薛慶全,彭 惠,郄曉斌,余勝義
(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京,100076)
導(dǎo)引頭是現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,其主要功能是利用一定外界信息完成對目標(biāo)的搜索、識別和跟蹤[1],并為導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)提供相應(yīng)的控制信息(視線角、角速度等),實現(xiàn)自主導(dǎo)引,直至命中目標(biāo)。在實施過程中,導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺部分主要起搜索、穩(wěn)像以及跟蹤作用,它實時接收目標(biāo)角偏移量參數(shù),并利用陀螺儀測量平臺的角速度,對多源傳感器信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后解算出平臺伺服控制參數(shù),并對其進(jìn)行實時控制。使視軸保持空間穩(wěn)定或相對目標(biāo)穩(wěn)定,從而抑制因彈體抖動而造成的圖像虛影、跟蹤失穩(wěn)等不利影響[2]。隔離度是評價導(dǎo)引頭隔離彈體擾動的一項重要指標(biāo),其值越小表明對彈體擾動隔離能力越強(qiáng),系統(tǒng)性能越好[3-5]。
導(dǎo)引頭穩(wěn)像平臺分為平臺體與電氣單元兩部分,如圖1所示。
圖1 穩(wěn)像平臺系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of image stabilization platform system
平臺體主要由框架結(jié)構(gòu)體、力矩電機(jī)、角度傳感器、三軸陀螺儀及攝像頭構(gòu)成,電氣單元主要由控制電路板、角度信號采集板以及二次電源板等組成。導(dǎo)引穩(wěn)定平臺通過串口與中央處理單元通信,接收中央處理單元指令,并通過串口向圖像處理單元轉(zhuǎn)發(fā)中央處理單元指令。
平臺體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,采用雙環(huán)框架結(jié)構(gòu)形式,攝像頭與內(nèi)環(huán)軸固聯(lián),后端固定三軸陀螺測量攝像頭相對慣性空間的角運動,內(nèi)環(huán)為方位軸,外環(huán)為俯仰軸,構(gòu)建雙軸視線穩(wěn)定平臺,隔離彈體的角運動對攝像頭的視線指向的擾動。
圖2 平臺體結(jié)構(gòu)Fig.2 Platform structure
穩(wěn)像平臺系統(tǒng)正常工作模式為搜索和跟蹤。穩(wěn)像平臺處于搜索模式時,系統(tǒng)接收中央處理單元發(fā)送的搜索指令及搜索角信息,以搜索角為控制量,以角度傳感器測量的電機(jī)角度為反饋量,通過控制算法控制電機(jī)快速轉(zhuǎn)動到目標(biāo)點。當(dāng)穩(wěn)像平臺處于跟蹤模式時,系統(tǒng)接收中央處理單元發(fā)送的跟蹤指令,并以圖像處理單元實時發(fā)送的脫靶量信息為控制量,以三軸陀螺儀測量的角速度信息為反饋量,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,達(dá)到攝像頭視軸快速跟蹤目標(biāo)的目的。搜索角是相對于框架坐標(biāo)系的絕對角度,脫靶量是在攝像頭坐標(biāo)系下跟蹤目標(biāo)與圖像中心的偏差,以像素為單位,須通過一定的坐標(biāo)變換后才能引入到控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)角度傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器,三軸陀螺儀采用MEMS陀螺??刂葡到y(tǒng)分為位置控制環(huán)和速度穩(wěn)定控制環(huán),實現(xiàn)對電機(jī)運行位移、速度的控制??傮w控制系統(tǒng)原理如圖3所示。
圖3 總體控制系統(tǒng)原理Fig.3 Overall control system principle
以MEMS陀螺儀為傳感器構(gòu)成的速度環(huán)的主要作用是抑制彈體抖動引起的擾動,使穩(wěn)定平臺內(nèi)框架視軸相對目標(biāo)保持穩(wěn)定,同時在跟蹤工作模式下補(bǔ)償干擾引起的非線性誤差,增強(qiáng)系統(tǒng)剛度,抑制負(fù)載等狀態(tài)變化造成的影響。位置環(huán)主要實現(xiàn)對目標(biāo)脫靶量信息的快速響應(yīng)。由旋轉(zhuǎn)變壓器測量的框架角度為反饋量,根據(jù)系統(tǒng)特性設(shè)計位置控制器,改善頻率響應(yīng)特性,達(dá)到系統(tǒng)要求的跟蹤速度性能。
為抑制穩(wěn)像平臺因?qū)Ь€等因素引起的干擾力矩影響,控制系統(tǒng)中增加狀態(tài)觀測器ESO環(huán)節(jié),實時對干擾進(jìn)行估計,通過選擇合適的參數(shù),降低干擾力矩的影響,提高穩(wěn)像平臺的精度。
本文采用位置環(huán)和速度穩(wěn)定環(huán)相結(jié)合的雙環(huán)控制思路。位置環(huán)采用PⅠD/Kvff/Kaff復(fù)合控制算法,速度環(huán)采用PⅠ和狀態(tài)觀測器ESO 復(fù)合控制算法,控制器原理如圖4所示。
圖4 數(shù)字控制器原理Fig.4 Principles of digital controllers
根據(jù)系統(tǒng)特性調(diào)節(jié)參數(shù),速度環(huán)和位置環(huán)控制精度滿足系統(tǒng)跟蹤精度要求。
位置環(huán)數(shù)字伺服控制器輸出為
式中En為第n個采樣時刻給定位置與旋轉(zhuǎn)變壓器測量框架實際位置的偏差;VL,fL分別為目標(biāo)速度、目標(biāo)加速度;KP,Ki,Kd,Kvff,Kaff分別為位置控制器各環(huán)節(jié)增益。速度穩(wěn)定環(huán)采用PⅠ控制,控制輸出為
MEMS陀螺儀測量的角速度信號中混雜了各種干擾噪聲,同時數(shù)據(jù)采集時的高頻干擾超出系統(tǒng)正常動態(tài)特性的頻率范圍,造成采樣數(shù)據(jù)的抖動,使得傳感器精度無法達(dá)到最優(yōu)。在前端采用FⅠR數(shù)字低通濾波器對輸入信號進(jìn)行預(yù)處理,在高頻段對角速度測量噪聲具有很好的抑制作用。
通過前述設(shè)計對穩(wěn)像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真軟件建模仿真。在不同頻率和幅值的正弦信號激勵的條件下,對穩(wěn)像平臺控制策略效果進(jìn)行仿真驗證。俯仰軸框架和方位軸框架控制模型一致,在此以方位軸為例進(jìn)行仿真驗證。設(shè)定角度采樣噪聲為均值為零、幅值為0.03°的白噪聲,角速率采樣噪聲為均值為零、幅值為20 (°)/h的白噪聲信號,系統(tǒng)采樣計算周期為1 ms,仿真時間5 s。輸入的正弦激勵分別為2.5 Hz/±1.5°;1.5 Hz/±2.5°; 0.5 Hz/±5°。相應(yīng)的位置跟蹤曲線如圖5~7所示。
圖5 0.5 Hz/±5°位置跟蹤曲線Fig.5 0.5 Hz/±5° position tracking curve
圖6 1.5 Hz/±2.5°位置跟蹤曲線Fig.6 1.5 Hz/±2.5° position tracking curve
圖7 2.5 Hz/±1.5°位置跟蹤曲線Fig.7 2.5 Hz/±1.5° position tracking curve
將雙軸穩(wěn)像平臺系統(tǒng)安裝在單軸速率臺上,在跟蹤狀態(tài)下工作,進(jìn)行隔離度測試,進(jìn)一步驗證穩(wěn)像平臺控制策略的有效性。以航向軸隔離度測試為例進(jìn)行說明。首先將方位軸垂直于安裝面,測試方位軸隔離度,使速率臺體在典型工況條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)動。要求轉(zhuǎn)臺分別按照0.5 Hz/±5°、1.5 Hz/±2.5°、2.5 Hz/±1.5°的正弦波轉(zhuǎn)動,穩(wěn)像平臺隔離度不大于2.5%。實測穩(wěn)像平臺航向框架角輸出如圖8~10所示。
圖8 0.5 Hz/±5°框架角輸出Fig.8 0.5 Hz/±5° frame angle output
圖9 2.5 Hz/±1.5°框架角輸出Fig.9 2.5 Hz/±1.5° frame angle output
圖10 1.5 Hz/±2.5°框架角輸出Fig.10 1.5 Hz/±2.5° frame angle output
取轉(zhuǎn)臺輸出穩(wěn)定之后的數(shù)據(jù)利用數(shù)字仿真軟件平臺計算隔離度。隔離度按照公式(3)[6]計算:
式中λ1,λ2為一個周期的波峰值和波谷值;A為轉(zhuǎn)臺驅(qū)動正弦波的幅值。穩(wěn)像平臺在不同頻率和幅值的正弦波干擾下,其對應(yīng)隔離度分布如圖11~13所示。
圖11 2.5 Hz/±1.5°隔離度分布Fig.11 2.5 Hz/±1.5° isolation distribution
圖12 1.5 Hz/±2.5°隔離度分布Fig.12 1.5 Hz/±2.5° isolation distribution
圖13 0.5 Hz/±5°隔離度分布Fig.13 0.5 Hz/±5° isolation distribution
由圖11~13 可知,導(dǎo)引頭穩(wěn)像平臺系統(tǒng)隔離度均優(yōu)于1.8%,滿足實際工作條件需求,驗證了該系統(tǒng)的控制策略是有效的。
本文設(shè)計了一種基于MEMS陀螺和旋轉(zhuǎn)變壓器的雙軸導(dǎo)引頭穩(wěn)像平臺系統(tǒng),并提出了一種“PⅠD+前饋+ESO”的控制策略,通過數(shù)字仿真軟件驗證以及性能測試,在不同工況條件下隔離度均優(yōu)于1.8%,穩(wěn)像平臺系統(tǒng)主要性能指標(biāo)均滿足總體要求。