范峰巖

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，山西 太原 030024)

1 概述

車載穩(wěn)定平臺(tái)是加裝于運(yùn)動(dòng)載體上的光電設(shè)備的重要組成部分，它是一個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)，其作用是隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，防止因載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的抖動(dòng)和滾動(dòng)，而丟失目標(biāo)，使光電探測(cè)器件能按預(yù)定的方式搜索目標(biāo)和實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)[1]。

載車的運(yùn)動(dòng)使自動(dòng)平臺(tái)在空間六個(gè)自由度上都有速度和加速度產(chǎn)生，這對(duì)自動(dòng)平臺(tái)的角度測(cè)量和實(shí)時(shí)補(bǔ)償能力提出了非?？量痰囊?。運(yùn)動(dòng)中，車體的側(cè)傾、俯仰和橫擺運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)車載光電設(shè)備(CCD、激光雷達(dá)、夜視儀、觀瞄設(shè)備)的視線造成擾動(dòng)，此時(shí)獲取的外部環(huán)境信息量突變性大，具有不連續(xù)性，必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的姿態(tài)矩陣變換后才能對(duì)其進(jìn)行處理和識(shí)別[2,3]。為了消除上述影響，通常在車體與傳感器之間安裝可有效隔離載體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)視線穩(wěn)定，使傳感器視線在大地坐標(biāo)系中保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)車載傳感器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的可靠、高精度跟蹤與測(cè)量。

2 工作原理

2.1 邏輯關(guān)系

自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)分成三個(gè)部分：控制部分、檢測(cè)部分和執(zhí)行部分。三個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，其相互之間的邏輯關(guān)系見(jiàn)圖1。

控制部分接收外部控制命令和檢測(cè)部分反饋的信號(hào)，向執(zhí)行部分輸出控制信號(hào)，控制器、驅(qū)動(dòng)器屬于此部分。執(zhí)行部分接收控制部分的控制信號(hào)，產(chǎn)生指定的動(dòng)作，電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、絲杠撐腿屬于此部分。檢測(cè)部分測(cè)得傾斜角、位置量等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后向控制部分輸出，傾角傳感器，撐腿中的位置傳感器和壓力傳感器均屬于此部分。

圖1 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)邏輯關(guān)系簡(jiǎn)圖

2.2 支撐方式

如圖2可知，臺(tái)面的支承采用四點(diǎn)支承，1，2，3，4分別表示支腿的編號(hào)。每個(gè)支腿都采用螺旋升降機(jī)及相應(yīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī),經(jīng)由蝸輪蝸桿的傳動(dòng)，讓其電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹊闹本€運(yùn)動(dòng)，從而到達(dá)支腿的上升和下降的目的。這種方式必然會(huì)產(chǎn)生所謂超靜定問(wèn)題，即四支撐腿中會(huì)有一支“虛腿”不受力或受力很小。為解決這個(gè)問(wèn)題，通常采用監(jiān)測(cè)撐腿承重的方法。即在撐腿中加裝壓力傳感器，調(diào)平過(guò)程中不斷比較四支撐腿的受力，調(diào)平完成時(shí)應(yīng)保證各自受力的均衡。

為方便算法設(shè)計(jì)，四支撐腿的安裝應(yīng)形成一個(gè)長(zhǎng)方形，傾角傳感器的兩個(gè)檢測(cè)方向分別與該長(zhǎng)方形的兩條相鄰邊平行。

2.3 調(diào)平過(guò)程

車輛到達(dá)目的地并開(kāi)始架設(shè)后，操作人員接通電源并按下啟動(dòng)按鈕?？刂破魇盏絾?dòng)指令后，首先讀取傾角傳感器的信號(hào)，判斷當(dāng)前平臺(tái)是否滿足水平精度要求。如果不滿足，則判斷四個(gè)撐腿中哪個(gè)最高，然后驅(qū)動(dòng)其它三個(gè)撐腿向其靠近。同時(shí)不斷讀取傾角傳感器信號(hào)，與要求的水平精度進(jìn)行比較。水平精度達(dá)到要求范圍后，調(diào)平停止，撐腿鎖定。設(shè)備工作過(guò)程中，傾角傳感器繼續(xù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)水平，一旦發(fā)現(xiàn)水平丟失，控制器即產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。操作人員可將撐腿解鎖，再次啟動(dòng)調(diào)平過(guò)程，此時(shí)一般經(jīng)過(guò)微調(diào)即可恢復(fù)水平。圖3為自動(dòng)調(diào)平過(guò)程流程圖(假設(shè)撐腿1為最高)。

圖2 調(diào)平系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

圖3 自動(dòng)調(diào)平過(guò)程流程圖

3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)簡(jiǎn)圖4顯示，支腿安裝在臺(tái)面的四角，上端與平臺(tái)臺(tái)面連接，下端支撐在安裝面上，通過(guò)四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)，使得螺旋升降機(jī)上升或者下降。當(dāng)運(yùn)載車到達(dá)指定地點(diǎn)后，通過(guò)消虛腿和調(diào)平策略的控制，使得臺(tái)面滿足設(shè)備的工作條件。每條支腿的組成部分主要是支撐座、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)(含驅(qū)動(dòng)器)、螺旋升降機(jī)、絲杠、底座、限位開(kāi)關(guān)、手動(dòng)轉(zhuǎn)輪等。

根據(jù)設(shè)備的載重、臺(tái)面質(zhì)量等數(shù)據(jù)，支腿的升降裝置選用市場(chǎng)上成熟產(chǎn)品螺旋升降機(jī)，目前的加工設(shè)備和組裝工藝能夠保證該產(chǎn)品具備抗沖擊能力，高強(qiáng)度，低噪音，體積緊湊的特點(diǎn)；以及方案所要求的自鎖性，同步性，精度定位，速度控制，推力控制等性能[3，4]。

圖4 平臺(tái)簡(jiǎn)圖

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力開(kāi)始從底座的旋轉(zhuǎn)軸輸入，此時(shí)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)內(nèi)部的蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿驅(qū)動(dòng)具有齒輪的蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿配合具有減速功能，增大了旋轉(zhuǎn)力矩。蝸輪旋轉(zhuǎn)后，接著跟蝸輪同軸的絲杠也就一起旋轉(zhuǎn)，絲杠外部配有旋轉(zhuǎn)螺母，如果此時(shí)限制螺母位置，使其不能旋轉(zhuǎn)，當(dāng)絲杠被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母便會(huì)在絲杠上沿軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)便可以實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的直線升降運(yùn)動(dòng)，從而能為平臺(tái)四條支腿的升降提供強(qiáng)勁推力[5]。

4 平臺(tái)電路設(shè)計(jì)

4.1 控制部分

控制部分包括操控面板、控制器、驅(qū)動(dòng)器、對(duì)外接口等。

操控面板由開(kāi)關(guān)、按鈕、指示報(bào)警裝置、串行通訊口等組成。操作人員操作開(kāi)關(guān)、按鈕發(fā)出指令，指令通過(guò)串行通訊口傳給控制器。指示報(bào)警裝置用于指示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，發(fā)出錯(cuò)誤警示[2]。

控制器由DSP及其外圍電路、輸入輸出接口、電源等組成。輸入輸出接口包括串行通訊口、A/D接口、D/A接口等。DSP通過(guò)串行通訊接口與操控面板和對(duì)外接口通訊；通過(guò)A/D輸入口采集撐腿發(fā)來(lái)的壓力和位置信號(hào)[4]；通過(guò)控制算法計(jì)算撐腿運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)量；通過(guò)D/A接口向驅(qū)動(dòng)發(fā)出模擬控制信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)器由DSP控制模塊、輸入接口、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、電源等組成。DSP控制模塊通過(guò)輸入接口接收控制器送來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)采樣電路采集電機(jī)狀態(tài)信號(hào)，通過(guò)特定的控制算法計(jì)算控制量并向驅(qū)動(dòng)電路輸出[2]。驅(qū)動(dòng)電路將輸入的交流電進(jìn)行逆變，根據(jù)控制模塊的控制信號(hào)，將需要的控制量向電機(jī)輸出。

4.2 執(zhí)行部分

執(zhí)行部分包括電機(jī)帶減速器、螺旋升降機(jī)、撐腿。

電機(jī)和減速器在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生需要的力矩和轉(zhuǎn)速。

撐腿是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行終端，包括螺旋升降機(jī)、螺母、絲杠、球頭支座等。螺旋升降機(jī)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換直線升降運(yùn)動(dòng)。球頭支座可以適應(yīng)撐腿在升降過(guò)程中的角度變化。

4.3 檢測(cè)部分

檢測(cè)部分包括雙軸傾角傳感器、撐腿中的壓力傳感器和位置傳感器。

傾角傳感器安裝在平臺(tái)之上，可以同時(shí)檢測(cè)橫軸和縱軸兩個(gè)相互垂直的方向上的平臺(tái)傾斜角度，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。壓力傳感器檢測(cè)撐腿所受壓力，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出[1，4]。位置傳感器檢測(cè)撐腿螺桿位置并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

5 軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是指控制器中DSP的編程，自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)軟件主要完成接收、處理操控面板、上位機(jī)(或遙控器)的指令，采集傾角傳感器、壓力傳感器、位置傳感器等的信號(hào)，根據(jù)控制算法計(jì)算輸出控制量，監(jiān)控系統(tǒng)各部分狀態(tài)，處理各種意外情況和故障等任務(wù)[5]。

5.1 初始化模塊

系統(tǒng)上電后，首先應(yīng)檢測(cè)并初始化各個(gè)組成部分的狀態(tài)，確保隨后調(diào)平任務(wù)的順利進(jìn)行。具體內(nèi)容包括：讀取各傳感器信號(hào)，與操控面板、對(duì)外接口交換數(shù)據(jù)，通過(guò)D/A接口向執(zhí)行部分送“零”信號(hào)(使執(zhí)行部分靜止)[4]。如果接收到的數(shù)據(jù)有誤，還應(yīng)向故障處理模塊發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告。

5.2 串行通訊模塊

通過(guò)DSP本身的串行通訊接口接收操控面板和對(duì)外接口的數(shù)據(jù)，并將其傳送給其它模塊。具體內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)發(fā)送等。

5.3 信號(hào)采集模塊

通過(guò)DSP的A/D輸入接口采集各傳感器的信號(hào)，將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值后傳送給其它模塊。具體包括數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

5.4 控制計(jì)算模塊

控制算法可采用數(shù)字PID控制器，這種算法可以很好地協(xié)調(diào)精度和穩(wěn)定性之間的矛盾。自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)要求快速、平穩(wěn)和精確地到達(dá)指定位置，這樣在大幅度位置增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算積分積累，致使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)的較大超調(diào)，甚至引起振蕩[3，5]。為此應(yīng)采用積分分離控制算法，即：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大，且為增速過(guò)程時(shí)，取消積分控制，直接控制系統(tǒng)以最大加速度運(yùn)轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)速；當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大，且為減速過(guò)程時(shí)，取消積分控制，直接控制系統(tǒng)以最大減速度運(yùn)轉(zhuǎn)到偏差設(shè)定值；當(dāng)偏差在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，采用數(shù)字PID控制，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性和精確性[3]。

5.5 故障處理模塊

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生一些無(wú)法預(yù)料的事故，比如：水平丟失，器件故障，人工誤操作等，一個(gè)合格的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)應(yīng)該能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)和處理這些事故。也就是說(shuō)，調(diào)平完成后，雖然撐腿鎖定，執(zhí)行部分不再運(yùn)動(dòng)，但控制部分必須繼續(xù)工作，定時(shí)向其它各部分發(fā)送監(jiān)測(cè)命令，采集并處理各部分反饋的數(shù)據(jù)，判斷是否發(fā)生故障，以及故障的位置，并通過(guò)操控面板向操作人員報(bào)警。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn),該穩(wěn)定平臺(tái)滿足設(shè)計(jì)要求,并且較好地解決了調(diào)平過(guò)程中的鎖定、虛腿,大大提高了車載光電設(shè)備的穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性。平臺(tái)四條的支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和聯(lián)接方式是保證平臺(tái)工作性能優(yōu)良的重要因素，需要分析支腿的受力情況以及形變規(guī)律，通過(guò)提高傳動(dòng)軸系精度和裝配工藝，為平臺(tái)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供方向。