楊 睿， 韓 笑， 程桂林， 楊成順

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院， 南京 211167)

基于嵌入式計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 睿， 韓 笑， 程桂林， 楊成順

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院， 南京 211167)

針對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)要求體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等一系列特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套以80×86架構(gòu)嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的機(jī)載三軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)；利用慣性坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系和天線平臺(tái)坐標(biāo)系之間的變換原理，設(shè)計(jì)了一種可以隔離載體干擾角運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的穩(wěn)定平臺(tái)雙回路控制系統(tǒng)模型，并通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了控制方法的正確性；詳細(xì)設(shè)計(jì)了包括嵌入式計(jì)算機(jī)的各模塊組成及連接，光電編碼器、陀螺儀、GPS等慣性敏感元件的選型和配置，主控制程序及地面遙測(cè)計(jì)算機(jī)軟件的流程與功能；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，穩(wěn)定平臺(tái)目標(biāo)跟蹤誤差范圍達(dá)到±0.5°的設(shè)計(jì)要求。

穩(wěn)定平臺(tái)； 嵌入式系統(tǒng)； 坐標(biāo)變換； 雙回路控制； 目標(biāo)跟蹤誤差

0 引 言

機(jī)載型穩(wěn)定平臺(tái)是一種廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域并集合了光學(xué)、電子和機(jī)械等專業(yè)技術(shù)為一體的高精度跟瞄設(shè)備。穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)通過(guò)各類慣性敏感元件測(cè)量平臺(tái)相對(duì)于慣性坐標(biāo)系姿態(tài)角和位置的變化，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)保持平臺(tái)坐標(biāo)基準(zhǔn)的穩(wěn)定，并通過(guò)安裝在平臺(tái)內(nèi)部的光學(xué)或電子探測(cè)設(shè)備對(duì)所設(shè)定的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤[1-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)并研制了多種類型的穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)。例如，文獻(xiàn)[4]中以DSP芯片TMS320F28335為核心并結(jié)合多傳感器采集和伺服控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可隔離海面干擾角運(yùn)動(dòng)的兩軸系穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了一套基于S3C2440控制處理器的數(shù)據(jù)處理控制單元和以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為執(zhí)行單元的高性能車載穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)；針對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性要求高，快速數(shù)據(jù)處理，方便調(diào)試易于操作的要求，文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)了一種以ARM CortexM3的STM32 F103VET6為核心控制芯片的車載平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)。相比于以上類型的穩(wěn)定平臺(tái)，機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)控制系統(tǒng)一般有以下的要求：① 由于載荷有限，在狹小的設(shè)備安裝空間內(nèi)要盡可能的合理配置控制系統(tǒng)的重量和體積；② 根據(jù)機(jī)載設(shè)備供電方式的特殊性，要求盡可能的減少控制系統(tǒng)的功耗；③ 由于機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)工作在多震動(dòng)、強(qiáng)電磁干擾、高溫差和高濕度的環(huán)境之下，要求控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力[7]。

1 穩(wěn)定平臺(tái)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)及控制系統(tǒng)主要由三軸系角位置伺服平臺(tái)、電子控制器、垂直光纖陀螺、機(jī)體航姿傳感器、GPS接收機(jī)和增量式光電編碼器、遙控遙測(cè)通道和地面測(cè)控計(jì)算機(jī)等部件組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

穩(wěn)定平臺(tái)及其控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的地面目標(biāo)，實(shí)時(shí)計(jì)算出跟蹤指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的閉環(huán)控制；光電編碼器反饋當(dāng)前各軸系的角位置值；垂直光纖陀螺和機(jī)體航姿傳感器分別測(cè)量被穩(wěn)定目標(biāo)視軸和載機(jī)相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角速率和角位置變化；電子控制器利用由GPS獲得的載機(jī)位置信息和被跟蹤目標(biāo)位置信息，利用慣性坐標(biāo)系OiXiYiZi、載體坐標(biāo)系ObXbYbZb和天線平臺(tái)坐標(biāo)系OrXrYrZr之間的轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算出各軸系所需要旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)角度；由伺服功率放大器驅(qū)動(dòng)3個(gè)軸系的直流力矩電機(jī)各自旋轉(zhuǎn)，使得天線的視軸方向穩(wěn)定地指向被跟蹤目標(biāo)的位置點(diǎn)。

1.2控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)模型采用雙回路結(jié)構(gòu)，速率穩(wěn)定內(nèi)回路隔離各類載體干擾角運(yùn)動(dòng)對(duì)平臺(tái)各軸系轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，使得視軸指向目標(biāo)的誤差保持在一定范圍[8]；位置跟蹤外回路則是在視軸穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，根據(jù)計(jì)算出的當(dāng)前視軸與目標(biāo)視軸方向之間的角度偏差信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)視軸指向的快速響應(yīng)和跟蹤，控制模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)控制模型的功能主要分為3個(gè)部分：

(1) 姿態(tài)角指令計(jì)算?？刂谱幽KC1根據(jù)輸入的載機(jī)在慣性坐標(biāo)系OiXiYiZi下的位置信息以及目標(biāo)點(diǎn)的位置信息可以計(jì)算出目標(biāo)視軸正確指向目標(biāo)時(shí)所需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角的數(shù)值為：

(1)

目標(biāo)視軸需要轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰角為：

θg=arctan{(zb-zd)[(xb-xd)2+

(2)

探測(cè)天線的極化角φg一般由用戶設(shè)定。由此可以得到目標(biāo)視軸在慣性坐標(biāo)系下在方位、俯仰和橫滾方向上對(duì)準(zhǔn)被跟蹤目標(biāo)的所設(shè)定姿態(tài)角的指令為：(γgi,θgi,φgi)。

(2) 控制律和校正環(huán)節(jié)。在控制子模塊C2和C3中，速率穩(wěn)定內(nèi)回路和位置跟蹤外回路均采用PID控制方法。同時(shí)為了使被控系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，采用“滯后-超前”環(huán)節(jié)對(duì)內(nèi)、外控制回路進(jìn)行校正，如圖3所示。

圖3 “滯后-超前”校正環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

圖中：T1為超前校正的參數(shù)，T2為滯后校正的參數(shù)，β為校正參數(shù)。超前校正通過(guò)增加系統(tǒng)帶寬，來(lái)改善控制系統(tǒng)的快速性和超調(diào)量；滯后校正以控制系統(tǒng)帶寬減小和階躍響應(yīng)快速性下降為代價(jià)，來(lái)?yè)Q取超調(diào)量及穩(wěn)定性的改進(jìn)?！皽?超前”校正綜合了兩者優(yōu)點(diǎn)，可以使被控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減小，并較好地抑制了高頻噪聲[9-10]。

基于頻域法設(shè)計(jì)“滯后-超前”校正環(huán)節(jié)參數(shù)的步驟如下：

① 根據(jù)未校正系統(tǒng)的伯德圖和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，合理的選擇校正后系統(tǒng)的截止頻率ωc；

② 確定校正參數(shù)β；

③ 先設(shè)計(jì)滯后校正部分的參數(shù)T2；

④ 再根據(jù)已經(jīng)選定的β設(shè)計(jì)超前部分的參數(shù)T1；

⑤ 將滯后和超前部分的傳遞函數(shù)相乘后得到滯后-超前校正的傳遞函數(shù)，繪制校正后的伯德圖，檢驗(yàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)是否符合要求，如果不符合則調(diào)節(jié)校正環(huán)節(jié)參數(shù)后重新檢驗(yàn)。

(3) 反饋環(huán)節(jié)處理?？刂谱幽KC4為位置跟蹤外回路的提供反饋信號(hào)。由安裝在穩(wěn)定平臺(tái)基座上的GPS和姿態(tài)陀螺儀得到基座在慣性坐標(biāo)系OiXiYiZi下的方位、俯仰和橫滾3個(gè)方向上的姿態(tài)角的數(shù)值(γbi,θbi,φbi)；由光電編碼器測(cè)量可以得到目標(biāo)視軸在載體坐標(biāo)系ObXbYbZb下的方位、俯仰和橫滾3個(gè)方向上的姿態(tài)角數(shù)值(γrb,θrb,φrb)。根據(jù)天線平臺(tái)坐標(biāo)系OrXrYrZr到載體坐標(biāo)系的變換矩陣Trb以及載體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的變換矩陣Tbi可以求出天線平臺(tái)坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)系的變換矩陣，即：

(3)

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換運(yùn)算后，可以得到當(dāng)前時(shí)刻，目標(biāo)視軸在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)角數(shù)值(γri,θri,φri)。最后，將其作為位置跟蹤外回路的反饋信號(hào)，可求得與C1輸出姿態(tài)角的指令(γgi,θgi,φgi)之間的差值(Δγgi,Δθgi,Δφgi)，即當(dāng)前目標(biāo)視軸和所設(shè)定目標(biāo)視軸跟蹤線之間的夾角，作為控制系統(tǒng)的輸入以構(gòu)成閉環(huán)控制。

1.3仿真驗(yàn)證

以某被跟蹤的目標(biāo)為固定目標(biāo)為原點(diǎn)，設(shè)置載機(jī)按如下的航跡做飛行運(yùn)動(dòng)，載機(jī)在慣性坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程為：

(4)

在載機(jī)的俯仰和橫滾軸上分別加入幅值為5°，頻率為0.2 Hz的干擾搖擺角運(yùn)動(dòng)，在方位軸加入幅值為2°頻率為0.1 Hz的干擾搖擺角運(yùn)動(dòng)。仿真時(shí)間t設(shè)為500 s，并在角位置和角速率反饋信號(hào)中加入一定量的模擬實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的噪聲干擾信號(hào)環(huán)節(jié)。在Matlab中對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)在橫滾，俯仰和方位3個(gè)方向上的跟蹤誤差輸出進(jìn)行仿真，并截取運(yùn)行穩(wěn)定后100～200 s內(nèi)的輸出值曲線，如圖4所示。

(a) 方位姿態(tài)角跟蹤誤差曲線

(b) 俯仰姿態(tài)角跟蹤誤差曲線

(c) 橫滾姿態(tài)角跟蹤誤差曲線

圖4 目標(biāo)視軸在3個(gè)方向上跟蹤誤差仿真曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)隨載機(jī)一同運(yùn)動(dòng)時(shí)，并受到干擾角運(yùn)動(dòng)的作用時(shí)，目標(biāo)視軸在方位，俯仰和橫滾軸上的最大跟蹤誤差分別為0.41°、-0.13°和-0.25°，滿足穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤誤差小于±0.5°的要求。

2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1嵌入式計(jì)算機(jī)模塊

嵌入式計(jì)算機(jī)模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，采用基于80×86架構(gòu)的32 bit微處理器，內(nèi)置高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，符合ANSI/IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)[11]，適合于穩(wěn)定平臺(tái)中各坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的高速運(yùn)算。CPU板上集成了ADC、DAC、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗、PWM、E2PROM、SRAM/Flash、RS-232/485/422串行接口和可編程I/O口等功能單元。便于嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集各類傳感器的反饋數(shù)據(jù)，并輸出命令至伺服放大器。以嵌入式計(jì)算機(jī)模塊為核心的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 嵌入式計(jì)算機(jī)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2電子控制器

電子控制器中包含了嵌入式計(jì)算機(jī)、擴(kuò)展接口、光電編碼器信號(hào)調(diào)理電路、伺服放大器和電源轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。由于體積所限，電子控制器放置在由鋁合金材質(zhì)加工而成并具有抗電磁干擾能力的一種專用小型航控電子設(shè)備箱[12]中，如圖6所示。

圖6 電子控制器實(shí)物及組成結(jié)構(gòu)圖

2.3光電編碼器及調(diào)理電路

采用LFA-500A-18000型高精度增量式光電編碼器，分別測(cè)量方位、俯仰和橫滾3個(gè)軸系的角位置值。測(cè)角信號(hào)采用差分信號(hào)方式輸出[13]，經(jīng)差分接收芯片MC3486轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。隨后輸入調(diào)理電路的CPLD內(nèi)，經(jīng)倍頻判向、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)接口和控制邏輯等內(nèi)部電路處理后得到24位二進(jìn)制格式的角位置值；最后由嵌入式計(jì)算機(jī)模塊通過(guò)3組24位數(shù)字量輸入接口，依次讀入各軸系的光電編碼器調(diào)理信號(hào)，經(jīng)標(biāo)度轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理后，得到3個(gè)軸系的實(shí)時(shí)角位置反饋值，構(gòu)成角位置回路的閉環(huán)控制。

2.4GPS接收機(jī)

采用Septentrio公司的POLARX2@，基于高性能的GNSS處理芯片，具有低信噪比的優(yōu)點(diǎn)。不僅可以提供高精度的位置和速度輸出，還可以提供精確的方向、橫搖、縱搖等姿態(tài)測(cè)量結(jié)果，輸出測(cè)量值的更新頻率為10 Hz[14]。GPS接收機(jī)安裝在平臺(tái)基座上與載機(jī)保持固連，采用了一根雙頻主天線和一根單頻副天線，兩根天線分別安裝在橫桿的兩端?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)GPS接收機(jī)可獲得載機(jī)在慣性坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)位置信息，包括：經(jīng)度、緯度和高度等數(shù)據(jù)。

2.5角速率陀螺

采用CrossBow公司的VG400CD垂直光纖陀螺。采用集成光路技術(shù)，功耗低，信號(hào)穩(wěn)定，耐沖擊震動(dòng)，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍[15]。VG400CD采用27 V直流電源供電，通過(guò)RS-232串口以9 600 bit/s的波特率與嵌入式控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信。垂直光纖陀螺安裝在被穩(wěn)定平面上，用來(lái)測(cè)量被穩(wěn)定平面在3個(gè)軸系方向上相對(duì)于慣性空間運(yùn)動(dòng)的角速率，作為反饋信號(hào)以構(gòu)成角速率回路的閉環(huán)控制。

2.6機(jī)體航姿傳感器

采用TPW-1H型機(jī)體航姿傳感器。其測(cè)量精度為(5＇，輸出姿態(tài)角度漂移絕對(duì)值不大于1.5°。航姿傳感器與載機(jī)固連，在飛行過(guò)程中可獲得載機(jī)在慣性坐標(biāo)系下的方位、俯仰和橫滾軸3個(gè)自由度上的方向角，作為位置跟蹤外回路反饋環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，以提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺(tái)的控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主控制程序、實(shí)時(shí)處理循環(huán)子程序、串行通信子程序和地面測(cè)控計(jì)算機(jī)軟件4個(gè)部分組成。

3.1主控制程序

主控制程序的主要功能是對(duì)DI (數(shù)字量輸入)、DO(數(shù)字量輸出)通道、DA(數(shù)模轉(zhuǎn)換)通道、各傳感器設(shè)備接口進(jìn)行初始化后與其進(jìn)行串行通信連接；執(zhí)行穩(wěn)定平臺(tái)的角位置初始化尋零操作；在控制系統(tǒng)中設(shè)置并利用高精度定時(shí)器執(zhí)行各實(shí)時(shí)循環(huán)處理子程序等。主控制程序的工作流程如圖7所示。

3.2實(shí)時(shí)處理循環(huán)子程序

實(shí)時(shí)循環(huán)處理子程序的主要功能是采集并處理各種外部傳感器的信號(hào)，包括：各軸系的光電編碼器的角位置數(shù)值、被穩(wěn)定平面上所安裝的角速率陀螺信號(hào)、GPS接收機(jī)的輸出位置信息、機(jī)體航姿傳感器姿態(tài)角信息等；控制穩(wěn)定平臺(tái)按照給定的工作方式運(yùn)行；根據(jù)坐標(biāo)系變換實(shí)時(shí)計(jì)算出在各種工作方式下的實(shí)際天線視軸指向與被跟蹤目標(biāo)位置之間的偏移量；完成角速率穩(wěn)定回路和角位置跟蹤回路的校正運(yùn)算；經(jīng)過(guò)DA信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸出到伺服功率放大器。實(shí)時(shí)循環(huán)處理子程序的流程如圖8所示。

圖7 控制系統(tǒng)主程序流程圖

圖8 實(shí)時(shí)循環(huán)處理子程序流程圖

3.3串行通信子程序

串行通信子程序主要是利用控制系統(tǒng)中配置的多個(gè)串口與不同的外部傳感器設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸載機(jī)和穩(wěn)定平臺(tái)的姿態(tài)位置數(shù)據(jù)，包括：與垂直光纖陀螺、機(jī)體航姿傳感器、GPS接收機(jī)，并通過(guò)無(wú)線電載波方式與地面測(cè)控計(jì)算機(jī)交換命令和數(shù)據(jù)等信息。采用自定義通信規(guī)約，規(guī)約內(nèi)包含當(dāng)前的姿態(tài)、位置和空速等信息。每個(gè)數(shù)據(jù)包采用14個(gè)字節(jié)的定長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)，分為兩幀，每個(gè)幀的組成結(jié)構(gòu)和具體含義如表1和表2所示。

表1 數(shù)據(jù)包第1幀組成結(jié)構(gòu)

表2 數(shù)據(jù)包第2幀組成結(jié)構(gòu)

3.4地面測(cè)控計(jì)算機(jī)軟件

地面測(cè)控計(jì)算機(jī)軟件由微軟公司標(biāo)準(zhǔn)可視化開(kāi)發(fā)工具Visual Studio2008開(kāi)發(fā)，運(yùn)行在Windows XP操作系統(tǒng)下，以圖形和數(shù)據(jù)的方式實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的載機(jī)姿態(tài)和穩(wěn)定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置、速度、姿態(tài)和空中/地面的目標(biāo)坐標(biāo)值。軟件中集成了地平儀控件(GMS Aircraft Instruments ActiveX Control)，可以設(shè)置并實(shí)時(shí)模擬顯示載機(jī)在俯仰、橫滾和航向角上的飛行姿態(tài)；使用地圖控件(Map Control)，實(shí)時(shí)顯示載機(jī)的飛行航跡。軟件界面如圖9所示。

圖9 地面測(cè)控計(jì)算機(jī)軟件界面圖

軟件的功能主要分為遙控和遙測(cè)。遙控的功能主要有：① 選擇并設(shè)定穩(wěn)定平臺(tái)的控制模式。② 設(shè)定被跟蹤的地面目標(biāo)或者空中目標(biāo)的位置信息，包括：經(jīng)度、緯度和高度值，并設(shè)置天線的極化角。③ 當(dāng)平臺(tái)工作在固定姿態(tài)模式下時(shí)，設(shè)置穩(wěn)定平臺(tái)的橫滾、俯仰和方位軸的固定姿態(tài)角度。遙測(cè)的功能主要有：① 實(shí)時(shí)顯示天線指令、實(shí)際姿態(tài)、轉(zhuǎn)臺(tái)指令、轉(zhuǎn)臺(tái)反饋和轉(zhuǎn)臺(tái)速率等指示穩(wěn)定平臺(tái)當(dāng)前工作狀態(tài)的參量。② 顯示載機(jī)當(dāng)前的橫滾、俯仰和方位角姿態(tài)信息和緯度、經(jīng)度和高度位置信息。③ 以圖形方式實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)定平臺(tái)當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值；④ 利用地平儀控件和地圖控件顯示載機(jī)在橫滾、俯仰和航向上的姿態(tài)，并顯示載機(jī)的飛行軌跡曲線。⑤ 當(dāng)工作于地面搖桿操控控制模式下時(shí)，實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)定平臺(tái)在橫滾、俯仰和方位3個(gè)軸系上的角速率數(shù)值。

4 目標(biāo)跟蹤誤差驗(yàn)證試驗(yàn)

在穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際工作的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)目標(biāo)跟蹤誤差進(jìn)行驗(yàn)證，如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

試驗(yàn)方法是在距載機(jī)一定距離(例如1、2或5 km)之外，設(shè)定某一被跟蹤的目標(biāo)點(diǎn)，由搖擺機(jī)模擬產(chǎn)生10°/s的載機(jī)的干擾角運(yùn)動(dòng)，耦合到穩(wěn)定平臺(tái)的各軸系上，利用地面測(cè)控計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)地記錄穩(wěn)定平臺(tái)目標(biāo)跟蹤誤差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖11表示當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)工作在自動(dòng)跟蹤方式下時(shí)，各軸系隔離載機(jī)干擾角運(yùn)動(dòng)并穩(wěn)定跟蹤距載機(jī)5 km外某地面目標(biāo)的角位置輸出測(cè)試數(shù)據(jù)曲線。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)目標(biāo)視軸穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)時(shí)，俯仰軸給定輸出值應(yīng)為48.982°，實(shí)際輸出最大角度誤差值約為-0.211°；橫滾軸給定輸出值應(yīng)為1.012°，實(shí)際輸出最大角度誤差值約為0.311°；方位軸給定輸出值應(yīng)為-8.231°，實(shí)際輸出最大角度誤差值約為0.351°，滿足了目標(biāo)跟蹤誤差范圍為±0.5°的要求。

(a) 俯仰軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

(b) 橫滾軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

(c) 方位軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖11 自動(dòng)跟蹤5 km外目標(biāo)各軸系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出

5 結(jié) 論

采用嵌入式計(jì)算機(jī)作為核心的某型三軸系天線穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，采用雙回路控制模型，具有結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低，高速數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明控制系統(tǒng)的性能達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。對(duì)機(jī)載型天線穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、研制和試驗(yàn)具有一定的參考意義。

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DesignofStabilizedPlatformControlSystemBasedonEmbeddedComputer

YANGRui,HANXiao,CHENGGuilin,YANGChenshun

(School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China)

For requirements such as small size, low power consumption, anti-interference ability and so on in control system of stabilized platform, a control system of three axes airborne stabilized platform based on embedded computer is designed. By using the principle of transformation among inertial coordinate system, carrier coordinate system and antenna platform coordinate system, a double-loop control system model is designed to isolate the carrier jamming angular motion and achieve stable target tracking. The effectiveness of control method is proved by simulation in Matlab. The key features including composition and connection of embedded computer module, selection and configuration of optoelectronic encoder, gyroscope, GPS and other inertial sensing components and the flow and function of main control program and the ground telemetry computer software are designed in detail. The field test results show that the target tracking error range meets the design requirement of ±0.5°.

stabilized platform; embedded system; coordinate transformation; double-loop control; target tracking error

TP 275

A

1006-7167(2017)09-0111-06

2016-11-21

南京工程學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目(QKJA201502)

楊 睿(1982-)，男，江蘇南京人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)控制技術(shù)方面的研究工作。Tel.:18151007390; E-mail: yrnjit@njit.edu.cn