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(多图) 基于DSP的光学探测陀螺稳定系统的设计

仇海涛 韩永根 杨涛?? 2008年12月12日 ?? 收藏0

  光学探测陀螺稳定系统作为一种高精度的瞄准线稳定系统,可以提供对地、对空目标的全景式大范围探测和跟踪。既可作为独立的光电观瞄系统用于侦察任务,也可作为火控系统的组成部分完成战场作战任务。其重要功能是隔离载体角运动,使探测器在惯性空间内保持稳定;能够响应指令信号,在一定角度范围内对目标进行搜索,在人工识别锁定后能够按探测器信号自动跟踪目标,并给出方位、俯仰信息。可实时对地面敏感地区进行监视,执行昼夜监视、海岸巡逻、战场侦查等特定任务。在国防和民用领域具有广阔的应用前景。

  1 系统结构与设计指标

  1.1 系统结构

  系统主要由平台部件、电子部件、显控部件三部分组成。

  平台部件包括框架、俯仰/方位电机、大/小视场CCD、激光测距仪、俯仰/方位旋转变压器(以下简称旋变)。CCD摄像机安装于相互正交的内、外两个框架上,由两个力矩电机控制可以在航向和俯仰两个自由度的方向上扫描。在内、外框架上分别由速率陀螺感测方位和俯仰运动,其输出送入稳定系统调节器,再经功率放大后至力矩电机,使框架按照指令旋转(扫描)或稳定瞄准线。

  电子部件包括系统主板、电视跟踪器、电机驱动及数据采集保持电路。电子部件根据系统的要求对系统的航向、水平、俯仰、横滚和方位进行修正和补偿控制;根据陀螺仪的温度漂移特性曲线进行温度补偿控制;自动采样、监测系统信号;实现系统主要参数的常量有选择地动态显示。

  显控部件包括控制盒、工控机。主要用于显示由CCD摄像机摄入的图像及系统状态信息,并完成搜索、锁定、解锁等操作。

  1.2 系统主要设计指标

  稳定轴相关设计指标如下:方位、俯仰轴角速度大于40°/s,方位、俯仰轴角加速度大于60°/s2。

  静态下对不大于3 000gcm的扰动力矩,角度波动不大于30″且稳定后无静差。

  稳定隔离精度技术指标为:摇摆台在摆幅为3°、频率为1Hz的正弦扰动下,平台俯仰通道摆幅应小于2′;摇摆台在摆幅为2°、频率为1Hz的正弦扰动下,稳定平台方位通道摆幅应小于2′。

  2 控制系统设计

  当平台受到载体的运动干扰时,如果光轴作用点距离较远,即使相对惯性空间产生很小的误差角偏移,也会使远距离外的跟踪点脱离视场。因此系统主要针对干扰力矩下平台角度输出稳定后无静差这一要求来进行设计。

  在一般的速率反馈方案中,校正环节选用PID校正仅能实现系统角速度无静差,不能实现角度无静差。如果要让系统角度输出无静差,则需要在校正环节中含有双重积分环节,因此设计了在速率陀螺反馈的基础上采用PII2校正环节的控制方法。由于直流力矩电机电枢电感值通常非常小,忽略其时间常数的影响,模型简化后的稳定回路控制框图如图1所示。

模型简化后的稳定回路控制框图

公式

  (3) 主导极点:必须满足特征多项式中一对具有复实部的共轭复根为系统的主导极点,应满足α>5。

  采用极点配置的方法来确定(比例-积分-二重积分)校正环节的三个系数,可得:

  kp=7.2,ki=245,ki2=6 500,根据上述参数,施加一个1 000gcm的干扰力矩,在MATLAB中仿真的结果显示系统调节时间及角度静差均满足要求,但系统超调过大。增大系统的开环增益,将系统校正环节中kp、ki、ki2 三个参数均放大三倍,观察闭环零极点图,发现系数放大后,共轭复根的复实部并未发生较大变化,而其虚部变小,这可削弱系统动态特性中的正弦振荡从而减小超调。同时系数放大三倍后复实轴上的极点更加远离共轭复根,从而使得共轭复根的主导极点的地位更为加强,系统的特性更接近设计期望的特性。同样1 000gcm扰动力矩下,系统调节时间及角度静差均满足要求。方位轴3 000gcm扰动力矩下角度输出如图2所示(在60秒时刻施加干扰力矩,纵坐标单位角秒,横坐标单位秒)。 [next]

  在系统反馈控制中,内环是一个力矩电机的电流环,用于输出稳定无差的转矩。次内环为框架惯性速率环,最外环为位置跟踪环。惯性速率环的反馈元件为速率陀螺,测量框架相对于惯性空间的角速率。位置跟踪环由旋变来完成角度的测量。陀螺稳定系统是一个力矩平衡系统,由陀螺感测扰动力矩引起的角运动,通过反馈回路产生一个控制力矩来抵消扰动力矩,从而达到稳定的目的。在本陀螺稳定平台控制系统中, 电机的控制模式采用转矩控制模式,使转矩(电流)环的输出电流值与闭环的输入电压给定值成比例关系,这样可以显著提高惯性速率环的控制效果,从而提高稳定精度。

  3 系统硬件设计

  控制器核心选用TI公司TMS320LF2407A数字信号处理器,采用模块化主计算机板、显示控制板、A/D 板、R/S 板及图像跟踪板。系统资源有一定冗余度,提高了系统的可靠性。总体扩展框图如图3所示。

总体扩展框图

  3.1 陀螺信号输入接口

  陀螺选用俄罗斯Fizoptika公司的光纤陀螺VG941-3AM,用于测量负载框架相对于惯性空间的角速率,输出模拟电压信号(0~3V),陀螺信号通过信号处理电路转成与A/D 芯片匹配的输入电平。本系统选用2 片ADI公司的16位A/D芯片ADS7805U,可同时采样,转换时间为4μs,满足系统要求。A/D转换后的16位信号送到两片锁存器(SN74HC574)中,由DSP控制74LS138选通锁存来读取陀螺信号。


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