李寶珺，茹志兵，郭新勝，黨 力，韓 偉

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065）

0 引言

在現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)中，對全天候、多功能光電火控系統(tǒng)的戰(zhàn)場感知能力和目標(biāo)精確打擊的軍事需求進(jìn)一步增加［1］。但搭載系統(tǒng)的坦克、裝甲偵察車等地面作戰(zhàn)車輛在運(yùn)動中總是處于搖擺、顛簸狀態(tài)，為提高系統(tǒng)目標(biāo)精確打擊能力，要求光電觀瞄系統(tǒng)不論在手動操控模式還是自動跟蹤模式下，能保證觀察者清楚地觀察、瞄準(zhǔn)，精確打擊戰(zhàn)場目標(biāo)。為此，光電觀瞄系統(tǒng)通常與穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔、控制手柄組合，形成具有穩(wěn)像功能的、可操控的光電觀瞄裝置。裝置中具有較高獨(dú)立穩(wěn)定精度的轉(zhuǎn)塔消除了車體橫搖、縱顛、側(cè)傾等對瞄準(zhǔn)線的擾動，保持系統(tǒng)圖像穩(wěn)定，以保證瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定性。而操控手柄通過對慣性傳感器速率閉環(huán)控制，可快速、精確地跟蹤、瞄準(zhǔn)打擊目標(biāo)。

當(dāng)車輛快速機(jī)動時，其搭載的某型光電觀瞄系統(tǒng)的控制手柄輸出的驅(qū)動信號在不經(jīng)過任何電路處理送給系統(tǒng)時，小角速率（小于0.15 mil/s）精確控制的能力是非常差的，會造成射擊命中率不高。嚴(yán)重時，甚至出現(xiàn)無法準(zhǔn)確進(jìn)行瞄準(zhǔn)控制的情況。因此，一定要通過必要的輸出特性曲線修正電路改進(jìn)小角速率操控使用性能。

1 光電瞄準(zhǔn)控制曲線修正方法

根據(jù)光電觀瞄系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角速率控制曲線（瞄準(zhǔn)控制特性曲線）的提取、修正主要有兩種方法:

1）當(dāng)系統(tǒng)姿態(tài)發(fā)生變化，作為姿態(tài)量反饋器件的慣性傳感器（系統(tǒng)采用光纖陀螺）會有相應(yīng)角速率輸出，形成與輸出角速率有關(guān)的瞄準(zhǔn)線移動角速率控制曲線，通過修正此曲線完成瞄準(zhǔn)控制特性的修正。

2）光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角度與控制手柄的輸出電壓有關(guān)。當(dāng)控制手柄輸出一定大小的電壓驅(qū)動穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔時，轉(zhuǎn)塔的陀螺轉(zhuǎn)子會以一定角速率偏轉(zhuǎn)，形成與控制手柄輸出電壓有關(guān)的瞄準(zhǔn)線移動角速率控制曲線，通過修正此曲線完成瞄準(zhǔn)控制特性的修正。

1.1 基于光纖陀螺的光電瞄準(zhǔn)控制特性修正

光纖陀螺是角速率光纖傳感器［2］，在測量物體的姿態(tài)角和角速度上有著廣泛的應(yīng)用。其工作原理是基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)，即同一光源在一個閉合光路中的任意一點發(fā)出兩束特征相同、傳播方向相反的光，匯合在同一點時產(chǎn)生干涉。若存在一個角速度，圍繞垂直于閉合光路所在平面的軸線轉(zhuǎn)動，則沿不同方向傳播的光束會產(chǎn)生一個光程差，該差值與角速度成正比，可根據(jù)相位差的大小以及它與光程差的關(guān)系，計算角速度并輸出［3］。相位差ΔΦs與光纖環(huán)圈的旋轉(zhuǎn)角速率Ω有如下關(guān)系［4］:

式（1）中，ΔΦs是Sagnac相位差，L是光纖長度，D是光纖環(huán)圈直徑，是光源平均波長，c是真空中光速。由式（1）可知，Sagnac相位差和光纖環(huán)圈旋轉(zhuǎn)角速率成正比，檢測相位差即可得到對應(yīng)的輸出角速率。光電觀瞄系統(tǒng)正常工作時，安裝在系統(tǒng)中的光纖陀螺能夠?qū)崟r感知穩(wěn)定平臺相對于慣性空間的角位移。系統(tǒng)陀螺工作閉環(huán)控制方式來采集角速率，工作原理框圖見圖1。

當(dāng)有外加擾動量時，系統(tǒng)穩(wěn)定平臺內(nèi)的框面與水平、俯仰面出現(xiàn)偏角，光纖陀螺中的轉(zhuǎn)子與殼體之間產(chǎn)生相對偏差，其敏感軸感應(yīng)到有角速率變化，相應(yīng)傳感器產(chǎn)生信號并輸出。校正電路接收后，將產(chǎn)生控制量補(bǔ)償擾動力矩，保持平臺的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)搭載其上的光學(xué)系統(tǒng)瞄線的穩(wěn)定。因此，可對光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角速率與陀螺輸出角速率建立數(shù)學(xué)關(guān)系。通過修正角速率輸出特性，完成光電瞄準(zhǔn)控制特性修正。

修正的原理就是減小光纖陀螺速率漂移和噪音對角速度估計誤差的影響。即通過與其他不受漂移影響，且準(zhǔn)確度和可靠性較高的傳感器結(jié)合起來使用。在提供高精度的角速率信息同時，又可提高測量準(zhǔn)確度，滿足高精度光電轉(zhuǎn)臺動態(tài)測角系統(tǒng)對測角準(zhǔn)確度和測角精度的要求。

圖1 光纖陀螺閉環(huán)工作方式原理框圖

1.2 基于控制手柄的光電瞄準(zhǔn)控制特性修正

控制手柄在車載光電觀瞄系統(tǒng)中是車輛乘員瞄準(zhǔn)鎖定目標(biāo)的關(guān)鍵部件，系統(tǒng)可通過控制手柄完成穩(wěn)定平臺水平、俯仰向的轉(zhuǎn)動控制。當(dāng)控制手柄的輸出電壓驅(qū)動陀螺做相應(yīng)角度的偏轉(zhuǎn)時，光學(xué)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線會隨其做相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動。因此，光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角速率與控制手柄的輸出電壓可建立一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即輸出一個固定電壓值，驅(qū)動穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔陀螺轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)360°，計量相應(yīng)完成時間，兩者做除可計算出角速度值，完成相應(yīng)驅(qū)動電壓值與角速率之間的數(shù)學(xué)模型，建立輸出特性曲線，通過修正此特性曲線完成光電瞄準(zhǔn)控制特性修正。

2 光電瞄準(zhǔn)控制特性修正方案選擇與修正模型

2.1 光電瞄準(zhǔn)控制特性修正方案選擇

光纖陀螺是一種高精度角速率陀螺儀，用于穩(wěn)定平臺直接進(jìn)行高精度的角速率測量，是很有吸引力的［5-6］。其具有很高的帶寬和角速度測量精度，以輕易達(dá)到極高的角分辨率。然而，也存在明顯缺點，其輸出不僅受到不相關(guān)隨機(jī)噪音的影響，還受到時變擾動（隨機(jī)漂移）的影響。當(dāng)利用光纖陀螺的輸出角速率進(jìn)行轉(zhuǎn)角控制時，隨機(jī)速率漂移在積分中會造成角度誤差隨時間積累，不利于長時間的測角應(yīng)用［7-8］及高精度轉(zhuǎn)角控制。

但控制手柄輸出電壓——角速率數(shù)學(xué)模型不存在其上述影響。先修正控制手柄電壓輸入/輸出特性，再通過一定算法疊加至陀螺輸出角速率特性，進(jìn)行控制反饋，形成光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制可行性方案。因此，采用此方案以達(dá)到系統(tǒng)技術(shù)要求。系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性修正工作原理框圖見圖2。

圖2 基于控制手柄的控制特性修正原理框圖

2.2 瞄準(zhǔn)控制特性修正模型

根據(jù)系統(tǒng)所用控制手柄的工作原理，其輸出電壓是一個連續(xù)的、模擬的電壓信號，其與光學(xué)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的轉(zhuǎn)動角速度構(gòu)成斜率為1的線性關(guān)系，見圖3中“實線”。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，雖然控制手柄輸出一個較小電壓來驅(qū)動光學(xué)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線轉(zhuǎn)動，但瞄準(zhǔn)線會產(chǎn)生較大角速度的移動，不利于車輛靜止或運(yùn)動狀態(tài)下控制瞄準(zhǔn)線對移動目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)。

因此，根據(jù)操控需要，對不同的角速度下的輸出特性要滿足圖3中“虛線”（預(yù)期值），曲線斜率是分段不同，當(dāng)驅(qū)動電壓在（0 V，5 V］內(nèi)，斜率值在（0，0.5］內(nèi)；當(dāng)驅(qū)動電壓在（5 V，10 V］內(nèi)，斜率值在（0.5，1］內(nèi)；當(dāng)驅(qū)動電壓在（10 V，15 V］內(nèi)，斜率值在（1，1.5］內(nèi)；根據(jù)操控指標(biāo)要求完成參數(shù)設(shè)置。

圖3 控制手柄的輸出特性曲線修正前后（預(yù)期）

圖3“虛線”的數(shù)學(xué)模型建立如下:

式（2）中，y是經(jīng)過修正后的輸出特性，x是控制手柄的輸出電壓，θ是控制手柄的扭轉(zhuǎn)角度，k1，k2，k3是特性修正的系數(shù)。

2.3 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路工作原理

系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性非線性修正電路對式（2）的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系是不易實現(xiàn)的，但可利用存儲器函數(shù)變換技術(shù)。其基本原理是:將存儲器的地址A作為輸入量，與地址A相對應(yīng)存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)作為輸出量D，輸入量A與輸出量D存在一一對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系構(gòu)成一種函數(shù)關(guān)系。即在向各個存儲單元寫入數(shù)據(jù)時遵循D=F（A）映射關(guān)系，這樣可使一般的存儲器具有函數(shù)變換功能［9］。修正電路利用此技術(shù)原理將系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性由線性轉(zhuǎn)換為非線性。系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性修正電路設(shè)計方式是將系統(tǒng)可能得到的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)事先存入存儲單元，使復(fù)雜函數(shù)關(guān)系運(yùn)算變成一個查表操作，忽略復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的估計不準(zhǔn)確帶來的精度問題。

3 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路的硬件設(shè)計

修正電路的主控制器是Atmel公司的AT89C2051單片機(jī)。用于數(shù)據(jù)存儲處理的FPGA是Altera公司的CyclonII系列中的EP2C5T144。為提高轉(zhuǎn)換精度，A/D采用12 bit轉(zhuǎn)換芯片。修正電路使用運(yùn)放進(jìn)行A/D前級輸入電壓匹配，用以處理控制手柄輸出的模擬驅(qū)動電壓。A/D將處理后的驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將此作為FPGA中ROM的訪問地址。而ROM中各個地址對應(yīng)的存儲單元里預(yù)先存入電壓伏值經(jīng)圖3中“虛線”函數(shù)關(guān)系的反函數(shù)D（x）=Φ（V）（Φ代表斜率不同的各段函數(shù)的反函數(shù)）變換后的數(shù)字信號（即修正后的電壓值），通過訪問地址就可從對應(yīng)的ROM存儲單元讀出修正后的數(shù)字信號，作為瞄準(zhǔn)控制修正值。例如，控制手柄輸出7.5 V，經(jīng)運(yùn)放和A/D變換后為12位數(shù)據(jù)，再將這12位數(shù)據(jù)作為地址送入地址線，并在此地址對應(yīng)的單元寫入1.2 V對應(yīng)數(shù)字信號，那么只要控制手柄輸出電壓為7.5 V，就會自動從FPGA的數(shù)據(jù)線輸出1.2 V。修正后的數(shù)字特性疊加陀螺輸出角速率特性后，完成后級控制反饋。瞄準(zhǔn)控制特性修正電路原理圖見下頁圖4。

4 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件主要包括:時序控制程序、FPGA程序開發(fā)。時序控制程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)程與調(diào)度管理，完成A/D轉(zhuǎn)換、ROM讀取的時序控制。主控制器主程序工作流程如圖5所示。

FPGA實現(xiàn)控制核心處理電路工作。程序通過QuartusII軟件進(jìn)行編寫，使用VHDL語言及利用器件內(nèi)含的寄存器單元進(jìn)行控制功能編寫，是整個修正電路設(shè)計的重點和難點。主要內(nèi)容為選擇、設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器以及狀態(tài)寄存器。因A/D電壓轉(zhuǎn)換精度（12 bit），所以設(shè)計7FF的數(shù)據(jù)寄存器來保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)點，通過解析地址信息選擇寄存器，實現(xiàn)相應(yīng)讀寄存器的操作。軟件設(shè)計見圖6。

圖4 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路硬件原理圖

圖5 主控制器主程序工作流程圖（時序控制）

5 測試數(shù)據(jù)與分析

將瞄準(zhǔn)控制特性修正電路用于某型光電觀瞄系統(tǒng)，采集控制手柄輸出電壓修正前、后的電壓值進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)見下頁表1、下頁圖7、圖8。

圖6 FPGA軟件設(shè)計原理圖

根據(jù)系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，描繪控制手柄輸出電壓與瞄準(zhǔn)線跟蹤角速度的局部、低速狀態(tài)下的數(shù)學(xué)關(guān)系如圖9所示，修正值滿足系統(tǒng)操控要求的預(yù)期指標(biāo)。

6 結(jié)論

在瞄線控制修正電路設(shè)計中利用存儲器函數(shù)變換技術(shù)，使瞄線控制特性的修正變得更加靈活，解決了以前必須先建立復(fù)雜數(shù)學(xué)模型、再使用高性能計算機(jī)才能解決的問題，提高了控制系統(tǒng)中數(shù)字電路的性價比。但需指出的是，上述修正方案是在逐點數(shù)據(jù)變換基礎(chǔ)上完成的，需要設(shè)置很多點來轉(zhuǎn)換，并在兩點之間采用數(shù)據(jù)平滑處理，使得輸出保證始終連續(xù)、不跳躍。

表1 控制手柄輸出電壓修正前后對比表

圖7 控制手柄輸出電壓修正前的輸出特性曲線

圖8 控制手柄輸出電壓修正后的輸出特性曲線

圖9 輸出電壓修正后與瞄準(zhǔn)線角速度的曲線

此控制特性修正技術(shù)已在某型坦克的光電觀瞄系統(tǒng)上應(yīng)用，通過改善系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔上姿態(tài)慣性器件角速率反饋控制量，完成瞄準(zhǔn)精確控制。當(dāng)坦克車輛快速機(jī)動時，車上光電觀瞄系統(tǒng)在手動操控模式下，瞄準(zhǔn)線可以根據(jù)工況以小于0.15 mil/s的角速率精確控制，在實彈射擊試驗中得到非常滿意的人機(jī)交互體驗。