摘要：由于穩(wěn)像系統(tǒng)一般都只考慮隔離載體的角運(yùn)動(dòng),因此穩(wěn)像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的伺服控制方法。本文重點(diǎn)論述了車輛電子綜合系統(tǒng)中車長(zhǎng)周視指揮鏡的伺服控制設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)車載穩(wěn)定平臺(tái)各部件的組成分析，得出影響穩(wěn)像平臺(tái)穩(wěn)定的幾個(gè)重要因素。并進(jìn)行校正設(shè)計(jì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述校正的可行性,完成了對(duì)車載穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺(tái);角運(yùn)動(dòng);伺服控制;位置控制

中途分類號(hào)：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

0引言

隨著光電監(jiān)視、跟蹤、偵察系統(tǒng)使用要求的不斷提高,對(duì)光學(xué)圖像的穩(wěn)定要求也日趨嚴(yán)格。圖像不穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)是瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光軸與目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),包括平移和角運(yùn)動(dòng)。

圖像不穩(wěn)定會(huì)使觀察者產(chǎn)生疲勞感,繼而容易導(dǎo)致誤判和漏判；對(duì)于目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)跟蹤誤差增大,降低跟蹤目標(biāo)的能力。造成瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光軸與目標(biāo)之間的角運(yùn)動(dòng)有兩種情況:一種是目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)原因是載體的運(yùn)動(dòng)。通常瞄準(zhǔn)時(shí)目標(biāo)距離較遠(yuǎn),因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而造成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較少；然而理論上載體自身的運(yùn)動(dòng)是以1:l的比例傳遞給系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線,其造成的相對(duì)角速度很大。兩者相比，第一個(gè)因素可以忽略，所以，穩(wěn)像系統(tǒng)一般都只考慮隔離載體角運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在使用的方法主要有光學(xué)的方法、光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的穩(wěn)定平臺(tái)主動(dòng)補(bǔ)償方法以及電子學(xué)穩(wěn)像的方法。

穩(wěn)定圖像的方式，大致可分為被動(dòng)穩(wěn)定和主動(dòng)穩(wěn)定。被動(dòng)穩(wěn)定的方法主要使用彈簧、阻尼系統(tǒng)，可以有效衰減高頻振動(dòng)。主動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)主要是應(yīng)用車載技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)定控制，用于消除出低頻運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的影響。在相當(dāng)程度上來(lái)說(shuō)，圖像穩(wěn)定技術(shù)就是要隔離外部對(duì)成像系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的擾動(dòng)。最直接的方法是將其架設(shè)在減震裝置上，如無(wú)角位移減震器，但是其缺點(diǎn)是減震器只能隔離載體的高頻低幅振動(dòng)，并且經(jīng)過(guò)減振以后的窄帶隨機(jī)振動(dòng)都在系統(tǒng)的固有頻率附近，若諧振煩率在系統(tǒng)帶寬之內(nèi)將使圖像產(chǎn)生抖動(dòng),所以必須提高系統(tǒng)的剛度保證系統(tǒng)諧振頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的帶寬，觀察系統(tǒng)中的低頻振動(dòng)會(huì)使圖像隨之顫動(dòng)，解決的方法是采用光學(xué)穩(wěn)定或電子學(xué)圖像處理穩(wěn)定的方法。

1車載穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)組成

穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)按照穩(wěn)定軸的數(shù)量可以分為單軸、雙軸、和三軸穩(wěn)定平臺(tái)按照穩(wěn)定的方式分為平臺(tái)式穩(wěn)定、反射鏡穩(wěn)定系統(tǒng)和有兩者組成的兩級(jí)穩(wěn)定系統(tǒng)。

一級(jí)穩(wěn)定得到了廣泛的應(yīng)用,它是采用一個(gè)環(huán)架系統(tǒng)作為光電傳感器的光學(xué)平臺(tái)，在平臺(tái)上放置車載來(lái)測(cè)量平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),車載敏感姿態(tài)角的變化經(jīng)過(guò)放大以后驅(qū)動(dòng)環(huán)架的力矩電機(jī)，通過(guò)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)使光電傳感器保持穩(wěn)定。由于一級(jí)穩(wěn)定兩軸穩(wěn)定平臺(tái)固有的原理誤差，它不可能完全隔離載體的擾動(dòng)力矩，導(dǎo)致瞄準(zhǔn)線圍繞著光軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)會(huì)對(duì)像質(zhì)造成嚴(yán)重影響。要完全隔離須采用三軸的車載穩(wěn)定平臺(tái)或采用兩軸四環(huán)的穩(wěn)定平臺(tái)，這兩種方法在原理上可以完全隔離載體的擾動(dòng)。兩軸、三軸穩(wěn)定技術(shù)在各國(guó)的機(jī)載偵察設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用,在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭中一般采用兩軸穩(wěn)定，如美國(guó)的幼畜戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，也有為進(jìn)一步提高精度而采用三軸穩(wěn)定的。本文采用的是兩軸一級(jí)整體穩(wěn)定方式。

車載穩(wěn)定平臺(tái)方位環(huán)的穩(wěn)定由方位穩(wěn)定回路來(lái)完成，回路由下列部件構(gòu)成：

(l)敏感元件—車載儀;

(2)伺服電子線路—由濾波器、校正網(wǎng)絡(luò)、PWM驅(qū)動(dòng)電路等組成;

(3)執(zhí)行對(duì)象元件—直流力矩電機(jī);

(4)控制對(duì)象—穩(wěn)定平臺(tái)。

車載穩(wěn)定平臺(tái)俯仰環(huán)的穩(wěn)定也是由以上四部分組成。穩(wěn)定平臺(tái)一般為兩個(gè)或三個(gè)穩(wěn)定回路,每個(gè)穩(wěn)定回路只有在解耦之后方能視為各自獨(dú)立的穩(wěn)定回路。

2車載穩(wěn)定平臺(tái)方位軸分析校正

在機(jī)載、彈載的車載穩(wěn)定平臺(tái)中,外部的干擾是不可避免的。這些干擾或是不可測(cè)的或是隨機(jī)的,這些干擾使跟瞄、定位系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度和瞄精度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能變差。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)我們可以用超前滯后或PID校正控制規(guī)律設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償器來(lái)抵消干擾升系統(tǒng)的影響。一級(jí)穩(wěn)定的車載穩(wěn)定平臺(tái)的速率環(huán)一般采用超前滯后校正的方法消除外部的干擾。

方位穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)干擾的作用可看成是力平衡系統(tǒng)。對(duì)控制作用可看成是角速度跟蹤系統(tǒng),通常采用經(jīng)典控制理論來(lái)設(shè)計(jì)校正函數(shù)。一般在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常的步驟是先考慮采月超前校正，使系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求和動(dòng)態(tài)精度要求，再考慮引入滯后效正，以滿足系統(tǒng)靜態(tài)力矩剛度軍求，并且要不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

測(cè)試車載穩(wěn)定平臺(tái)的開(kāi)環(huán)幅頻特性，測(cè)試時(shí)所用的輸入信號(hào)為：

由系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)幅頻特性可見(jiàn)系統(tǒng)在300rad/sec附近有一個(gè)較大的諧振峰，在對(duì)系統(tǒng)做校正的實(shí)驗(yàn)中又發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在30rad/sec，60rad/sec及148rad/sec附近還有幾個(gè)小的諧振峰；這些諧振峰的存在對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)性能起著重要的制約作用。

由系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)幅頻特性可知系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

當(dāng)考慮系統(tǒng)采用低通濾波器濾波、陷波器濾除系統(tǒng)的諧振，則系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1車載穩(wěn)定平臺(tái)的控制系統(tǒng)框圖

車載所能夠敏感的最小速度為Vmin=0.007°/s,因此它限制了系統(tǒng)所能夠敏感的最小速度為:

Vmin=0.007°/s

實(shí)驗(yàn)測(cè)得電機(jī)的啟動(dòng)電壓為:

U=3V

車載的輸出斜率為:

kg=100mV/(1°/s)

系統(tǒng)速率環(huán)的反饋系數(shù)為:

β=0.9

功率級(jí)調(diào)寬波的增益為:

KPWM=5.4

因此可以計(jì)算出系統(tǒng)所需要的最小校正放大倍數(shù)為:

根據(jù)隔離度為1%時(shí)要求系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為100，則系統(tǒng)的期望開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為4Odb。校正后的系統(tǒng)幅頻特性如圖2所示。

圖2校正后的系統(tǒng)幅頻特性

3邏輯控制電路

在車載穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)中,穩(wěn)像時(shí)我們將車載工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài),但是車載在開(kāi)機(jī)狀態(tài)時(shí),要求其自身閉環(huán),因此我們?cè)O(shè)計(jì)了如下電路。

方位由于是n*360°旋轉(zhuǎn),穩(wěn)像時(shí)車載開(kāi)壞。當(dāng)穩(wěn)像電源打開(kāi)時(shí),穩(wěn)像電源同時(shí)控制繼電器來(lái)使車載方位軸開(kāi)環(huán),并且將方位加矩信號(hào)加到車載方位力矩器高端。

俯仰軸由于工作在-10°--45°范圍內(nèi),有上、下限位控制。穩(wěn)像工作時(shí),車載的俯仰軸與方位工作方式一樣。因此,當(dāng)反射鏡運(yùn)動(dòng)到上限位時(shí),上限位開(kāi)關(guān)閉合,同時(shí)控制繼電器將俯仰加矩信號(hào)的正電壓切斷,只允許俯仰加矩信號(hào)的負(fù)電壓通過(guò)。這同時(shí)為了保證在限位時(shí)的系統(tǒng)的可靠性,在上限位時(shí),繼電器的另一繞組控制車載俯仰軸的開(kāi)閉環(huán),它使俯仰的力矩器高端和俯仰力反饋在正方向閉合。同樣,在下限位時(shí)的工作方式與上限位一樣。

4傳感器的選擇

在車載穩(wěn)定平臺(tái)中，撓性速率車載的應(yīng)用是比較少的。穩(wěn)定軸上的常值干擾力矩會(huì)引起穩(wěn)定裝置的角速率漂移是速率車載穩(wěn)定裝置的重要特點(diǎn)。因此在選擇速率車載的時(shí)候，要求其漂移應(yīng)該近可能的小，零位噪聲盡量低，重復(fù)性要好。速率陀螺的分辨率表征了車載儀敏感平臺(tái)的微小變化(角位移)的的能力，它將影響到平臺(tái)的穩(wěn)定精度，選擇車載儀時(shí)必須保證其分辨率滿足要求。從光學(xué)結(jié)構(gòu)上考慮也要求車載的重量輕、體積小，并且選擇兩自由度的撓性車載，以便安裝和修正。

本伺服系統(tǒng)使用的速率車載具有體積輕、重量輕，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和綜合性能指標(biāo)較高等優(yōu)點(diǎn)。其主要的指標(biāo)如下:

靈敏度：小于等于0.007°/s；

力矩器低端輸出標(biāo)度因數(shù)：65mv士7mv；

測(cè)速范圍：0°/s—士80°/s；

綜合誤差小于：0.5%（F•S）；

交叉輸出小于：0.5%；

開(kāi)環(huán)帶寬：80Hz；

表頭重量：259g。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所用的撓性車載輸出噪聲較大，解調(diào)輸出端噪聲有效值小于等于20mv，陷波輸出直流零位電壓小于等于200mv。而且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)車載輸出噪聲過(guò)大是影響控制系統(tǒng)性能的一個(gè)重要因素。在以后的實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)中有必要采取一定的措施來(lái)抑制車載噪聲，采取的方法可以考慮采用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的提取信號(hào)，或采用Kalmna濾波的方法建立的數(shù)學(xué)模型，或采用近似非線形濾波技術(shù)辨識(shí)漂移模型，還有研究用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)的方法補(bǔ)償車載漂移。另外，車載的靈敏閥值對(duì)系統(tǒng)誤差的影響無(wú)法克服，只能采用性能更好的車載減少這項(xiàng)誤差。撓性車載的受沖擊能力不行，在x、Y軸兩個(gè)方向的耐沖擊有8g，6ms。

5結(jié)論

實(shí)驗(yàn)所用車載穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)械諧振頻率過(guò)低在一定的程度上限制了系統(tǒng)的帶寬和伺服性能的提高，引進(jìn)高階校正方法對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定精度的提高具有重要的意義，采用高階校正算法校正后的系統(tǒng)在高頻段和低頻段的性能都有了很好的改善。在系統(tǒng)的帶寬雖然沒(méi)有明顯的提高，但是系統(tǒng)的響應(yīng)能力有很大提高。

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