟瞄系统的结构及工作原理。详细介绍了车载跟瞄系统的 结构及控制机制；对跟瞄装置的各个功能模块作了简单的描述，最后介绍了位置 控制器专用软件c o m p o s e r 基本功能及其使用方法，为下文的实践做好准备工作。 第三章：跟瞄系统机电动力学建模。基于刚体转动的四元数描述方法，采用 l a g r a n g e m a x w e l l 方程，对系统的能量进行了详细的分析，并建立了三轴跟踪架 构系统详细的机电动力学模型，该模型在实际应用中具有普遍适应性。 第四章：跟瞄系统的控制仿真及分析。对系统的跟踪策略做了详尽的分析， 并在此基础上，验证了所建模型的正确性和可行性；依据系统实际参数，分别采 用普通p i d 和参数自整定模糊p i d 的控制方法，应用m a t l a b 软件完成了目标 6 车载光电跟瞄系统控制技术的研究 跟踪的机电动力学仿真及分析。 第五章：总结与展望。回顾全文所作的工作，指出了论文中的不足之处，并 就其今后的完善工作提出若干自己的看法和期望。 第二章车载光电跟瞄系统的结构及工作原理 第二章车载光电跟瞄系统的结构及工作原理 典型跟瞄系统以跟踪回路为中心，跟踪传感器涮出i i 标位置信息( 跟踪误差) ， 送入跟踪控制器进行回路补偿，再经速度回路由驱动装置( 电机) 驱动机架跟踪 目标。系统捕获时则先由大视场捕获传感器发现目标，将信息送至跟踪回路并转 入跟踪，也可以由其他设备或者目标理论轨迹引导捕获目标。瞄准则是根据各种 传感器钡瞳的数据对跟踪系统机架进行修正控制，也可直接控制测量轴或者发射 轴，以便对准目标。 本文所研究的光电跟瞄系统具有三个转轴，一个是与地面垂直的方位转轴， 一个是与地面平行的俯仰转轴，还有一个足与俯仰轴垂直的横倾转轴，光电跟瞄 系统以一个两轮独立驱动的四轮小车为运动平台。 2 1 车载光电跟瞄系统结构方案 本文主要涉及三轴跟踪部分的研究，囚此在下文中主要介绍由方位轴、俯仰 轴和横倾轴组成的三轴跟踪架构。 由于跟瞄系统自身运动能力( 如系统速度、加速度等) 有限，会使系统存在 不能跟踪的区域盲区：另外，由于系统结构上的限制，会使系统存在不能指 向的区域不可见区域。除了驱动器的性能以外，系统的运动能力主要受跟踪 架的结构形式影响。因此改进系统跟踪架的结构成为消除或者减小系统盲区和 不可见区域的有效措施。 ”髦”m 御 簟艘壹 cd 圈2 1 跟瞄系统跟踪架结构 8 车载光电跟瞄系统控制技术的研究 早期的极轴式跟踪架结构如图2 1 ( a ) 所示，其结构和控制简单，但是在极轴上 方存在跟踪盲区；规则x y 双轴式跟踪架结构如图2 1 ( b ) 所示，在y 轴方向的地 平面附近存在跟踪盲区，另外由于y 轴不能做得太长，系统的跟踪范围比较小；偏 x y 双轴式跟踪架结构如图2 1 ( c ) 所示，增大了y 轴的跟踪范围，但是在y 轴两端 存在着比规n x y 双轴式跟踪架结构更大的盲区。偏距会影响系统的跟踪精度，但 是当偏距与目标距离比值较小时，其影响较小；三轴跟踪架结构如图2 1 ( d ) 所示， 跟瞄系统不存在跟踪盲区，但是其系统结构和跟踪策略比较复杂。若系统的复杂 度不是待解决问题的关键部分，三轴跟瞄系统成为比较理想的选择。 根据旋转方式来分，机架结构可分为两种基本类型：一种是旋转机架式，一 种是旋转检测装置式，如图2 2 所示 6 1 ： - ( a ) 旋转机架式( b ) 旋转检测装置式 图2 2 跟踪瞄准机架形式 旋转机架式是将光电装置安装在平台上，驱动整个平台来完成跟踪和瞄准。 由于平台转动惯量大、频带窄、响应慢，要达到较高的动态精度比较困难，因此， 这种结构只适用于中等精度的系统或者低速目标。旋转检测装置式结构，在跟踪 时平台不动，由伺服系统控制旋转检测装置，从而达到跟踪瞄准目标的目的。由 于检测装置较轻，响应频率较高，所以可做成响应极快的高精度跟瞄系统。一般 而言，光电检测装置的跟踪视场和范围极其有限，所以无论是旋转机架还是旋转 检测装置都具有一定的缺点。为克服二者不足，车载跟瞄系统采用复合轴式结构。 系统采用三轴结构，这三轴分别为：方位轴，俯仰轴和横倾轴。方位轴是整个跟 瞄系统结构的主轴，并且作为安放其它光电跟瞄装置设备的平台。方位轴没有转 动角度限制，可以顺时针或逆时针转动任意角度，因此使得跟瞄装置可以实现大 范围的搜索和跟瞄，几乎不受限制。但是，在方位轴的平台上，除了俯仰轴、横 倾轴外，还需安放一些必须的设备，如给俯仰轴、横倾轴电机供电的蓄电池，俯 仰轴、横倾轴电机的控制器等，这样就使得方位轴的转动惯量比较大，频带窄、 响应慢，难以达到高速、高精度跟瞄的要求。因此，方位轴只能进行速度和精度 较低的粗跟瞄，亦可叫做粗跟踪轴。横倾轴是跟瞄系统结构的子轴。横倾轴的转 动受限制，转动范围4 5 0 + 4 5 0 。横倾轴上有质量很轻的c c d 摄像头，转动惯量 第二章车载光电跟瞄系统的结构及 二作原理 很小。因而，横倾轴能进行高速、高精度的精跟瞄，亦可叫做精跟踪轴。相对横 倾轴而言俯仰轴的转动惯量 e 较大，但比方位轴的转动惯量要小的多。俯仰轴 的运动范围为0 0 1 8 0 0 。俯仰轴的响应速度和跟踪视场基本能满足大范围、高速 度、高精度的要求，因而在粗精复合控制跟瞄中，既属于粗跟踪轴又属于精跟踪 轴。粗跟踪轴和精跟踪轴可分别进行控制，构成租跟踪系统和精跟踪系统。 随着跟瞄系统对自身机动性要求以及对外界环境适应性要求的不断提高，运 动平台光电跟瞄系统成为当前科研领域研究的重要内容。 基于以上研究成果，实验室自主设计制作了一种运动平台偏三轴光电跟瞄系 统，其三维造型如图23 所示。 图2 3 三轴跟踪系统架构三维造型 运动平台和三个转轴均用高精度直流伺服电机作为驱动装置，其中运动平台 由两个独立驱动的轮子控制，方位轴和横倾轴备用一个电机驱动，俯仰轴用两个 菇轴的电机驱动，整个系统由大容量的蓄电池供电。为了增大跟踪范围，横倾轴 在设计时引入了偏距，其工作范围扩大到一4 5 。+ 4 5 0 ，俯仰轴的工作范围为0 。 1 8 0 0 ，方位轴的工作范围0 0 3 6 0 ，这样，浚偏三轴跟踪架结构便可以快速地 实现无盲区跟踪。 22 车载光电跟瞄系统组成模块介绍 光电跟踪瞄准系统一般包括跟踪探测系统、跟踪轴架系统和伺服控制系统三 个部分。图2 4 为实验系统各控制模块安放位置的设计图。图2 5 为三轴跟瞄系统 的实物图。 车载光电距瞄系统控制技术的研究 图2 4 控制器件位置嘲 幽2 5 实验系统实物照片 数据传输系统：为了避免使用回流_ 翻= 给系统带来干扰。保证车载跟瞄系统的方 位轴转动和行走都不受限制，系统车载部分分为模n b , n 模n c ，并且两模块 间以及书抟! 制台刊、车之间都采用无线通信方式。使用无线数传通信模块采控 制自动化小车，本文用的无线数传模块足d t d 4 6 5 1 “i 。 第二章车载光电跟瞄系统的结构及t 作原理 l l 跟踪探测系统：它能根据瞄准偏差信号判断目标运动速度的方向和大小。包括： 光电探测器、c c d 摄像头、图像处理模块等。 跟踪轴架系统：轴架系统应能保证使固定于其上的光电传感器能够绕两个互相 垂直并相交的转轴旋转，其结构的形式、刚度、转动惯量、摩擦力矩、结构的 稳定性和平衡性都将影响整个系统的精度和响应特性。它应能为高速、高精度、 高稳定性跟踪提供保证。 伺服控制系统：它是跟踪瞄准系统的操控环节，不仅影响整个系统的稳定性， 而且直接关系到系统的跟踪精度和响应速度。主要包括：以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的主控制器、c e l l o 数字伺服驱动器和m a x o n 无刷直流伺服电机等。 221 光电跟踪探测系统 位置检测装置即跟踪探测系统是光电跟瞄系统的重要组成部分位置检测的 性能直接决定了系统最终控制的效果甚至成败。光电位移检测具有响应快、灵敏 度高、精度高、抗干扰能力强等特点，是跟瞄装置的最好选择。在本文中，车载 跟瞄系统主要采用了c c d 位移检测技术实现目标位移的检测。c c d 位移检测系 统由c c d 摄像头和电视跟踪器构成。跟踪器将c c d 摄像头生成的图像进行处理， 得到臼标的形状及其相对应位移信息，并将信息以模拟信号方式输出。跟瞄装罱 所使用c c d 图像处理器是x h - a v t 0 1 电视跟踪器，如图2 6 所示。 图26 图像处理器x h a v t 0 x h a v t 0 1 跟踪器的接口面板示意图如图27 所示。其中伺服接口是目标与 c c d 视轴角度误差的输出口，咀模拟电压信号输出其电压输出量是线性的，范 围为5 v 。在实际测试中，测得方位电压输出范围是39 5 v 一+ 39 5 v ，俯仰电压输出 范围是一3 5 5 v - 一 , 35 5 v 。方位零位电压误差和俯仰零位电压误差均不大于2 0 1 r i v 。操 控台接口是跟踪器与上位机的接口。 车载光电跟瞄系统控制技术的研究 图2 7 跟踪器接口面板 跟踪器与上位机之间的通信采用r s 4 2 2 串行异步通讯接口的通信方式，具体 要求为： ( 1 ) r s 4 2 2 全双工异步通信接口，波特率为9 6 k b p s 。 ( 2 ) 数据帧长度为1 1 位：1 位起始位，l 位停止位，偶校验，8 位数据位。 ( 3 ) 跟踪器接收或发送的每组信息的第一个字节为起始字节。 ( 4 ) 校验和为数据字节的和除以2 5 6 的余数。 ( 5 ) 不用的数据位应添“0 ”。 上位机的串口通信方式为r s 2 3 2 ，因此在跟踪器与上位机之间的通信需要采 用r s 2 3 2 一r s 4 2 2 的转换器。 图2 8 监视器界面 电视监视器的波门大小如图2 8 所示，其中全视场大小为2 5 6 ( 方位) * 2 5 6 ( 俯仰) ；搜索波门大小为7 0 ( 方位) * 8 0 ( 俯仰) ；捕获波门大小为2 0 ( 方位) * 4 4 ( 俯仰) 。 上位机通过与跟踪器的串口通信，控制跟踪器的启动、锁定及释放目标。上 位机发送启动指令后，跟踪器处于搜索状态。当目标进入c c d 视场时，通过上位 机系统向跟踪器发出捕获指令，跟踪器将目标捕捉，根据图像处理算法记录目标 的形状，并实时地输出目标与c c d 视轴的角度偏差信息，将x 方向和y 方向的跟 瞄偏差分别以模拟电压信号输出，此时跟踪器处于目标锁定状态。在跟瞄过程中， 可能出现晃动，导致目标脱离视场，当目标再进入视场时，跟踪器依然能够继续 跟踪目标。上位机发出释放目标指令后，跟踪器回到搜索状态。由于x h a v t 0 1 第二章车载光电跟瞄系统的结构及工作原理 跟踪器输出为模拟量，需要进行a d 转换，才能将位置偏差信号送入上位机处理 22 2 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的主控制器醍计 主控制器主要实现与上位机及各位置控制器之间的通信，还有一些简单算法 的处理。必要时，主控制器还要能够完成系统主控制算法的处理。 图2 9f 位机处理模块实物图 根据主控制器要实现的功能，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处理器外围硬件电路主要包 括复位电路， 33 v 供电电路t r a g 调试电路，扩充r a m r o m 电路，串行通 信( s c i ) 电路，扩展串口通信电路等。位置控制器的接口中包含有一般i o 口， 可以用i o 口触发事件。因此在主控制器电路设计中，扩展了1 5 路通用输输 出引脚接口，以各使用。 复位电路：电路板上有3 个复位源：上电复位，看门狗复位，电源监测。任 何一个复位有效将导致整个系统复位。 33 v 供电电路：由于试验中使用的d s p 的内核，i o 口缓冲器电源和a d c 等模块的供电电压均为33 v ，因此我们需要将常规的5 v 供电电压转换成 3 3 v 。我们使用1 1 公司的稳压器件t p s 7 3 3 3 来实现这种转换。t p s 7 3 3 3 是 t i 公司专为d s p 芯片生产的电压稳压器件。 j t a g 调试电路：与5 l 系列单片机不同d s p 的在线调试与仿真是通过j t a g ( j o i m t e s t a c t i o ng r o u p ) 标准柳4 试接口及相应的控制器实现。 扩充r a m r o m 电路：在主控制器的电路设计中，我们扩充了6 4 k 字外部数 据r a m 和6 4 k 字外部程序r a m 。主控制器与上位机系统采用的是无线数据 通信，在数据量比较大时难免会出现数据拥挤，这时可将外部数据r a m 用 于保存临时数据。软件调试过程中，只要设置引脚m p m c ，就可以使d s p 处于不同的工作模式。由于d s p 时钟频率较高，如果和普通的r a m 接口， 则需要插入等待周期。不仅不方便而且严重影响了系统性能。我们选用了1 s s l 午载光电跟瞄系统控制技术的研究 生产的币存在与d s p 之间通信的速度调配问题的i s 6 1 l v 6 4 1 6 1 2 l j 芯片作为外 部扩充程序数据r a m 。 串行通信( s c i ) 电路：s c i 用于主控制器与其它模块进行r s 2 3 2 通信【2 2 】【2 3 i 对必须进行电平转换。该电路采用了符合r s 2 3 2 标准的驱动芯片 m a x 3 2 3 2 j 进行串口通信。m a x 3 2 3 2 芯片功耗低、集成度高，具有两个 接受和发送通道，并且与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 电平匹配，省去了电平匹配电路。 由于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 只有一个串行通信端口。而这个串口要通过 无线数据传输模块与上位机及主控台进行通信为了能够通过串口和多个电 机控制器进行通信，我们需要扩展串l l 的数量。下位机信号处理板使用了串 1 通信扩展芯片t l l 6 c 5 5 4 a 1 2 5 1 , 芯片t l l 6 c 5 5 4 a 可以扩展4 路串口通信， 完全能满足下位机信弓处理板对光电跟瞄系统的电机位置控制器通信端几数 量的需求1 2 “。 223 伺服系统介绍 在本实验系统中，伺服系统丰要由e l m o 公司生产的c e l l o 数字伺服驱动器和 m a x o n 直流无刷伺服电机组成。 l 位爱控制器 车载跟瞄系统采用的位置控制器是型号为c e l a l 5 6 0 的c e l l o 数字伺服驱动 器，c e l l o 是功能非常强大的伺月驱动器主要应用于承磁同步无刷电机和直流无 制电机的控制。它支持电流、速度、位置等控制模式，控制电机以恒转矩或恒转 速转动或者控制电机以一定速度转到某一位置其中位置控制模式又分为双反 馈位置模式和单环位置模式。c e l l o 数字伺服驱动器可以单独使用控制单个电机， 也可h 在多轴系统中组成分布式网络，其实物如图21 0 所示。 瞻 幽21 0 c e l l o 数字伺服驱动 尹豁 第二章车载光电跟瞄系统的结构及丁= 作原理 e ，c o 舞：o r t i i = = = = = = = ：= = = = = 门 矧。陋固岛巾一i 畦奇 匕! _ f 1 一 c a n o 砷nd b 3 t h ，j ， 固2 1 1c e l l o 伺服驱动器接口 c e l l o 数字伺服驱动器是一种可编程的控制器。它有专门的指令集1 2 1 和编程 软件# ”。通过r s 2 3 2 或c a n o p e n 通信，可以直接给它发送控制指令，调整控制 参数或控制电机的运行。根据具体应用情况，还可以在p c 机上编程，然后通过 r s 2 3 2 下载到c e l l o 数字伺服驱动器上执行。c e l l o 数字伺服驱动器的指令十分丰 富，按工能分类主要有：用于实时控制电机运行的控制指令，如电机的启动、停 止；控制参数设置指令：用户编程指令；错误诊断指令；工作模式转换指令；用 于保护系统的限制指令，如设定最高电流值等；运动状态采集指令。c e l l o 伺服驱 动器的r s 2 3 2 通信剐是全双工的，最高波特率可达5 7 6 0 0 b p s 。豫错误代码外 r s 2 3 2 通信均是以a s c i i 码字符形式发送和接收。 要实现跟瞄装置对目标的捕获跟踪，各轴的协调运动十分重要。c e l l o 伺服驱 动器高级位置控制模式下的p t p 、p t 和p v t 运动模式能实现各轴的协调运动。 其中p v t 运动使得多轴系统进行理想的同步协调运动成为可能。 在跟瞄装置运行过程中各电机的运行状态需要实时地从电机控制器反馈给 主控制台的上位机系统以便对跟瞄过程进行分析。c e l l o 伺服驱动器内置有一个 记录器，可用于实现状态信息反馈功能。c e l l o 伺服驱动器不能主动向主控制 器发送数据，因此要访问记录器的记录信息必须给驱动器发送指令，让它上传 所记录的状态信息。 2 直流伺服电机 电机的选择对控制系统性能的好坏有着很大的影响。驱动电机常采用具有良 好调速性能的各种直流电机。直流电机的优点是功能比大能保证足够的速度。 但是要想保证速度和位置精度，必须加入测速传感器( 如：光学编码器) ，充当反 馈环节；直流电机本身的速度比较高，通常需要使用减速器。本试验选用m a x o n 无刷直流电机。其具有无机械换向：长寿命；在低电压下仍有高转速、散热好、 车载光电跟瞄系统控制技术的研究 过载能力强；电气时间常数小、电感小、高教率等优点 2 3c o m p o s e r 软件介绍 本文将对系统运动的结果进行实际测量，其中对位置控制器进行操作时，必 须使用软件c o m p o s e r 。凼此，在本小节中对其操作方法进行简要的介绍。 2 3l 软件系统介绍 本套实验系统采用的是以色列e l m o 公司生产的c e l a l 5 6 0 电机专用控制器。 每个电机对应一个位置控制嚣，由位置控制器驱动电机，控制电机的转速、转角。 其控制方法是通过e l m o 公司的c o m b e r 软件实现对每个电机的精确控制。 c o m p o s e r 软件具有自已一系列卡富的系统1 二具，它们包括 ”i ： c o m p o s e r w i z a r d ( c o m p o s c r 向导) ：用于初步调整单轴伺服驱动器。它充分 的分析了整个系统，并规定所有共振和力学参数。 s m a r t t e r m i n a l ( 智能终端) ：用于手动操纵c o m p o s e r ，控制伺服驱动器。 m o t i o n m o n i t o r ( 运动监测) ：显示当前驱动器的运行状态。运动监视器可以 记录和屁示几于任何系统参数。 e l m os t u d i o ( e l m o 工作室) ：足一个基本的操作环境用c o m p o s e r 特有的 控制语言来书写程序，编译、r 载和执行到已连接的伺服控制器中。 a p p l i c a t i o ne d i t o r ( 应用编辑嚣) ：通过它你可以观察所有开放程序的参数。 s c o p e ( 显示器) ：用来显示已经记录的参数和大量的数学蛹数曲线，并且它 可以将数据导入其他应用程序中进行数据分析。 通过阻上这些控甫0 器，c o m p o s e r 可以准确地控制e l m o 伺服控制器，记录并 分析伺服器运彳：j 时的实时参数，反馈电机运行的各项参数、状态，实现对电机的 基本控制，其界面如图21 2 。 豳21 2 c o m p o s e r 界面 第二章车载光电跟瞄系统的结构及工作原理 1 7 在r s 2 3 2 端口连接的情况下，点击c o m p o s e r 应用程序，新建一个工作空间， 系统便会弹出设置向导窗口，通过这个窗口设置系统参数，完成后自动将数据保 存到一个固定目录下，不用每次都设置系统参数。 在c o m p o s e r 自带的功能中，e l m os t u d i o 是最重要的一项，它是e l m o 公司 开发的专门用来进行程序开发的应用程序。该界面中包括程序的创建、编辑、编 译、调试等功能，也可以利用它将编辑好的程序直接下载到伺服控制器上。e l m o s t u d i o 在外观和功能上类似于m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 。当打开文档后可以在空白 区域进行程序编辑、调试。e l m os t u d i o 会自动提供电机的各项参数极值，如果有 超出范围的参数值，在编译时会自动报错，并且在程序无误时自动将其下载到伺 服控制器上并擦除原有程序。在用其他程序控制电机时，若需要下载程序到伺服 控制器上，要用专用命令，其形式为：x q # # x x x x 。当程序下载到控制器后，控 制器将按照用户提供的程序控制电机运动，若此程序没有擦除，则每次重新启动 电源时都会自动运行已有的程序。用e l m os t u d i o 下载程序时，要注意电机此时 必须是关闭状态，即m o = 0 。如果控制器在运行程序或m o = i 时，控制器会产生 保护，禁止程序下载，系统报错。 2 3 2 系统运动模式及指令介绍 在c o m p o s e r 的控制下，电机位置软件信号发生器共有5 种运行模式【3 2 1 ，其中 用的最多的是p t p 、p t 和p v t 三种。 闲置模式( i d l e ) ：电机静止，这是电机加电后的默认模式，也是当 电机状态执行完成后的电机模式。 点对点模式( p t - p ) ：用户指定目标位置，设定电机的速度，由 c o m p o s e r 自动搜寻最短路径来完成。 步进模式( j o g ) ：由用户设定目标速度以及在这个过程中的加速度， c o m p o s e r 会以最短的时间来实现这个速度。 位置时间模式( p t ) ：由用户设定一系列点，各点分别对应各自的时间， c o m p o s e r 通过三次插值多项式的运算，使得用户设定的点形成一平滑轨 迹。在这种模式下，复杂的运动很容易设计。 位置速度时间模式( p v - t ) ：由用户定义一系列运动点，每个点包括该 点的位置、运动到该点的时间和在该点时的速度。处理器同样采用三次 多项式插值算法，计算在指定时间点之间的系统采样点的速度和位置值， 使得运动曲线平滑。p v t 运动使得多轴系统进行理想的同步协调运动成 为可能。 下面对本文用到的一些电机指令【3 2 】做简单的介绍。通过这些指令可以有效的 1 8 车载光电跟瞄系统控制技术的研究 控制电机，实现电机的各种运动状态，满足用户对特殊运动控制的要求。 a c 一加速度，以计数秒2 定义了最大加速度。 b g 一开始运动，即刻启动下一个已编程的运动。 d c 一减速度，以计数秒2 为单位定义最大减速度。 p a 一绝对位置，规定下一个软件位置命令是p t p ( 点对点) 方式，进而 定义下一个p t p 运动的目的位置。 p r 一相对位置，声明下一个软件位置命令是p t p ( 点对点) 运动，进而 定义运动目的位置。 s f 一平滑因数，定义p t p 和持续运动的平滑因数。 s p p t p 模式速度，设置p t p ( 点对点) 运动模式的最大速度。 2 4 车载光电跟瞄系统工作原理 在图2 1 3 中，具体介绍了车载光电跟瞄系统的工作原理。对各个模块之间的 相互关系做了直观的描述。 第二章车载光电跟瞄系统的结构及工作原理1 9 图2 1 3 实验系统原理框架图 实验室自主设计的光电跟瞄系统由a 、b 、c 三个控制模块构成。控制模块a 是以上位机为主的主控制台，实现人机交互的平台，并完成光电传感器的数据采 集与处理。控制模块b 和控制模块c 分别实现对小车驱动电机、方位电机、俯仰 电机以及横倾电机的控制。控制模块b 包括小车的驱动电机和方位电机，小车的 行走由两轮独立驱动，通过调节两轮的速度来驱动小车直行或转弯。控制模块c 包括俯仰电机和横倾电机。为了装置结构的对称性，在俯仰轴两端各装一个俯仰 电机。因此，每个功能模块均由一个主控制器、三个位置控制器和三个电机组成。 各个控制模块之间的数据交换均通过无线方式完成，这样大大提高了运动平台光 电跟瞄系统运行的自由性和独立性。 跟瞄系统各个组成部分相互配合，共同实现跟踪瞄准的功能。如图所示，主 控制器是主控制台与位置控制器之间的数据中转站。主控制台将某一电机的转动 指令发送给主控制器，主控制器则将控制指令转发到相应的位置控制器，控制电 机以特定的速度转动到指定位置；各位置控制器和电机的工作状态，也要通过主 控制器转发到主控制台。在实际应用中，可将主控制算法放到主控制器上。 主控制台是控制和监视车载跟瞄系统运行、实现人机交互的平台。主控制台 上，主要有上位机、无线数据传输模块、电视跟踪器、c c d 监视器和a d 转换 电路。上位机系统是车载跟瞄装置的控制平台。上位机发出手动控制信号或接受 跟踪器输出的位置偏差信号，根据控制系统的控制算法作相应处理后，将控制指 令通过无线数据传输模块发送至主控制器，并将反馈回来的装置的运行状态显示 出来。电视跟踪器即是c c d 图像处理器，由于体积较大，而小车上的空间有限， 因此安放在主控制台上。小车上的c c d 信号经高传输速率的无线视频传输模块， 实时地传送至电视跟踪器。跟踪器对c c d 图像处理后，获得跟踪目标的位置偏 差信号，经a d 转换电路转换为数字信号，输入上位机系统。跟踪器上有c c d 监视器接口，这样可以在c c d 监视器上实时地看到c c d 视场范围内的