基于陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪丹丹，賈臨生

（海軍航空兵學(xué)院遼寧葫蘆島海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島125001）

基于陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪丹丹，賈臨生

（海軍航空兵學(xué)院遼寧葫蘆島海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島125001）

將介紹一套基于陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的吊艙控制系統(tǒng)，分析了吊艙系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，著重研究了基于DSP -TMS320F28335的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的搜索和追蹤目標(biāo)，保持追蹤目標(biāo)的過(guò)程中視軸穩(wěn)定，對(duì)隔離擾動(dòng)有顯著地效果。

陀螺；穩(wěn)定平臺(tái)；吊艙系統(tǒng)

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)是利用陀螺儀特性來(lái)保持平臺(tái)體的方位處于穩(wěn)定狀態(tài)的裝置，它集成了慣性導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理、微慣性傳感器、精密機(jī)械動(dòng)力學(xué)建模仿真和設(shè)計(jì)、圖像處理、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和光學(xué)儀器應(yīng)用等多種技術(shù)。將陀螺穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)用于吊艙系統(tǒng)能夠有效地提高搜索目標(biāo)和跟蹤目標(biāo)的準(zhǔn)確度，在跟蹤目標(biāo)的過(guò)程中，如果系統(tǒng)受到外界的干擾，借助系統(tǒng)中的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)可以快速地消除擾動(dòng)，可靠地來(lái)保持追蹤地過(guò)程中視軸處于穩(wěn)定狀態(tài)。本文將介紹一套基于陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的吊艙控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以設(shè)置在兩種模式下工作：一種模式是目標(biāo)沒(méi)有被鎖定時(shí)，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)工作在搜索模式下，根據(jù)控制臺(tái)給定的搜索指令信號(hào)來(lái)控制電機(jī)工作，以此來(lái)進(jìn)行目標(biāo)的搜索；另一種模式是系統(tǒng)鎖定目標(biāo)后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入自動(dòng)跟蹤的狀態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)只接收與被跟蹤目標(biāo)位置的誤差信號(hào)并進(jìn)行不斷修正該誤差，使視軸能夠始終跟蹤目標(biāo)。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文的基于陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的吊艙控制系統(tǒng)主要是由三個(gè)部分組成，它們分別是：本體模塊、電氣控制器以及人機(jī)交互模塊，整個(gè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見下圖1.本體模塊采用兩軸四框架的機(jī)械結(jié)構(gòu)，整個(gè)體系從外到內(nèi)可分為基座、外方位框架、外俯仰框架、內(nèi)方位框架、內(nèi)俯仰框架以及負(fù)載等幾個(gè)部分。電氣控制器包含圖像處理單元、測(cè)角模塊、測(cè)速模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和控制單元。顧名思義，人機(jī)交互模塊是用于操作人員與控制系統(tǒng)的交互。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)吊艙控制系統(tǒng)在控制視軸穩(wěn)定的方式上采用的是整體穩(wěn)定式的結(jié)構(gòu)，在框架形式上采用的是兩軸四框架的結(jié)構(gòu)形式。整體穩(wěn)定式平臺(tái)在工作時(shí)，一方面穩(wěn)定回路需要依靠在慣性期間通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載體相對(duì)于慣性空間的偏離位置并利用穩(wěn)定控制器來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，從而為成像傳感器提供一個(gè)能獲得穩(wěn)定圖像的平臺(tái)；另一方面作為跟蹤系統(tǒng)的內(nèi)回路，需要為跟蹤系統(tǒng)提供跟蹤指令輸入信號(hào)以及平臺(tái)角度與角速度信號(hào)的反饋，以此來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中利用手動(dòng)操作或者自動(dòng)掃描的方式搜索視場(chǎng)，當(dāng)目標(biāo)被鎖定后系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)跟蹤模式，跟蹤系統(tǒng)收到目標(biāo)偏離的信號(hào)后，控制平臺(tái)會(huì)利用閉環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)誤差使視軸始終保持鎖定跟蹤目標(biāo)［1］。平臺(tái)示意圖見下圖2.

圖2　吊艙系統(tǒng)的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)示意圖

本系統(tǒng)采用的兩軸四框架的框架形式，與傳統(tǒng)的兩軸兩框架相比，穩(wěn)定精度更高，可以有效避免因仰角過(guò)高而導(dǎo)致地穩(wěn)定系統(tǒng)的環(huán)架閉鎖現(xiàn)象，不僅如此，它還可以減小系統(tǒng)中電機(jī)的體積大小和使用功率。

2　基于DSP的硬件設(shè)計(jì)

吊艙控制系統(tǒng)采用高速浮點(diǎn)型處理器TMS320 F28335為控制核心，整個(gè)硬件電路可以劃分為以下幾個(gè)部分：主控模塊、測(cè)角模塊、功率驅(qū)動(dòng)電路模塊等，下面分別介紹各個(gè)模塊硬件電路設(shè)計(jì)。

2.1主控電路模塊

主控電路的設(shè)計(jì)采用的是DSP最小應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含電源模塊、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、以及存儲(chǔ)器等，主控模塊的原理如圖3所示。

圖3　主控電路原理圖

電源是控制模塊中的重要組成部分，TMS320 F28335的內(nèi)核電壓是1.9 V，I/O電壓是3.3 V，因此選擇TPS767D301電源調(diào)整器，它帶有雙路供電輸出，一路固定為3.3 V，另一路輸出電壓可在1.5～5.5 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；控制模塊的時(shí)鐘電路采用的是已經(jīng)封裝好的晶體振蕩器，這種方式利用的是DSP芯片內(nèi)部提供的晶體振蕩器電路，原理圖中在TMS320 F28335的X1和X2兩個(gè)引腳間連接晶振來(lái)啟動(dòng)內(nèi)部的振蕩器，晶振的頻率是30 MHZ［2］。

2.2測(cè)角電路模塊

測(cè)角電路采用的單相繞組激磁雙相繞組輸出的鑒幅型方案，它主要功能包含：前置放大、模擬信號(hào)的調(diào)理、激磁以及測(cè)角編碼后輸出的兩路正交脈沖信號(hào)等，其工作原理是利用精密函數(shù)發(fā)生器AD2S99來(lái)發(fā)出一個(gè)20 Hz的激磁信號(hào)，利用這個(gè)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置所對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度將對(duì)定子上兩個(gè)獨(dú)立繞組輸出的兩路正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)相和調(diào)幅，再利用數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器AD2S90將表示滑尺位置的角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。測(cè)角電路的原理如圖4所示。

圖4　測(cè)角電路原理圖

2.3功率驅(qū)動(dòng)電路模塊

功率驅(qū)動(dòng)電路是用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，其原理圖如圖5所示，選用芯片L6205和TLE7209進(jìn)行設(shè)計(jì)，L6205用于雙DC或者雙極步進(jìn)電機(jī)，額定峰值電流為5.6 A，開關(guān)頻率高達(dá)100 kHz；TLE7209具有智能的全橋電路，負(fù)載電流為3.5 V，開關(guān)頻率為30 kHz，本文介紹的吊艙控制系統(tǒng)采用的是四路電機(jī)，因此，需要選用一片L6205和三片TLE7209來(lái)實(shí)現(xiàn)［3］。

圖5　功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

吊艙控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)采用Code Composer Studio v3.3，本次軟件設(shè)計(jì)的方法是采用模塊式程序設(shè)計(jì)，把整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為幾個(gè)獨(dú)立的模塊，分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、編碼以及調(diào)試等工作，等各模塊分別完成各自的調(diào)試后再將各個(gè)模塊的程序組合起來(lái)進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

整個(gè)吊艙控制系統(tǒng)中共設(shè)置了七路的中斷，分別是：一路定時(shí)中斷、兩路串行通信中斷以及四路外部計(jì)數(shù)中斷。基于這七路中斷設(shè)計(jì)的主程序的流程圖如圖6所示，即首先是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作，完成DSP的初始化以及各個(gè)功能模塊的初始化，然后設(shè)置中斷并開啟中斷，最后當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到中斷信號(hào)后就進(jìn)入中斷服務(wù)程序，退出中斷后進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣［4］。

圖6　主程序流程圖

3.1測(cè)角模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中電機(jī)的角速度和轉(zhuǎn)速是由脈沖數(shù)和脈沖的頻率來(lái)確定的，此外，根據(jù)兩路脈沖的次序還能夠判斷出電機(jī)的轉(zhuǎn)向。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)是將兩路脈沖信號(hào)A和B接入到DSP的eQEP接口電路上，由于DSP只有兩路eQEP電路，然而感應(yīng)同步器信號(hào)卻有四路，軟件設(shè)計(jì)時(shí)將兩路RD轉(zhuǎn)換輸出的正反脈沖信號(hào)用兩個(gè)可編程芯片GAL16V8分開，再用計(jì)數(shù)中斷來(lái)記錄正反脈沖數(shù)，以此得到四路脈沖數(shù)，最終將得到的四路脈沖數(shù)組合得到實(shí)際的脈沖數(shù)。

3.2串口通信模塊軟件設(shè)計(jì)

串口通信模塊的硬件電路中，RS-485和RS-232分別是用于和PC以及攝像機(jī)互聯(lián)，RS-485負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到PC的同時(shí)還需要接收PC發(fā)出的控制指令，它的通信格式是：一位起始位、一位停止位、字符的長(zhǎng)度為8位，波特率為460800bps；圖像計(jì)算機(jī)RS-232用于圖像計(jì)算機(jī)向DSP數(shù)據(jù)傳輸，圖像計(jì)算機(jī)將獲得的目標(biāo)在攝像機(jī)視線內(nèi)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口通信發(fā)送給下位機(jī)，以供陀螺穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，RS-232的通信格式是：固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀，每幀13字節(jié)，波特率為：115 200 bps.串行通信的軟件流程如圖7所示。

圖7　串行通信軟件流程圖

3.3A/D轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)還需要進(jìn)行六路信號(hào)的A/D采樣，來(lái)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，TMS320F28335的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)12位的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器能夠并行或者順序采樣，采樣頻率最高可達(dá)12.5M SPS，軟件設(shè)計(jì)時(shí)將只需要讀取結(jié)果寄存器中的值，將得到的值進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理后就可得到所需的值，值得注意的是，A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間是很短的，需要將采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理以此來(lái)提高精度。

3.4控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

吊艙控制系統(tǒng)是由位置環(huán)、穩(wěn)定環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)四個(gè)閉環(huán)來(lái)控制。電流環(huán)通過(guò)引入電路負(fù)反饋來(lái)改善穩(wěn)定回路動(dòng)靜態(tài)特性和低速平穩(wěn)特性，降低帶寬和減小死區(qū)；速度環(huán)采用感應(yīng)同步器的測(cè)角微分作為速度反饋，以此減少摩擦力的干擾；穩(wěn)定環(huán)是采用陀螺作為檢測(cè)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)抗干擾；位置環(huán)是用于修正目標(biāo)的偏差提高系統(tǒng)的跟蹤性能。

控制算法是利用數(shù)字控制器開實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)PID傳遞函數(shù)進(jìn)行雙線性變換來(lái)得到各個(gè)環(huán)路的數(shù)字控制函數(shù)，控制算法在每個(gè)1 ms的定時(shí)器中斷中實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)中斷周期，控制器完成的工作包括：陀螺的零偏差校正、接收A/D轉(zhuǎn)換厚的數(shù)據(jù)、進(jìn)行位置環(huán)等四個(gè)閉環(huán)的校正運(yùn)算以及輸出電機(jī)控制信號(hào)等［5］。圖8列出了控制算法設(shè)計(jì)的軟件流程圖。

圖8　算法流程圖

4　結(jié)束語(yǔ)

基于當(dāng)前陀螺穩(wěn)定技術(shù)的發(fā)展水平，本文介紹了一個(gè)基于陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的吊艙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面充分利用了高速浮點(diǎn)型DSP TMS320F28335自身集成的強(qiáng)大功能，經(jīng)過(guò)對(duì)其外圍電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字控制的硬件系統(tǒng)，然后，在此硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，采用雙速度閉環(huán)的控制算法，對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)路進(jìn)行的詳細(xì)的PID校正，降低了系統(tǒng)的擾動(dòng)。本文介紹的基于陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的吊艙控制系統(tǒng)能夠可靠地搜索和追蹤目標(biāo)，在軍事方面具有很高的使用價(jià)值。

［1］郭富強(qiáng)．陀螺穩(wěn)定裝置及其應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［2］吳凡．基于DSP的光軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)研究［M］．西安：中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2006：51-64.

［3］姬偉．陀螺穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)非線性特性補(bǔ)償控制［J］．電氣傳動(dòng)，2005，35（7）：31-34.

［4］姜昆．陀螺穩(wěn)定吊艙控制系統(tǒng)穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)與研究［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2008:25-30.

［5］韓京清．從PID技術(shù)到“自抗擾控制”技術(shù)［J］．控制工程，2002，9（3）：13-16.

Design ofGyro Stabilized Pod ControlSystem

WANG Dan-dan，JIA Lin-sheng
（Naval Aviation College，Huludao Liaoning Naval Academy，Liaoning Huludao 125001，China）

This paper will introduce a pod control system based on gyro stabilized platform，it analyzes the overall structure of the pod system，emphatically studies the design of hardware and implementation of software about control system that based on DSP-TMS320F28335.This system can accurately search and track the target，and ensure Visual axis is always stable In the process of tracking，it has played an important role in isolating disturbance effectively.

gyro；stable technology；pod system

TP273

A

1672-545X（2016）05-0095-04

2016-02-04

汪丹丹（1985-），女，江蘇淮安人，助教，研究生，主要研究方向：飛機(jī)特種設(shè)備。