楊 睿， 韓 笑， 程桂林， 楊成順

(南京工程學院 電力工程學院， 南京 211167)

基于嵌入式計算機的穩(wěn)定平臺控制系統設計

楊 睿， 韓 笑， 程桂林， 楊成順

(南京工程學院 電力工程學院， 南京 211167)

針對穩(wěn)定平臺控制系統要求體積小、功耗低、抗干擾能力強等一系列特點，設計了一套以80×86架構嵌入式計算機為核心的機載三軸穩(wěn)定平臺控制系統；利用慣性坐標系、載體坐標系和天線平臺坐標系之間的變換原理，設計了一種可以隔離載體干擾角運動并實現目標穩(wěn)定跟蹤的穩(wěn)定平臺雙回路控制系統模型，并通過Matlab仿真驗證了控制方法的正確性；詳細設計了包括嵌入式計算機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計算機軟件的流程與功能；現場試驗結果表明，穩(wěn)定平臺目標跟蹤誤差范圍達到±0.5°的設計要求。

穩(wěn)定平臺； 嵌入式系統； 坐標變換； 雙回路控制； 目標跟蹤誤差

0 引 言

機載型穩(wěn)定平臺是一種廣泛應用于軍事和民用領域并集合了光學、電子和機械等專業(yè)技術為一體的高精度跟瞄設備。穩(wěn)定平臺控制系統通過各類慣性敏感元件測量平臺相對于慣性坐標系姿態(tài)角和位置的變化，驅動伺服電機轉動保持平臺坐標基準的穩(wěn)定，并通過安裝在平臺內部的光學或電子探測設備對所設定的目標進行自動跟蹤[1-3]。

目前，國內外的科研機構及相關企業(yè)設計并研制了多種類型的穩(wěn)定平臺控制系統。例如，文獻[4]中以DSP芯片TMS320F28335為核心并結合多傳感器采集和伺服控制技術，設計了一種可隔離海面干擾角運動的兩軸系穩(wěn)定平臺控制系統；文獻[5]中設計了一套基于S3C2440控制處理器的數據處理控制單元和以驅動電機為執(zhí)行單元的高性能車載穩(wěn)定平臺控制系統；針對動態(tài)響應性要求高，快速數據處理，方便調試易于操作的要求，文獻[6]中設計了一種以ARM CortexM3的STM32 F103VET6為核心控制芯片的車載平臺穩(wěn)定系統。相比于以上類型的穩(wěn)定平臺，機載穩(wěn)定平臺對控制系統一般有以下的要求：① 由于載荷有限，在狹小的設備安裝空間內要盡可能的合理配置控制系統的重量和體積；② 根據機載設備供電方式的特殊性，要求盡可能的減少控制系統的功耗；③ 由于機載穩(wěn)定平臺工作在多震動、強電磁干擾、高溫差和高濕度的環(huán)境之下，要求控制系統具有較強的抗干擾能力[7]。

1 穩(wěn)定平臺及控制系統設計

1.1總體結構

機載穩(wěn)定平臺及控制系統主要由三軸系角位置伺服平臺、電子控制器、垂直光纖陀螺、機體航姿傳感器、GPS接收機和增量式光電編碼器、遙控遙測通道和地面測控計算機等部件組成?？傮w結構如圖1所示。

圖1 機載穩(wěn)定平臺總體結構圖

穩(wěn)定平臺及其控制系統根據設定的地面目標，實時計算出跟蹤指令以實現對目標的閉環(huán)控制；光電編碼器反饋當前各軸系的角位置值；垂直光纖陀螺和機體航姿傳感器分別測量被穩(wěn)定目標視軸和載機相對于慣性坐標系的角速率和角位置變化；電子控制器利用由GPS獲得的載機位置信息和被跟蹤目標位置信息，利用慣性坐標系OiXiYiZi、載體坐標系ObXbYbZb和天線平臺坐標系OrXrYrZr之間的轉換矩陣計算出各軸系所需要旋轉的絕對角度；由伺服功率放大器驅動3個軸系的直流力矩電機各自旋轉，使得天線的視軸方向穩(wěn)定地指向被跟蹤目標的位置點。

1.2控制系統模型設計

控制系統模型采用雙回路結構，速率穩(wěn)定內回路隔離各類載體干擾角運動對平臺各軸系轉動的影響，使得視軸指向目標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)定的基礎之上，根據計算出的當前視軸與目標視軸方向之間的角度偏差信號，實現目標視軸指向的快速響應和跟蹤，控制模型結構如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定平臺控制系統模型結構圖

整個控制模型的功能主要分為3個部分：

(1) 姿態(tài)角指令計算?？刂谱幽KC1根據輸入的載機在慣性坐標系OiXiYiZi下的位置信息以及目標點的位置信息可以計算出目標視軸正確指向目標時所需要轉動的方位角的數值為：

(1)

目標視軸需要轉動的俯仰角為：

θg=arctan{(zb-zd)[(xb-xd)2+

(2)

探測天線的極化角φg一般由用戶設定。由此可以得到目標視軸在慣性坐標系下在方位、俯仰和橫滾方向上對準被跟蹤目標的所設定姿態(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)定內回路和位置跟蹤外回路均采用PID控制方法。同時為了使被控系統具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，采用“滯后-超前”環(huán)節(jié)對內、外控制回路進行校正，如圖3所示。

圖3 “滯后-超前”校正環(huán)節(jié)結構圖

圖中：T1為超前校正的參數，T2為滯后校正的參數，β為校正參數。超前校正通過增加系統帶寬，來改善控制系統的快速性和超調量；滯后校正以控制系統帶寬減小和階躍響應快速性下降為代價，來換取超調量及穩(wěn)定性的改進。“滯后-超前”校正綜合了兩者優(yōu)點，可以使被控制系統的響應速度加快，超調量減小，并較好地抑制了高頻噪聲[9-10]。

基于頻域法設計“滯后-超前”校正環(huán)節(jié)參數的步驟如下：

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

② 確定校正參數β；

③ 先設計滯后校正部分的參數T2；

④ 再根據已經選定的β設計超前部分的參數T1；

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

(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。由安裝在穩(wěn)定平臺基座上的GPS和姿態(tài)陀螺儀得到基座在慣性坐標系OiXiYiZi下的方位、俯仰和橫滾3個方向上的姿態(tài)角的數值(γbi,θbi,φbi)；由光電編碼器測量可以得到目標視軸在載體坐標系ObXbYbZb下的方位、俯仰和橫滾3個方向上的姿態(tài)角數值(γrb,θrb,φrb)。根據天線平臺坐標系OrXrYrZr到載體坐標系的變換矩陣Trb以及載體坐標系到慣性坐標系的變換矩陣Tbi可以求出天線平臺坐標系到慣性坐標系之間的坐標系的變換矩陣，即：

(3)

經過坐標變換運算后，可以得到當前時刻，目標視軸在慣性坐標系下的姿態(tài)角數值(γri,θri,φri)。最后，將其作為位置跟蹤外回路的反饋信號，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)，即當前目標視軸和所設定目標視軸跟蹤線之間的夾角，作為控制系統的輸入以構成閉環(huán)控制。

1.3仿真驗證

以某被跟蹤的目標為固定目標為原點，設置載機按如下的航跡做飛行運動，載機在慣性坐標系下的運動方程為：

(4)

在載機的俯仰和橫滾軸上分別加入幅值為5°，頻率為0.2 Hz的干擾搖擺角運動，在方位軸加入幅值為2°頻率為0.1 Hz的干擾搖擺角運動。仿真時間t設為500 s，并在角位置和角速率反饋信號中加入一定量的模擬實際運行過程中的噪聲干擾信號環(huán)節(jié)。在Matlab中對穩(wěn)定平臺在橫滾，俯仰和方位3個方向上的跟蹤誤差輸出進行仿真，并截取運行穩(wěn)定后100～200 s內的輸出值曲線，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 目標視軸在3個方向上跟蹤誤差仿真曲線

根據仿真結果，當穩(wěn)定平臺隨載機一同運動時，并受到干擾角運動的作用時，目標視軸在方位，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)定平臺跟蹤誤差小于±0.5°的要求。

2 嵌入式系統設計

2.1嵌入式計算機模塊

嵌入式計算機模塊是整個控制系統的核心，采用基于80×86架構的32 bit微處理器，內置高性能的浮點運算單元，符合ANSI/IEEE 754標準[11]，適合于穩(wěn)定平臺中各坐標系之間轉換的高速運算。CPU板上集成了ADC、DAC、實時時鐘、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。便于嵌入式計算機實時采集各類傳感器的反饋數據，并輸出命令至伺服放大器。以嵌入式計算機模塊為核心的功能結構如圖5所示。

圖5 嵌入式計算機功能結構圖

2.2電子控制器

電子控制器中包含了嵌入式計算機、擴展接口、光電編碼器信號調理電路、伺服放大器和電源轉換器等設備。由于體積所限，電子控制器放置在由鋁合金材質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備箱[12]中，如圖6所示。

圖6 電子控制器實物及組成結構圖

2.3光電編碼器及調理電路

采用LFA-500A-18000型高精度增量式光電編碼器，分別測量方位、俯仰和橫滾3個軸系的角位置值。測角信號采用差分信號方式輸出[13]，經差分接收芯片MC3486轉換為單端信號。隨后輸入調理電路的CPLD內，經倍頻判向、計數器、數據接口和控制邏輯等內部電路處理后得到24位二進制格式的角位置值；最后由嵌入式計算機模塊通過3組24位數字量輸入接口，依次讀入各軸系的光電編碼器調理信號，經標度轉換和運算處理后，得到3個軸系的實時角位置反饋值，構成角位置回路的閉環(huán)控制。

2.4GPS接收機

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。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)測量結果，輸出測量值的更新頻率為10 Hz[14]。GPS接收機安裝在平臺基座上與載機保持固連，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通過GPS接收機可獲得載機在慣性坐標系下的實時位置信息，包括：經度、緯度和高度等數據。

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，功耗低，信號穩(wěn)定，耐沖擊震動，具有較寬的動態(tài)范圍[15]。VG400CD采用27 V直流電源供電，通過RS-232串口以9 600 bit/s的波特率與嵌入式控制計算機進行串行通信。垂直光纖陀螺安裝在被穩(wěn)定平面上，用來測量被穩(wěn)定平面在3個軸系方向上相對于慣性空間運動的角速率，作為反饋信號以構成角速率回路的閉環(huán)控制。

2.6機體航姿傳感器

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

3 控制系統軟件設計

穩(wěn)定平臺的控制軟件采用模塊化設計方法，由主控制程序、實時處理循環(huán)子程序、串行通信子程序和地面測控計算機軟件4個部分組成。

3.1主控制程序

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

3.2實時處理循環(huán)子程序

實時循環(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，包括：各軸系的光電編碼器的角位置數值、被穩(wěn)定平面上所安裝的角速率陀螺信號、GPS接收機的輸出位置信息、機體航姿傳感器姿態(tài)角信息等；控制穩(wěn)定平臺按照給定的工作方式運行；根據坐標系變換實時計算出在各種工作方式下的實際天線視軸指向與被跟蹤目標位置之間的偏移量；完成角速率穩(wěn)定回路和角位置跟蹤回路的校正運算；經過DA信號轉換后輸出到伺服功率放大器。實時循環(huán)處理子程序的流程如圖8所示。

圖7 控制系統主程序流程圖

圖8 實時循環(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中配置的多個串口與不同的外部傳感器設備進行通信，實時傳輸載機和穩(wěn)定平臺的姿態(tài)位置數據，包括：與垂直光纖陀螺、機體航姿傳感器、GPS接收機，并通過無線電載波方式與地面測控計算機交換命令和數據等信息。采用自定義通信規(guī)約，規(guī)約內包含當前的姿態(tài)、位置和空速等信息。每個數據包采用14個字節(jié)的定長幀結構，分為兩幀，每個幀的組成結構和具體含義如表1和表2所示。

表1 數據包第1幀組成結構

表2 數據包第2幀組成結構

3.4地面測控計算機軟件

地面測控計算機軟件由微軟公司標準可視化開發(fā)工具Visual Studio2008開發(fā)，運行在Windows XP操作系統下，以圖形和數據的方式實時顯示當前的載機姿態(tài)和穩(wěn)定平臺的運動狀態(tài)、位置、速度、姿態(tài)和空中/地面的目標坐標值。軟件中集成了地平儀控件(GMS Aircraft Instruments ActiveX Control)，可以設置并實時模擬顯示載機在俯仰、橫滾和航向角上的飛行姿態(tài)；使用地圖控件(Map Control)，實時顯示載機的飛行航跡。軟件界面如圖9所示。

圖9 地面測控計算機軟件界面圖

軟件的功能主要分為遙控和遙測。遙控的功能主要有：① 選擇并設定穩(wěn)定平臺的控制模式。② 設定被跟蹤的地面目標或者空中目標的位置信息，包括：經度、緯度和高度值，并設置天線的極化角。③ 當平臺工作在固定姿態(tài)模式下時，設置穩(wěn)定平臺的橫滾、俯仰和方位軸的固定姿態(tài)角度。遙測的功能主要有：① 實時顯示天線指令、實際姿態(tài)、轉臺指令、轉臺反饋和轉臺速率等指示穩(wěn)定平臺當前工作狀態(tài)的參量。② 顯示載機當前的橫滾、俯仰和方位角姿態(tài)信息和緯度、經度和高度位置信息。③ 以圖形方式實時顯示穩(wěn)定平臺當前的轉動角度值；④ 利用地平儀控件和地圖控件顯示載機在橫滾、俯仰和航向上的姿態(tài)，并顯示載機的飛行軌跡曲線。⑤ 當工作于地面搖桿操控控制模式下時，實時顯示穩(wěn)定平臺在橫滾、俯仰和方位3個軸系上的角速率數值。

4 目標跟蹤誤差驗證試驗

在穩(wěn)定平臺實際工作的現場環(huán)境中對穩(wěn)定平臺目標跟蹤誤差進行驗證，如圖10所示。

圖10 現場試驗圖

試驗方法是在距載機一定距離(例如1、2或5 km)之外，設定某一被跟蹤的目標點，由搖擺機模擬產生10°/s的載機的干擾角運動，耦合到穩(wěn)定平臺的各軸系上，利用地面測控計算機軟件實時地記錄穩(wěn)定平臺目標跟蹤誤差的試驗數據。圖11表示當穩(wěn)定平臺工作在自動跟蹤方式下時，各軸系隔離載機干擾角運動并穩(wěn)定跟蹤距載機5 km外某地面目標的角位置輸出測試數據曲線。

由實驗數據可以得出：當目標視軸穩(wěn)定跟蹤目標時，俯仰軸給定輸出值應為48.982°，實際輸出最大角度誤差值約為-0.211°；橫滾軸給定輸出值應為1.012°，實際輸出最大角度誤差值約為0.311°；方位軸給定輸出值應為-8.231°，實際輸出最大角度誤差值約為0.351°，滿足了目標跟蹤誤差范圍為±0.5°的要求。

(a) 俯仰軸試驗數據曲線

(b) 橫滾軸試驗數據曲線

(c) 方位軸試驗數據曲線

圖11 自動跟蹤5 km外目標各軸系的試驗數據輸出

5 結 論

采用嵌入式計算機作為核心的某型三軸系天線穩(wěn)定平臺控制系統，采用雙回路控制模型，具有結構緊湊，功耗低，高速數據處理的優(yōu)點?，F場試驗測試結果表明控制系統的性能達到了預期的設計要求。對機載型天線穩(wěn)定平臺控制系統的開發(fā)、研制和試驗具有一定的參考意義。

[1] 沈曉洋, 陳洪亮, 劉 昇. 機載陀螺穩(wěn)定平臺控制算法[J]. 電光與控制, 2011, 18(4):46-50.

[2] 趙冠軍, 趙嬪婭. 一種機載穩(wěn)定平臺伺服控制系統的設計與實現[J]. 科學技術與工程, 2010, 10(18):4570-4573.

[3] 馮佳佳, 邱國廷, 安慶勇,等. 慣性穩(wěn)定平臺力矩電機選擇及驅動系統設計[J]. 現代防御技術, 2015, 43(4).

[4] 徐友清, 何云峰, 孫 罡,等. 基于DSP的穩(wěn)定平臺設計[J]. 現代電子技術, 2011, 34(21):157-159.

[5] 劉玉書. 基于ARM的車載穩(wěn)定平臺伺服控制系統的設計[D]. 西安工業(yè)大學, 2015.

[6] 孟海磊, 王志勝. 基于STM32的三軸車載穩(wěn)定跟蹤平臺設計與實現[J]. 火力與指揮控制, 2013(12):164-166.

[7] 楊 睿, 韓 笑, 程桂林, 等. 機載穩(wěn)定平臺伺服系統故障分析及診斷方法研究[J]. 電光與控制, 2017(2):64-68.

[8] 王建宏, 唐得志. 飛行仿真轉臺速率穩(wěn)定回路的H∞模型參考控制設計[J]. 伺服控制, 2012(3):52-57.

[9] 彭樹萍, 李 博, 姜潤強,等. 光電跟蹤系統的雙?？刂芠J]. 光學精密工程, 2016, 24(2):335-342.

[10] 薛樂堂. 車載光電跟瞄系統控制技術研究[D]. 長春：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所), 2016.

[11] Castillo A B. Design of single precision float adder (32-bit numbers) according to IEEE 754 standard using VHDL[J]. UniversitatPolitècnica De Catalunya, 2012.

[12] 蔣 尚, 張利清, 盧 陽. 一種電子機箱的結構設計研究[J]. 電子機械工程, 2016, 32(3).

[13] 王征宇, 章少云. 差分信號的測量方法[J]. 電子與封裝, 2013(1):17-19.

[14] Kuylen L V, Boon F, Simsky A,etal. Attitude determination methods used in the PolaRx2@ multi-antenna GPS receiver[J]. Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, 2005:125-135.

[15] 徐媛媛, 馬小勇. 基于VG400CD-100的微慣性測量組合標定[J]. 機械研究與應用, 2014(1):184-187.

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

南京工程學院校級科研基金項目(QKJA201502)

楊 睿(1982-)，男，江蘇南京人，碩士，實驗師，主要從事穩(wěn)定平臺伺服系統控制技術方面的研究工作。Tel.:18151007390; E-mail: yrnjit@njit.edu.cn