激光跟蹤儀光電跟蹤伺服控制系統設計

劉嬌月, 楊聚慶, 董登峰

(1．河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009；2．北京工業大學 應用數理學院，北京 100124；3. 中國科學院 光電研究院，北京 100094)

?

激光跟蹤儀光電跟蹤伺服控制系統設計

劉嬌月1, 楊聚慶2,3, 董登峰3

(1．河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009；2．北京工業大學 應用數理學院，北京 100124；3. 中國科學院 光電研究院，北京 100094)

針對激光跟蹤儀光電跟蹤伺服控制系統高精度、快速、實時等使用性能要求，分析了光電跟蹤伺服系統的結構方案與功能組成，提出了電流、速度和位置“三環反饋+模糊校正”的控制結構，設計了模糊 PID 控制算法，進行了電機、伺服器、圓光柵、DSP等關鍵部件選型設計。經過實際樣機跟蹤性能測試，隨機動態跟蹤性能良好，系統測試最大角加速度超過200°/s2，跟蹤角速度達到40°/s，跟蹤儀速度閉環帶寬≥23 Hz。測試結果表明，系統動態跟蹤性能達到設計指標要求。

光電跟蹤； 伺服控制； 模糊控制

0 引 言

光電跟蹤伺服控制是空間目標動態跟蹤測量的關鍵技術，隨著光電跟蹤技術應用范圍的不斷擴展，對其跟蹤精度的要求也越來越高。激光跟蹤儀的測量高精度、快速、實時等使用性能要求控制器具備快速響應能力、高穩定性、強魯棒性以及對參數變化的自適應能力[1]。跟蹤伺服系統通常具有很強的非線性和不確定性,在傳統控制系統中，通過提高增益或增加積分環節，來提高跟蹤精度或者保持系統穩定性，兩者是相互矛盾的[2]。因此，既能大幅提高跟蹤精度，又能保持系統穩定性的光電伺服控制成為高精度跟蹤控制技術發展的趨勢。

激光跟蹤儀測量對象具有典型的空間隨動目標特性，為了實現對空間動態目標的跟蹤測量，需要激光跟蹤儀能實時精確地測出動態目標位置的相對變化量，并通過跟蹤控制單元對反射轉鏡的俯仰方位角進行高速伺服控制，以保證測量光束始終瞄準和快速跟蹤空間運動目標中心，實現對大范圍遠距離運動目標的實時跟蹤和精密測量[3]。跟蹤控制系統應具有響應速度快、無靜態誤差、跟蹤誤差小、工作平穩、工作可靠等性能。系統工作過程如圖1所示。

圖1 系統跟蹤過程示意圖

激光跟蹤儀用于超大尺寸空間幾何量測量及動態軌跡測量，是大型科學工程和大型高端裝備制造中急需的測量裝備[4]。2009年中科院光電研究院聯合多家單位在國內率先開始激光跟蹤儀研制工作，目前已經完成樣機測試。本課題依托該激光跟蹤儀樣機研制，對光電跟蹤伺服控制單元進行了技術研究與應用設計[1]。

1 系統組成與分析

激光跟蹤儀光電跟蹤伺服控制實質上是一個位置隨動控制系統，要求系統對輸入信號的響應具有快速性、靈活性及準確性。目標靶鏡運動軌跡是動態變化的，因此系統具有一定的隨機性。如何保證出射激光束在隨機運動狀態下，能夠快速、準確地指向靶鏡中心，是控制系統要解決的核心問題。

本設計通過檢測激光斑在PSD探測器的偏移量，結合目標距離以及方位、俯仰角度等信息，采用閉環混合跟蹤控制算法，輸出控制量，驅動方位和俯仰電機，將出射激光束始終指向靶鏡的中心區域，為整個系統對目標靶鏡的坐標測量提供技術保證。

系統主要包括安裝在二維跟蹤轉臺上的方位和俯仰電機、跟蹤反射鏡、伺服控制驅動器、圓光柵、DSP控制與通信模塊以及相關控制算法和軟件。

伺服控制結構、控制算法、圓光柵測角精度是影響系統控制精度和快速跟蹤能力的關鍵要素。快速跟蹤意味著系統動態響應要快，過渡過程要短，系統帶寬要寬；高控制精度意味著系統穩態誤差要小，兩者之間具有矛盾。快速響應可能引入系統超調，寬帶寬勢必引入高頻噪聲，降低系統穩定裕度，從而影響控制精度。傳統的光電跟蹤伺服控制大都采用頻率特性和PID控制算法，當控制環境發生變化以及目標狀態發生突變時，系統控制誤差明顯增大，甚至無法保證正常跟蹤。設計采用模糊控制PID算法，既能夠體現模糊控制器魯棒性好、抗干擾能力強、動態性能好的優點,又能夠發揮PID調節器穩態精度高的優點[5]。

DSP控制與通信模塊是實現整個系統數據實時處理的核心，其主要功能是數據采集單元的跨時鐘通信、上位機TCP/IP通信、電機驅動模塊CANOPEN通信控制、跟蹤控制算法及其他相關數據的處理與運算[6-7]。

電機是伺服控制系統的直接控制對象，通過對電機的控制實現對跟蹤鏡轉角的控制。力矩電機具有轉速低、力矩大、力矩波動小、輸出轉矩大、線性度好等優點，本設計采用直流力矩電機作為驅動元件。電機伺服控制包括方位和俯仰兩套系統，結構基本相同[8]。

2 伺服控制結構與算法設計

2.1 伺服控制回路結構

伺服控制采用電流、速度和位置三環反饋控制結構，設計3個調節器,分別調節位置環、速度環和電流環。位置環伺服控制系統閉環結構如圖2所示。

圖2 跟蹤伺服閉環控制系統框圖

電流環用于提高系統剛性加快系統響應，改善轉矩控制的線性度，使系統能作到恒流啟停，限制啟動電流和堵轉電流超過電機電流的最大允許值。按二階負反饋系統設計電流環調節器 ACR，將阻尼比取為ξ=0.707左右，這樣可使其跟隨性能好、超調量小。

速度環用來抑制系統的干擾，減小直流電動機的慣性，改善系統線性度，由園光柵微分后提供速度反饋信號。速度環調節器ASR按典II系統設計成PI，按最大相角裕量準則確定調節器參數，使之成為三階最佳系統。

位置環用于保證精度，提高系統的跟隨性能，實現伺服位置控制。通過對電機的轉角(速度)控制，實時改變跟蹤鏡的方位和俯仰角，跟蹤測量光束移動，消除對心入射目標鏡位置偏移，即Δd→0(見圖1)。位置環引入數字模糊處理校正環節，構成位置校正網絡。充分利用模糊控制對系統的輸入響應快、過渡過程短和對參數不敏感的特性，使系統既有較高的控制精度，又有快速捕獲目標的能力，以實現更好的控制效果。位置回路校正量經放大后進入速度環，驅動力矩電機，拖動方位和俯仰軸跟蹤目標。

位置控制輸入信號來自PSD光電探測單元脫靶量信號。分析計算表明，位置環的開環增益與光束在跟蹤鏡上的反射點到目標鏡的距離L成正比。由于系統工作過程中隨目標點位置的變化而變化，因此導致位置環的開環增益也隨之變化。增益過大，系統就不穩定；增益過小，跟蹤力量就差，跟蹤誤差越大。為改進這一不足，引入實際測量距離值對開環增益進行實時校正。實時位置反饋信號由圓光柵經過細分、濾波處理后得到。

2.2 伺服控制算法

最后，要能滿足生活可以自理、半自理和不能自理醫療護理服務。完善的后期服務，包括為老年人提供管家式服務、醫護服務、保健服務、活動組織、日常課程、特殊飲食護理服務等。

采用增量式PID的控制算法，輸出數字控制信號為：

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(1)

式中：KP為比例增益；KI=T/TI為積分系數；KD=KPTD/T為微分常數。為了便于實現數字化采樣程序編寫，將公式整理為：

(2)

式中：

模糊PID控制器的結構框圖如圖3所示。它是以誤差e和誤差變化率ec為輸入的二維模糊控制器。根據不同時刻的e和ec，按照事先確定的模糊控制規則，完成PID控制器3個參數kp、ki、kd的在線自整定，并輸入PID控制器進行校正。

圖3 模糊PID控制器結構

位置環調節器進行跟蹤控制時，首先采樣某時刻系統位置誤差值e(k),并計算出誤差變化率ec(k),經模糊量化后,求出各模糊子集的隸屬度,再根據模糊控制規則,應用最大最小合成法進行模糊推理,得到Δkp、Δki、Δkd各語言值對應的隸屬度,最后用加權平均法進行解模糊運算,就可以得到PID控制器修正參數的精確值, PID控制器調整參數計算公式為[9-10]：

(3)

式中:KP(k)、KI(k)和KD(k)為k時刻PID控制器的參數值；KP(k-1)、KI(k-1)和KD(k-1)為k-1時刻PID控制器的參數值,也是k時刻PID控制器參數的待整定值。

3 硬件選型設計

根據結構設計，俯仰軸轉動部分質量1.5 kg，轉動慣量1 230 kg·mm2，俯仰加速度20 rad/s2，驅動電機力矩為0.024 6 N·m，設計考慮10倍力矩儲備，電機驅動力矩最小為0.25 N·m。俯仰驅動電機選用上海微電機研究所的J75LYX03型力矩電機，電機峰值堵轉力矩為1.4 N·m，連續堵轉力矩為0.6 N·m，電機外徑為75 mm，空載轉速為650 r/min。

同樣，方位轉動部分質量6.2 kg，轉動慣量為17 614 kg·mm2，俯仰加速度為20 rad/s2，驅動電機力矩為0.36 N·m，設計考慮5倍力矩儲備，電機驅動力矩最小為1.8 N·m。方位驅動電機選用上海微電機研究所的J92LYX04型力矩電機，電機峰值堵轉力矩為1.5 N·m，連續堵轉力矩為0.8 N·m，電機外徑為92 mm，空載轉速為500 r/min。

電機驅動器選用英國Copley公司Accelnet系列數字驅動器。該數字驅動器具有增量式編碼器反饋接口、高帶寬的嵌入式控制環路、四階限波或低通濾波器、高效率的動態 PWM和降低干擾的邊緣濾波器[11-12]。

測角元件選用雷尼紹RESM系列高精度圓光柵，采用Renishaw新型DSi接口，安裝2個SiGNUMTMSR讀數頭，輸出一個具有高重復性的propo ZTM參考位置的信號，完全不受軸承偏移或動力循環的影響。采用DSi雙讀數頭信號組合可消除偏心誤差，剩余誤差僅為刻劃誤差和周期誤差(電子細分誤差-SDE)，都非常小。當RESM與DSi配用時，可實現優于±1.5 s的整體安裝誤差。根據測角精度和結構尺寸的要求，俯仰軸選用外徑為100 mm的圓光柵，方位軸選用外徑為150 mm的圓光柵[6-7]。

控制與通信模塊以DSP芯片為核心，實時采集光電探測單元輸出信號并將相關數據發送至上位機，進行相關控制算法計算，輸出電機驅動器控制信號。設計選用TI公司DSP芯片TMS320F28335作為控制與通信模塊的核心，TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，32位浮點處理單元，18路PWM輸出，12位16通道ADC，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF。支持CAN2.0A/B協議，能夠與伺服電機驅動進行通信，能夠外擴接口與TCP/IP網絡協議芯片有機配合完成實時網絡通信[13-15]，設計選用了W5300網絡協議芯片實現DSP與PC通信。

4 系統跟蹤特性測試

對樣機光電跟蹤特性進行測試，實驗環境為室內夜晚。

初始校準后，人手持目標靶球，距離跟蹤儀1 m以上。測試人隨意擺動目標靶球，使得靶球的空間運動軌跡具有比較大的隨機性，上位機接收跟蹤儀輸出的位移信號數據。測試過程中未出現丟光現象，跟蹤效果較好。目標靶球的三維運動軌跡測試曲線如圖4所示。

圖4 靶球三維運動軌跡

在靶球距離激光跟蹤儀2.7～2.8 m的情況下，跟蹤儀方位角速度、角加速度測試曲線如圖5、6所示，圖7為靶球距離曲線。

圖5 角速度曲線

圖6 角加速度曲線

圖7 靶球距離變化曲線

5 結 語

從系統跟蹤測試數據中可以看出，在靶球移動的(線)速度≤1 m/s時，跟蹤儀跟蹤性能良好。系統設計最大工作角加速度為120°/s2，工作角速度60°/s，測試環境下跟蹤角加速度超過200°/s2，跟蹤角速度達到40°/s，跟蹤儀速度閉環帶寬≥23 Hz。測試結果表明系統指標滿足使用需求。

[1] 周維虎,丁 蕾，王亞偉，等.光束平差在激光跟蹤儀系統精度評定中的應用[J].光學精密工程,2012,20(4)：851-856.

[2] 趙志誠，賈彥斌，張井崗.光電跟蹤系統內模控制器的設計[J].光電工程，2005，32(1)：27-30.

[3] 王彥喜,閔 俊,劉 剛.激光跟蹤儀在飛機型架裝配中的應用[J].航空制造技術, 2010(19):92-94, 97.

[4] 王孝坤.利用激光跟蹤儀測量超長導軌直線度的方法[J].應用光學，2013,34(4)：686-689.

[5] 王 健，曹秉剛，王 昆. 基于模糊 PID 控制的導引頭角跟蹤系統[J].系統仿真學報，2004，16(6)：1330-1332.

[6] 侯宏錄，周德云,王 偉，等.模糊PID 控制在光電跟蹤控制系統中的應用[J].光電工程，2006,33(5):12-16.

[7] 高 科,孫晶華.光電探測器前置放大電路研究[J].微型機與應用,2011,30(18):86-88.

[8] 郇寶貴.便攜式激光跟蹤儀電控系統設計與實現[D].西安:西安工業大學,2012.

[9] 周維虎，費業泰，李百源，等.激光跟蹤儀幾何誤差修正[J].儀器儀表學報，2002，23(1)：56-63.

[10] 王秋平,左 玲,康 順.光電跟蹤系統非線性新息自適應卡爾曼濾波算法[J].光電工程,2011(2): 9-13.

[11] 安久伏.激光跟蹤系統的硬件電路設計[D].天津:天津大學,2009.

[12] 覃 松,梁 慶.英國雷尼紹 RENISHAW 圓光柵測量原理及應用[J].輕工科技,2012(4):60,65.

[13] 賈 龍,林 巖.基于 DSP 和 FPGA 的高速數據采集系統的設計及實現[J].電子測量技術,2007(5):95-97.

[14] 周培松，盧榮勝，周維虎.四象限探測器用于激光跟蹤儀目標脫靶量測量[J].光電技術應用,2014,29(1): 75-79.

[15] Baronti F, Lazzeri A, Roncella R,etal. FPGA/DSP-based implementation of a high-performance multi-channel counter[J]. Journal of System Architecture,2009,55(10): 310-316.

Design of Optoelectronic Tracking Servo Control System for Laser Tracker

LIUJiao-yue1,YANGJu-qing2，3,DONGDeng-feng3

(1. Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China; 2. Collage of Applied Science, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 3. Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Science, Beijing 100094, China)

For laser tracker photoelectric tracking servo control system’s performance requirements such as high precision, speediness and real-time, the paper analyzed photoelectric tracking servo control system’s structure scheme and function, put forward "three-ring feedback + fuzzy correction" control structures of current, speed and position, designed fuzzy PID control algorithm, selected suitable motors, servers, circular grating, DSP and other key components. Through actual prototype’s tracking performance test, the system’s stochastic dynamic tracking performance was fine, and the maximum angular acceleration could be more than 200 °/s2, angular velocity could be 40 °/s, the tracker’s speed closed loop bandwidth could be over 23 Hz. Test results showed that the system dynamic tracking performance had meet the requirements of design indexes.

optoelectronic tracking; servo control; fuzzy control

2014-12-25

中國科學院科研裝備研制項目(090206A01Y)；北京工業大學研究生科技基金項目(ykj-2014-11443);2015年度河南省高等學校重點科研項目指導計劃(15B535002)

劉嬌月(1974-)，女，河南南陽人，副教授，主要從事精密儀器、機電一體化技術及其應用等。

Tel.：15838706952；E-mail:15838706952@139.com

楊聚慶(1972-)，男，山西高平人，在讀博士，副教授，主要研究方向為光電檢測與控制及激光跟蹤測量技術等。

Tel.:13949382065；E-mail:nyyjq@139.com

TP 216

A

1006-7167(2015)08-0064-04