董 超,王舒雁,劉 科,王春宇,常 曄

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 北京控制工程研究所,北京 100190)

1 引 言

隨著現(xiàn)代高性能武器系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)及控制精度有更高的要求,在精確制導(dǎo)導(dǎo)彈上的應(yīng)用成為非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。本項(xiàng)目的應(yīng)用背景是肩扛式反坦克導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭,其主要作用是通過(guò)瞄準(zhǔn)具人工操作瞄準(zhǔn)線運(yùn)動(dòng),鎖定目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。伺服穩(wěn)定平臺(tái)作為紅外探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)的載體,是精確制導(dǎo)武器的核心部件,其系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,穩(wěn)定性和位置的精確性對(duì)紅外成像制導(dǎo)的精度有著至關(guān)重要的影響[1]。

結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)大小和跟蹤視場(chǎng)范圍的要求,伺服穩(wěn)定平臺(tái)采用了以MEMS速率陀螺為穩(wěn)定核心,俯仰+偏航的雙框架式結(jié)構(gòu),角度關(guān)系明確,簡(jiǎn)單緊湊,兩通道相互獨(dú)立、耦合少,方便設(shè)計(jì)和控制。利用DSP和FPGA構(gòu)建平臺(tái)控制電路,提出了一種電流、速度和位置三環(huán)串級(jí)PID改進(jìn)型算法控制框架電機(jī)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)鎖定和跟蹤,并通過(guò)了轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,該伺服穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤范圍廣、快速跟蹤能力強(qiáng)、跟蹤精度高、抗干擾性強(qiáng)。

2 伺服穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化和輕量化,同時(shí)滿足跟蹤范圍俯仰-40°～+20°,偏航±20°的要求,伺服穩(wěn)定平臺(tái)采用了以MEMS速率陀螺為穩(wěn)定核心,俯仰/偏航式雙框架結(jié)構(gòu),如圖1所示,由內(nèi)框和外框組成,分別實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航方向上的運(yùn)動(dòng)控制。兩個(gè)框架軸兩端分別安裝力矩電機(jī)和絕對(duì)位置編碼器,光學(xué)系統(tǒng)安裝在內(nèi)框上,背面安裝速率陀螺。通過(guò)內(nèi)框架的速率陀螺敏感兩軸速度信息,內(nèi)外框架的絕對(duì)位置編碼器敏感角度信息,內(nèi)外框架上的力矩電機(jī)控制角度驅(qū)動(dòng)框架運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上光學(xué)系統(tǒng)光軸的指向不變。

圖1 伺服穩(wěn)定平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Frame structure of servo stabilized platform

速率陀螺作為伺服穩(wěn)定平臺(tái)的核心部件,其性能直接影響穩(wěn)定平臺(tái)的控制精度,所以選用MEMS慣性測(cè)量單元(IMU),能夠敏感三軸的速度信息,經(jīng)過(guò)了零位和靈敏度標(biāo)定,并在內(nèi)部對(duì)全溫范圍進(jìn)行了補(bǔ)償,精度更高,低噪聲,零偏穩(wěn)定性好,且模塊對(duì)振動(dòng)和沖擊的敏感度很低。

位置編碼器作為測(cè)角元件,選用絕對(duì)位置式光柵編碼器,其為非接觸式光電工作原理,因此與濕度、溫度、振動(dòng)等條件無(wú)關(guān),體積小,可靠性高,精度高,上電即可讀取當(dāng)前位置,滿足結(jié)構(gòu)尺寸需求。

電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件,需要綜合考慮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸限制和負(fù)載力矩要求,選用定制尺寸的有限轉(zhuǎn)角電機(jī),持續(xù)輸出力矩約為60 mN·m,滿足性能需求。

3 伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服穩(wěn)定平臺(tái)的主要作用為:穩(wěn)定光電探測(cè)器的光軸,使光軸不受載體運(yùn)動(dòng)的影響,保證獲得清晰地圖像；實(shí)現(xiàn)光軸預(yù)置功能,將光軸預(yù)訂指向需要的方向,提高目標(biāo)發(fā)現(xiàn)速度；實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤,通過(guò)伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制光軸跟蹤目標(biāo)視線軸。

為實(shí)現(xiàn)上述功能本設(shè)計(jì)采用DSP和FPGA構(gòu)建平臺(tái)控制電路,以FPGA作為接口,DSP作為控制核心。伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)電路框圖如圖2所示,FPGA讀取MEMS陀螺儀的角速率數(shù)據(jù)、絕對(duì)位置編碼器的角度數(shù)據(jù)以及圖像處理后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；伺服DSP讀取電機(jī)電流的采集數(shù)據(jù),和FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互獲得控制數(shù)據(jù),完成電機(jī)控制算法輸出電機(jī)控制PWM信號(hào),經(jīng)由光耦隔離輸出給MOSFET功率驅(qū)動(dòng)電路,從而控制電機(jī)帶動(dòng)框架運(yùn)動(dòng)[2-3]。

圖2 伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)電路框圖Fig.2 Circuit diagram of servo stabilized platform control system

在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上,可以得出伺服穩(wěn)定平臺(tái)相應(yīng)的主要技術(shù)指標(biāo)包括預(yù)定精度、穩(wěn)定精度、跟蹤精度、最大跟蹤速度等。而穩(wěn)定精度和跟蹤精度是所有動(dòng)載體光電成像系統(tǒng)共同關(guān)注的重要問(wèn)題,也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)[4]。

穩(wěn)定精度指標(biāo)代表了穩(wěn)定回路對(duì)載體運(yùn)動(dòng)的隔離能力。穩(wěn)定精度指標(biāo)設(shè)計(jì)首先要從滿足光電成像系統(tǒng)探測(cè)器的性能要求出發(fā),即避免或減小載體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的圖像模糊。同時(shí)還要從彈控的要求出發(fā),即伺服穩(wěn)定平臺(tái)輸出給彈控的視線角速度不能引起彈體抖動(dòng)。關(guān)鍵指標(biāo)為隔離度。

跟蹤精度指標(biāo)代表了跟蹤回路對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤能力。跟蹤精度指標(biāo)設(shè)計(jì)要從滿足跟蹤位置精度和跟蹤速度精度兩方面的要求出發(fā),即能快速跟蹤的同時(shí)不能造成目標(biāo)丟失。關(guān)鍵指標(biāo)為跟蹤回路帶寬。

4 伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制關(guān)鍵技術(shù)

影響伺服穩(wěn)定平臺(tái)隔離度和跟蹤回路帶寬指標(biāo)的因素主要包含兩個(gè)方面:一方面是伺服穩(wěn)定平臺(tái)所用的執(zhí)行電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)件性能、傳感器及控制器元器件的特性,另一方面是伺服穩(wěn)定平臺(tái)所采用的控制理論和控制算法,是最大限度發(fā)揮伺服穩(wěn)定平臺(tái)各組成部件性能的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)為MEMS陀螺的數(shù)據(jù)處理[5]和三環(huán)串級(jí)PID控制算法[6]。

4.1 MEMS陀螺的數(shù)據(jù)處理

伺服穩(wěn)定平臺(tái)以MEMS陀螺為穩(wěn)定核心,其性能直接影響穩(wěn)定平臺(tái)的控制精度,所以在選擇性能較好MEMS陀螺的同時(shí),對(duì)陀螺的輸出數(shù)據(jù)也要進(jìn)行處理,包括剔除野值、濾波和在線零位校準(zhǔn)。

(1)剔除野值:陀螺的輸出數(shù)據(jù)由FPGA通過(guò)RS422數(shù)字接口接收,采集周期為1 ms,通過(guò)對(duì)FPGA采集的原始數(shù)據(jù)觀察,數(shù)據(jù)偶爾會(huì)受到干擾出現(xiàn)野值,野值不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn),且野值與正常值的偏差較大,影響電機(jī)控制,需要對(duì)陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)野值剔除。通過(guò)對(duì)陀螺試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),在相鄰的兩個(gè)采集周期陀螺的正常值偏差絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)10,因此對(duì)相鄰兩個(gè)周期的陀螺采集值的偏差絕對(duì)值設(shè)置閾值10,當(dāng)超過(guò)閾值時(shí),判定后一個(gè)周期的陀螺采集值為野值,輸出為前一個(gè)周期的采集值。當(dāng)沒(méi)有超過(guò)閾值時(shí),判定沒(méi)有出現(xiàn)野值,輸出為后一個(gè)周期的采集值。

(2)濾波:陀螺的數(shù)據(jù)濾波采用了所選MEMS慣性測(cè)量單元(IMU)的內(nèi)置濾波器,是帶線性相位補(bǔ)償?shù)腃IC低通濾波器,其本質(zhì)為滑動(dòng)平均濾波器的一種有效實(shí)現(xiàn),通過(guò)對(duì)其寄存器進(jìn)行參數(shù)配置選擇不同的截止頻率和延時(shí),帶寬越高,噪聲越大,延時(shí)越小。濾波器參數(shù)的配置要對(duì)帶寬和噪聲進(jìn)行綜合考慮,選擇截止頻率為131 Hz,延時(shí)3 ms,陀螺數(shù)據(jù)輸出噪聲為0.2 °/s。

(3)在線零位校準(zhǔn):MEMS陀螺儀的一個(gè)特點(diǎn)是偏置不穩(wěn)定,造成陀螺初始零位會(huì)隨時(shí)間漂移,漂移的不良后果就是航向計(jì)算的誤差會(huì)持續(xù)增加而不減退,同時(shí)伺服穩(wěn)定平臺(tái)輸出的視線角速度的零位也會(huì)隨之發(fā)生偏移。因此,需要對(duì)陀螺的零位進(jìn)行校準(zhǔn)。一種有效的校準(zhǔn)方案是對(duì)陀螺實(shí)施零角速度更新,只要知道陀螺處于靜止?fàn)顟B(tài),便可將陀螺的偏移歸零。零位校準(zhǔn)的關(guān)鍵問(wèn)題是校準(zhǔn)的時(shí)機(jī),在導(dǎo)引頭處于電鎖狀態(tài)時(shí),陀螺處于靜止?fàn)顟B(tài),且具有一定程度的抗干擾能力。具體方法為,導(dǎo)引頭上電自檢通過(guò)后,通過(guò)計(jì)算框架是否到達(dá)預(yù)置角位置判斷是否進(jìn)入電鎖狀態(tài),確認(rèn)進(jìn)入電鎖狀態(tài)后,采集一段時(shí)間內(nèi)陀螺靜止穩(wěn)定的數(shù)據(jù),計(jì)算該段數(shù)據(jù)的均值,作為陀螺當(dāng)前狀態(tài)下的零位偏移量,后續(xù)使用陀螺數(shù)據(jù)時(shí)均減去這個(gè)偏移量,此時(shí)零位即得到校準(zhǔn)。

4.2 三環(huán)串級(jí)PID控制算法

隨著現(xiàn)代高性能武器系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)及控制精度有更高的要求,傳統(tǒng)的單環(huán)或者雙環(huán)控制已經(jīng)不能滿足性能需求。本設(shè)計(jì)主要采用了以電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán),位置環(huán)為外環(huán)的三環(huán)串級(jí)PID控制算法,該算法可以對(duì)系統(tǒng)的環(huán)路從內(nèi)到外進(jìn)行逐步設(shè)計(jì),通過(guò)提高某環(huán)路的帶寬,可迅速抑制環(huán)路內(nèi)的干擾,每個(gè)部分的設(shè)計(jì)都有明確的目標(biāo),在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)可以提高效率,其工作原理框圖如圖3所示。

圖3 三環(huán)串級(jí)PID控制原理框圖Fig.3 Three loop cascade PID control principle block diagram

導(dǎo)引頭工作于跟蹤狀態(tài)時(shí),伺服系統(tǒng)通過(guò)電流采集和陀螺反饋閉合穩(wěn)定回路,隔離載體擾動(dòng)；通過(guò)圖像跟蹤器閉合跟蹤回路,使光軸精確跟蹤視軸的運(yùn)動(dòng)。

(1)電流環(huán):電流環(huán)的作用是提高電流的響應(yīng)速度,能夠減小電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的跳動(dòng)情況,使電機(jī)的控制力矩平穩(wěn)輸出,同時(shí)可以提高系統(tǒng)剛度,提升系統(tǒng)的帶寬。電流環(huán)的輸入是速度環(huán)的輸出,反饋是實(shí)時(shí)采集的電流。

不同于傳統(tǒng)的硬件電流環(huán)設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)采用了軟件實(shí)現(xiàn)電流環(huán),處理器主頻150 MHz,電流環(huán)控制周期為50 μs,帶寬可以做的更寬,調(diào)試參數(shù)更為方便。對(duì)反饋電流的檢測(cè)采用了精密電阻和高共模抑制比的電流檢測(cè)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)高邊電流采集,對(duì)放大器輸出進(jìn)行了濾波處理,濾波算法為滑動(dòng)平均濾波,同時(shí)軟件對(duì)電流輸出限幅1 A,提升可靠性。

(2)速度環(huán):速度環(huán)的作用是保持視軸的穩(wěn)定,能夠隔離載體的抖動(dòng),提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。速度環(huán)的輸入是位置環(huán)的輸出,反饋是MEMS速率陀螺的角速度輸出。

本設(shè)計(jì)速度環(huán)在PID算法的基礎(chǔ)上引入了抗積分飽和來(lái)調(diào)節(jié)積分環(huán)節(jié)的作用,積分環(huán)節(jié)并不能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,只能根據(jù)控制誤差不斷累加,對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。這種情況下,控制器輸出有可能會(huì)進(jìn)入飽和區(qū),整個(gè)系統(tǒng)陷入短暫失控狀態(tài)。在軟件中每次在積分環(huán)節(jié)累加前,先判斷上一周期的控制量是否超過(guò)了最大設(shè)置值,如果超過(guò)設(shè)置值,則用設(shè)置值代替當(dāng)前積分累加值,避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū),提高響應(yīng)速度。對(duì)MEMS速率陀螺的輸出則采用了上述中的剔除野值、濾波和在線零位校準(zhǔn)的處理方式。

(3)位置環(huán):位置環(huán)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中心坐標(biāo)快速、穩(wěn)定、精確地跟蹤。位置環(huán)的輸入是圖像跟蹤器的目標(biāo)位置反饋與光心坐標(biāo)的差值。

本設(shè)計(jì)位置環(huán)的輸出既是速度環(huán)的給定輸入,同時(shí)也是提供彈控的視線角速度,所以位置環(huán)算法關(guān)鍵在于控制輸出的視線角速度波動(dòng)。圖像解算需要20 ms的時(shí)間,延遲較大,將位置環(huán)控制周期設(shè)置為1 ms,同時(shí)在算法中對(duì)圖像坐標(biāo)進(jìn)行積分線性插值,使在20 ms下一幀圖像坐標(biāo)輸入時(shí)能夠平穩(wěn)控制,視線角速度不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)從而影響彈控。同時(shí)對(duì)輸出給速度環(huán)的跟蹤角速度進(jìn)行限幅,避免跟蹤角速度過(guò)大造成圖像模糊。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

紅外導(dǎo)引頭產(chǎn)品通過(guò)了仿真和轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)的驗(yàn)證,在試驗(yàn)過(guò)程中伺服穩(wěn)定平臺(tái)的隔離度和跟蹤回路帶寬都滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。隔離度設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為小于5 %,測(cè)試結(jié)果最大為3.8 %；跟蹤回路帶寬設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為2 Hz,測(cè)試結(jié)果為2 Hz。

隔離度測(cè)試:將導(dǎo)引頭固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上,目標(biāo)源不動(dòng),轉(zhuǎn)臺(tái)以(3°,3 Hz)正弦擺動(dòng)模擬載體抖動(dòng),測(cè)量輸出視線角速度,如圖4和圖5所示。

跟蹤回路帶寬測(cè)試:將目標(biāo)源固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上,導(dǎo)引頭不動(dòng),轉(zhuǎn)臺(tái)以(1°,2 Hz)正弦擺動(dòng),測(cè)量輸出視線角速度與轉(zhuǎn)臺(tái)角速度,如圖6和圖7所示。

圖4 干擾3°,3 Hz下的偏航視線角速度Fig.4 Yaw LOS angular velocity under disturbance 3°,3 Hz

圖5 干擾3°,3 Hz下的俯仰視線角速度Fig.5 Pitch LOS angular velocity under disturbance 3°,3 Hz

圖6 跟蹤1°,2 Hz的偏航視線角速度Fig.6 Yaw LOS angular velocity of tracking 1°,2 Hz

圖7 跟蹤1°,2 Hz的俯仰視線角速度Fig.7 Pitch LOS angular velocity of tracking 1°,2 Hz

6 結(jié) 論

本文針對(duì)紅外導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)小型化和快速穩(wěn)定設(shè)計(jì)需求,采用了以MEMS速率陀螺為穩(wěn)定核心,俯仰/偏航式雙框架結(jié)構(gòu),利用DSP和FPGA構(gòu)建平臺(tái)控制電路,提出了一種電流、速度和位置三環(huán)串級(jí)PID改進(jìn)型控制算法,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品小型化設(shè)計(jì),并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證,隔離度為3.8 %,跟蹤回路帶寬為2Hz,提高了產(chǎn)品的快速穩(wěn)定性和控制精度,滿足了設(shè)計(jì)需求。