基于FPGA的無人機光電吊艙控制系統設計實現

葉　濤　王　鑒

(中北大學信息與通信工程學院，山西 太原　030051)

基于FPGA的無人機光電吊艙控制系統設計實現

onElectro-opticalPodofUAVBasedonFPGA

葉濤王鑒

(中北大學信息與通信工程學院，山西 太原030051)

摘要：針對無人機光電吊艙小型化、輕量化的發展趨勢，充分利用了FPGA的硬件資源，設計了一種基于FPGA的光電吊艙控制系統。該系統在減小控制板工裝尺寸的同時，提高了系統的穩定性，可取代傳統的FPGA和DSP聯合設計的光電吊艙控制系統。詳細描述了FPGA控制系統硬件組成，提出了多環路控制回路設計，并實現增量式PI控制算法。最后，通過搖擺臺試驗測試驗證該系統的穩定精度。

關鍵詞：FPGA光電吊艙無人機控制系統自動識別圖像跟蹤多環路控制回路VHDL增量式PI

0引言

光電吊艙系統是一個復雜的光機電系統，其主要作用是隔離載體的擾動、保持視軸穩定，同時實現對偵察目標的自動識別與跟蹤。光電吊艙的有效載荷根據執行任務的不同而采用不同的組合搭配。對于無人機光電吊艙而言，一般搭載的光電任務載荷包括數碼相機、可見光攝像機、紅外熱像儀、激光測距儀等[1]。

本文研究的無人機光電吊艙系統采用兩框架兩軸的機械結構。光電吊艙控制系統采用FPGA作為平臺處理芯片，充分利用FPGA的硬件資源和現有的IP核，在實現控制系統板小型化的同時，確保控制系統在穩定平臺上達到較高的穩定精度和穩定性。

1系統構成與工作原理

光電吊艙控制系統原理框圖如圖1所示。系統主要由FPGA、MEMS陀螺、角度傳感器、電流傳感器、驅動電路、力矩電機、測控和飛控計算機等組成。

圖1　控制系統原理框圖

根據系統的任務，各個模塊主要完成以下功能。

(1)FPGA主控單元。FPGA主要功能包括：①根據系統的通信協議，完成各個模塊數據的采集；②負責各個模塊數據交換的同步控制，確保數據交換的可靠性；③根據采集的角度信息，模擬無刷電機霍爾信號控制電機轉向；④完成電流回路、陀螺穩定回路、位置回路、圖像跟蹤回路的PI控制計算，以及電機控制量PWM的輸出；⑤預留資源實現圖像跟蹤器設計，計算圖像的脫靶量。

由于系統需要完成大量的浮點運算和其他的邏輯控制，對FPGA的資源性能要求比較高。因此，本系統選用altera公司stratixⅣ系列的EP4SE530芯片。該芯片除了擁有53萬邏輯門外，還擁有高達600MHz可配置為9×9位、12×12位、18×18位、36×36位全精度乘法器的高速DSP模塊，滿足任務要求。同時，該芯片還為后續的圖像融合功能預留有足夠的資源。

(2)MEMS陀螺模塊。MEMS陀螺作為角速率敏感元件，安裝在俯仰框架的穩定平臺上，敏感載體及其他干擾因素使載荷產生相對慣性空間的擾動角速率。本系統選用數字量輸出、RS-422接口的MEMS陀螺。FPGA可以模擬RS-422接口協議，完成對MEMS陀螺的數據采集。

(3)角度傳感器模塊。角度傳感器數據采集包括三個部分：①利用FPGA的IP核中的NCO模塊產生正弦波數字量，送給D/A轉換器，經過放大器后生成旋轉變壓器激磁信號；②FPGA生成RDC控制時序，輸出控制信號，完成對RDC的數據采集；③根據采集的旋變角度模擬電機的霍爾信號。

(4)電機驅動電路。驅動電路可以分為三個部分：①生成換向表,驅動電路中的CPLD根據霍爾信號生成三相直流無刷電機換向表;②光電隔離,將強電信號和弱點信號隔離，以防止強電信號對弱點信號產生干擾；③功率放大電路,將PWM控制信號轉換成可直

接驅動框架直流無刷力矩電機的信號。無刷電機驅動電路控制方案如圖2所示。圖2中：EN表示電機使能信號，控制俯仰和方位電機的工作狀態。

圖2　無刷電機驅動電路控制方案

(5)力矩電機。在穩定平臺的設計當中，首先要對電機的力矩需求進行估算，用來指導電機選型[2]。平臺各軸上的力矩電機除了抑制軸承引起的摩擦力矩、質量偏心靜不平衡力矩等干擾力矩外，還需為系統提供最大的角加速度指標[3]。通過建立模型，估算出俯仰軸的力矩要求為0.45N·m，方位軸的力矩要求為0.6N·m，因此系統選用的直流無刷力矩電機的堵轉力矩為1.2N·m。

2多環路控制回路設計

多控制回路的設計是為了使光電穩定系統有足夠的穩定裕度和抗干擾能力[4]。其控制回路包括目標跟蹤回路、姿態鎖定回路、陀螺穩定回路和電流回路。平臺的控制信號Ctrl控制著光電吊艙的工作狀態。當Ctrl為1時，光電吊艙工作于目標跟蹤狀態；當Ctrl為0時，光電吊艙工作于姿態鎖定狀態。多環路控制回路的原理圖如圖3所示。

圖3　多環路控制回路原理框圖

圖3中：ω(t)為穩定平臺輸入的角速度指令信號；θ(t)為輸入的平臺偏轉角度指令信號；Mf為電機軸的干擾力矩；ωd為載機運動傳遞到穩定平臺上的干擾角速率；θ為平臺框架軸偏轉的角度；控制信號決定控制回路是圖像跟蹤回路還是姿態鎖定回路。各個回路的作用如下。①電流回路:由電流傳感器形成負反饋，以減小電流電壓波動的影響，提高控制力矩的線性度，實現對電流的平穩控制，使之不發生突變。②陀螺穩定回路:陀螺穩定回路用于抑制旋轉軸上的干擾角速率，確保平臺光電載荷的光軸在慣性空間保持穩定。③目標跟蹤回路:目標跟蹤回路是在陀螺穩定回路的基礎上引入的，利用圖像跟蹤算法始終鎖定光電載荷視場中的目標，并將目標脫靶量送給伺服控制器，執行跟蹤回路控制計算；將計算結果帶入陀螺穩定回路，驅動電機帶動光電載荷旋轉；執行目標跟蹤運動，使目標始終保持在光電載荷視場中心。④姿態鎖定回路：姿態鎖定回路根據穩定平臺輸入的控制指令調整平臺的姿態角，將平臺兩框架軸鎖定到特定的角度，以實現平臺框架角度置零或進入保護狀態的功能。

3FPGA控制算法實現

3.1PI控制算法

由于機載光電吊艙的特殊工作環境，受風阻力、飛機姿態的變化、機載振動等影響，許多參數都是時變的[5]，因此選用PI控制策略。PI控制調節既具有比例調節作用反應快、無滯后的優點，又具有積分調節的優點，可以消除靜差。對于調節對象而言，選擇合適的比例帶和積分時間，基本可以滿足系統要求。

多閉環回路的PI控制主要包括位置環、速度環、電流環控制。位置環回路通過通信模塊，從上位機獲得參考位置信息，與RDC反饋的實際位置信息作差得到誤差量；誤差量作為位置環路PI輸入，位置環路PI輸出為速度環參考輸入。速度控制器從位置控制器獲得無刷電機速度參考信號，與MEMS陀螺反饋的實際速度信號同時輸入速度控制器，其輸出為電流環輸入。電流控制器從速度控制器獲得無刷直流電機電流參考信號，與反饋的實際無刷直流電機三相電流信號同時輸入電流控制器，速度控制器通過PI運算控制，輸出PWM信號。其中PI控制結構說明如下。

輸入端r(t)、y(t)分別為信號的預定值與反饋值，r(t)-y(t)即為偏差信號e(t)，通過比例-積分的線性組合得出控制量μ(t)，該控制量作用于控制對象進行相應的控制。連續性PI關系表達式如下：

(1)

式中：Kp為比例常數；Ti為積分時間常數。

在實際應用中，為了縮短開發周期、提高系統可靠性，大多采用數字式PI控制器。將連續的PI控制算法進行離散化處理后，得到位置式PI控制算法。

(2)

式中：Kp為比例常數；KI為積分系數；e(k)、e(j)為第k、j采樣時刻的偏差量。

令式(2)中的k=k-1，得出k-1個采樣時刻的輸出值為：

(3)

可得到增量式PI算法：

Δμk=μ(k)-μ(k-1)=

(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)

(4)

對比增量式和位置式PI算法的數學模型可知：位置式PI算法的輸出量μ(k)是對過去所有狀態偏差量的累加；增量式PI算法只與當前狀態和前一時刻的狀態偏差有關，避免了誤差累加。而在多環路PI控制算法中，需要對位置、速率、電流等信號進行采樣，每次采樣都會帶來系統誤差和外界干擾引起的誤差。因此，在光電吊艙的控制器中，增量式PI控制算法更適用。

3.2增量式PI控制器的VHDL實現

在算法實現的早期階段，必須仔細考慮更適合算法實現的相關數據是定點數還是浮點數。就FPGA系統而言，采用定點數意味著更高的速率和更低的資源消耗；采用浮點數則具有更好的動態范圍且不需要轉化，這為實現較為復雜的算法提供了便利。

定點數增量式PI控制器的VHDL實現可以劃分為如下步驟：①誤差量求取；②有符號定點數乘積；③位權對階相加處理；④有效位的截取。考慮到系統對數據精度，要求先將增量式PI算法的控制系數轉化成24位定點數，然后經過相應的乘法加法器得出PI算法的比例和積分項，最后通過48位加法器完成一次PI算法的計算。考慮到FPGA的資源和處理性能，須刪除數據冗余，即進行對階和截位處理。

增量式PI算法時序仿真結果穩定，無跳數等情況。

4試驗結果

4.1穩定精度測試方法

在試驗的搖擺臺上安裝好待測試的巡檢光電吊艙，使兩者的方位軸重合。在距離光電吊艙3m處放置一塊白色靶板，在靶板的中心處標記一個黑色靶標。在圖像跟蹤狀態時，可見光攝像機處于最小視場角，靶標位于視場中心；當圖像的脫靶量輸出為零時，斷開圖像跟蹤回路，此時脫靶量正常輸出。開始啟動搖擺臺，搖擺臺的方位軸和俯仰軸均以幅值為5°、頻率為0.4Hz進行搖擺。脫靶量數據輸出頻率為25Hz。記錄50個搖擺周期。穩定精度的計算公式如下：

(5)

(6)

式中：μx、μy為水平和垂直方向的穩定精度；α、β為可見光相機的視場角；L、V為圖像水平和垂直方向的總像素點；X1、X2、Y1、Y2分別為單個搖擺周期水平和垂直方向脫靶量的最小值和最大值；C為角度和弧度之間轉換系數。對50個搖擺周期求取均值，可以得到控制系統的穩定精度。

4.2試驗結果

圖4分別為方位和俯仰的穩定精度曲線圖。

圖4　平臺穩定精度曲線圖

以5組搖擺試驗測試穩定精度，結果如表1所示。對連續5組搖擺試驗，每次50個搖擺周期的穩定精度和穩定性能進行測驗。結果表明，方位軸和俯仰軸的穩定精度控制優于2.5mrad，可實現視頻圖像的穩定輸出。

表1　穩定精度測試結果

5結束語

針對無人機光電吊艙的小型化、輕量化的趨勢，研制了采用單FPGA作為控制核的無人機光電穩定吊艙控制系統。分析了光電吊艙的組成及各個組成模塊的工作原理，描述了多控制回路實現過程及各個回路在控制系統中的作用，同時解釋了增量式PI控制算法及VHDL的實現過程。最后，通過搖擺臺的試驗室測試，驗證了控制系統的穩定精度。

參考文獻

[1] 金珈成，趙殿全，韓冬，等.直升機載電力巡線光電穩定吊艙系統設計與試驗[J].長春理工大學學報(自然科學版)，2012,35(1)：79-82.

[2] 趙冠軍，趙嬪婭.一種機載穩定平臺伺服控制系統的設計與實現[J].科學技術與工程，2010,10(18)：4570-4573.

[3] 丁楠，丁偉，蔣鴻翔.基于FPGA和DSP的光電吊艙控制系統設計與實現[J].導航與控制，2013，12(4):21-24.

[4] 劉文勇.無刷直流電機雙閉環PI控制系統的研究[D].南京：東南大學，2011.

[5] 劉小會.基于FPGA的智能機載光電吊艙控制系統研究 [D].南京:南京航空航天大學,2014.

DesignandRealizationofControlSystem

Abstract：According to the developing trend of optical pod of UAV, i.e., compact and lightweight, by fully using hardware resources of FPGA, the control system based on FPGA for the optical pod is designed.With reducing the tooling sizes, the stability of system is improved to replace traditional control system based on both FPGA and DSP.The hardware composition of FPGA control system is described in detail, the design of multi-loop control circuit is proposed, and the incremental PI control algorithm is realized.The stabilization accuracy of the system is verified through experimental tests on sway platform.

Keywords:FPGAOptical podUAVControl system Automatic identificationImage trackingMulti-loop control circuitVHDLIncremental PI

中圖分類號：TH-3;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606012

修改稿收到日期：2015-10-19。

第一作者葉濤(1990-)，男，現為中北大學電子與通信工程專業在讀碩士研究生；主要從事光電穩定平臺設計的研究。