硕士论文光纤陀螺视线稳定系统的设计与工程实现-第6章 改进方案

第6章多功能通用平台系统工程-69-第六章多功能通用平台系统工程预研工作最后的成品是一个实验装置，不是一个完整的系统，它离真正的应用有一定的差距，除了第五章所述的几个问题之外，主要体现在：双轴稳定。由第二章可以得知，采用双轴平台时，因为在滚转方向的角运动没有被隔离，所以CCD相机的镜头随着基座的摇摆而滚动，其敏感的图象也是摇摆的，这样获取的图像仍然是不清晰的，在一些视线稳定应用领域，这是有局限性的。要克服这一点，就必须再加一个框架，设计三轴稳定平台。但是用户的要求是多种多样的，在有的应用领域双轴平台也足够。在多样化的应用条件下，如何在较短的时间内，提供满足不同应用领域的视线稳定系统，是摆在设计者面前的问题。在前面的工作基础之上，笔者提出了一个工程项目上的解决方案——多功能通用平台系统工程（Multi-FunctionUniversalPlatformSystem，MFUPS）。6.1功能定位MFUPS将是一套通用的机电系统。根据以前的工作，估计在整个工程项目完成之后，MFUPS将具有以下功能有：1．采用模块化设计方法，云台可以拆卸，可以根据实际需要组成双轴或三轴环架系统。2．云台本体可以安装在静基座上，加上定制的控制系统装置后就可作为静基座的定向系统和跟踪测量云台。3．当在台体上安装光纤陀螺仪，加上可选的控制系统装置后可以作为高可靠的双轴或三轴稳定平台。可以安放在车辆、船舶与空间飞行器上，用于各种不同规格、不同重量负载的稳定、隔振和定向。4．当在台体上安装CCD镜头，加上定制的伺服控制系统装置与CCD图像检测系统就可以作为视频跟踪与测量系统，如经纬仪装置。5．当在台体上安装CCD镜头与光纤陀螺仪，加上可选的伺服控制系统装置与CCD图像检测系统，就可以作为机载、车载、船载的CCD目标跟踪与测量系统。由以上可以看到，MFUPS是一个高性能、多功能的运动控制系统，研制成功后，它将在军事、民用领域中有广泛的应用前景。其主要用途：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-70-1.静基座跟踪测量装置，作为高可靠性的经纬仪；2.高精度、高可靠双轴或三轴负载自适应稳定平台；3.高可靠的坦克、武装直升机瞄准线稳定跟踪系统；4.高性能、高可靠的动基座电视图像跟踪系统；5.天线指向稳定系统。6.2基本考虑1．可以采用多种控制方式：1）遥控方式（remotecontrol）2）手柄控制方式(joystickcontrol)3）计算机控制方式(computerbasedcontrol)以上控制装置可依据具体的应用来由用户定制。并利用适当的控制方法对不同的负载实现自适应控制。2．可靠性保证：1）元件保证采用无刷直接驱动电机作为执行电机，采用无机械转子的光纤陀螺作为稳定的传感器。无刷电机和光纤陀螺的平均无故障时间远比有刷电机和机械陀螺要长，维护也简单，对工作环境的要求低。2）结构设计保证a.可靠的安全保护措施，采用滑刷实现平台外环连续旋转，这样可以从根本上防止平台在意外情况下出现安全事故。b.采用限位开关和挡块结构实现内环或滚转环的两级安全保护。c.急停处理。当出现事故时，采用硬件方法使系统自动停止伺服，从而使事故造成的损坏降低到最低程度。3）容错的控制系统设计和完善的软件故障诊断a.采用数字控制和模拟控制相结合的方法，当一种控制方法失效或出现故障时，另一种控制仍然可以使系统连续工作。由此带来的另外一个好处是：模拟控制可以使伺服系统达到很高的刚度保证控制的平滑性，并且一旦计算机程序控制失效（如计算机死锁时）时仍可有效的实现系统的安全控制，而利用数字控制则可以对系统进行可靠的程序监控和各种基于解析冗余的第6章多功能通用平台系统工程-71-容错控制和故障诊断算法，从而降低硬件冗余处理电路带来的额外成本。b.采用软件和硬件故障诊断相结合的办法，实现系统的在线故障诊断和处理。3．集成化的解决方式与模块化、系列化的处理相结合实现系统的通用化和多功能。1）集成化的解决办法：a.基于DSP/ASIC集成化电子电路实现云台运动的精密规划和高速控制。这样可以缩小电路系统的体积。b.采用小体积驱动器的无刷直接驱动电机作为系统的执行器。c.采用双轴或三轴小体积光纤陀螺仪作为平台稳定的传感器。2）模块化处理：a.平台环架的模块化处理：一般来说，应用于实际的平台系统为两轴或三轴的，为了面向用户及时推出用户需要的平台系统，采用模块化处理，即在两轴平台的基础之上，第三轴配置是可以拆卸的。也就是说：平台既可以进行三轴配置，又可以作为两轴配置。最终将实现平台的通用性和多功能。b.控制装置的模块化处理：采用DSP/ASIC电路作为底层运动控制器，IPC通过远程串行数字接口或者专门遥控电路作为远距离监控和数据处理。监控计算机、底层控制电路，遥控电路、手柄控制电路分别按功能模块化。3）系列化处理：模块化解决一定重量和尺寸档次下不同功能（如：动基座摄像机要求3轴稳定，激光器、天线要求双轴稳定）负载的要求，为了满足不同档次尺寸和重量的负载的要求，需要将产品系列化，以适应不同档次负载的要求，以保证平台结构的紧凑。4．高动态性能以满足重负载稳定刚度要求。这由所选的光纤陀螺的输出特性保证。5．采用模拟输出光纤陀螺，其数字化电路由用户定制。这样可以保证系统性能的优化。6.3实体配置根据不同级别和应用场合的要求，MFUPS分为三个主要实体，每一个实哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-72-体面向一类具体的应用，其基本功能逐渐完善和全面：1.手柄控制云台（用于静基座跟踪架和定位定向系统）云台系统的主要部件有：1）环架三轴或者双轴环架，模块化体制，各个环架可拆卸。2）主机（IPC）为性能可靠的小体积工业用PC机。主机接收操作者的指令（通过手柄和键盘），将其送至运动控制卡，实现操作者对系统的有效监控和干预。同时，主机接收运动控制卡传来的系统的运行信息，经过处理后提供给操作者，为操作者的决策提供依据。3）精密运动控制卡控制电路核心为高性能DSP，为了缩小电路体积，采用在系统可编程逻辑器件作为运动控制DSP的外设和数字I/O扩展。采用性能可靠的串行传输方式（如RS-232/485接口形式）。对模拟接口电路作特殊处理，保证电磁兼容性能在允许的范围之内。运动控制卡的任务是a.接收从各个端口（模拟端口和数字端口）传送来的传感器数据（如码盘、陀螺、接近开关等）和系统运行状态信号，经过分析和处理后，做出决策，送给各类执行器（电机和开关），从而实现云台平稳安全的运动轨迹规划和控制。b.通过遥控接口电路或串行接口电路接收主机传送来的指令，实现人对系统有效的运动监控。同时，将一些感兴趣的数据送至主机，供主机作进一步的处理。4）无刷直接驱动电机5）手柄及手柄接口电路操作者可以通过手柄，改变云台的方位，实现对云台上的相机手动定位定向。2.稳定平台（用于动基座跟踪架或定位定向系统）1）云台2）双轴或三轴光纤陀螺3）陀螺信号调调电路6.基于稳定平台的CCD电视图像跟踪系统（用于动基座机动目标的跟踪与识别）第6章多功能通用平台系统工程-73-图6-1动基座CCD目标跟踪测量系统Figure6-1CCDtargettracking&measurementsystemwithmovingbase-foundation整个系统的结构如图6-1所示。可以看到，系统由如下几部分组成：1）三轴稳定平台2）CCD摄像机3)CCD视频处理系统6.4主要技术问题1．台体机械结构设计台体的机械设计将是MFUPS的一个难点。如何在保证定位精度的前提下，达到平台框架模块化、三轴可配置是系统设计中的一个技术问题。模块化的实现方法是：根据系统应用的场合与系统的分析各种误差源，将对控制系统精度的要求、机械设计和应用的需求有机的结合起来，合理的分配机械设计、控制系统、元器件的误差要求。在工程立项后，可通过合理调配误差在机械设计、控制系统中的分配，使系统在各方面的要求得到综合的考虑，从而实现模块化的要求。2．运动控制电路设计哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-74-运动控制电路是系统的核心电子装置，它将完成系统的各种运动规划和控制，对运动控制电路的基本要求是：1）体积小，集成化程度高。可以采用一体化的嵌入式DSP和可编程ASIC电路与采用多层PCB板体制来实现。2）可靠性高，接口方便。3）模块化设计，以能及时满足实际要求，配上不同的功能模块电路，降低成品成本。3．光纤陀螺仪输出信号处理光纤陀螺仪可靠性极高，平均无故障时间要比机械陀螺长10倍以上，但是输出噪声大，温度特性差。因此，利用其组成数字控制器之前，需要对其作特殊处理，也就是说，一是要补偿其温度特性，二是要采取一定手段将其降低噪声对系统的影响。4．负载自适应的三轴稳定MFUPS是在负载大变动的前提下，仍能保证负载稳定的指标要求。前面已经提到，当负载变动时，引起系统多方面的改变：包括框架转动惯量、谐振频率、摩擦非线性特性。因此，需要设计后的控制系统对这些改变有很强的自适应性。5．CCD目标识别在CCD电视图像跟踪系统中，需要对截获的图像信息进行处理，从中提取目标信号，得到目标的方位信息，从而为目标跟踪提供依据。目前，在简单背景中的低速目标的跟踪问题已经基本成熟，在复杂背景中捕获固定目标和低速运动物体也可以通过图像匹配的方法来解决。但是对于复杂背景下的机动目标的识别，需要更深入的研究的技术研究。6．CCD机动目标跟踪高机动目标跟踪的特点是：要求跟踪的目标角速度与角加速度范围大，对跟踪系统的实时性要求高。由于目标的机动变轨，而高分辨率的CCD相机视场一般非常窄，因而很可能由于图像处理速度和跟踪速度的限制导致目标的丢失。因此，如何设计跟踪算法，保证精度要求的同时又尽可能的保证跟踪的实时性，是需要处理的又一大技术问题。7．容错控制和故障诊断容错控制和故障诊断将作为平台设计的一个基本出发点贯穿设计的始终。由于MFUPS是一个安全性要求很高的精密运动控制系统，故在设计中对其容错性应该作最慎重的考虑。如何设计出良好的容错控制系统第6章多功能通用平台系统工程-75-以及故障诊断处理程序，保证系统在各种环境下正常运行，是工程首要需要考虑的技术问题。6.5本章小结本章作为后续工程的一个建议，实际上是对本项目的一个展望。主要简略的讨论了MFUPS工程的一些初步考虑，讨论在以前的基础之上，如何从观念上改变一个平台只能适应一个用户的局限性。本章提出采用模块化和系列化的设计观点：在机械上，平台应该两轴和三轴可配置，并且系列化，使一种型号的平台面向一类应用领域；在电气上，控制系统应该对负载的变化具有自适应性。这样，整个装置有通用性，代表了当前视线稳定系统发展的方向，从而保证整个系统的先进性。