光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)綜合控制器子系統(tǒng)伺服設(shè)計(jì)報(bào)告

目次1設(shè)計(jì)依據(jù)12設(shè)計(jì)要求121功能要求122技術(shù)指標(biāo)1221跟蹤方式1222角跟蹤范圍1223跟蹤速度和加速度2224跟蹤精度和過渡過程2225記憶跟蹤223使用要求2231環(huán)境適應(yīng)性2232可靠性指標(biāo)2233維修性2234電磁兼容性33系統(tǒng)工作原理及組成331綜合控制器工作原理3311太陽(yáng)角規(guī)避功能5312跟蹤方式切換5313限位保護(hù)功能5314自檢功能532綜合控制器硬件組成5321DSP控制卡6323功率級(jí)10324電機(jī)參數(shù)1033接口設(shè)計(jì)114伺服控制參數(shù)設(shè)計(jì)1141系統(tǒng)的品質(zhì)要求1242速度回路設(shè)計(jì)1243位置回路設(shè)計(jì)13431半自動(dòng)跟蹤13432數(shù)字引導(dǎo)跟蹤14433電視自動(dòng)跟蹤1544融合跟蹤設(shè)計(jì)16441時(shí)間同步和量綱對(duì)準(zhǔn)17442數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)17443狀態(tài)估計(jì)1845記憶跟蹤設(shè)計(jì)2046目標(biāo)捕獲設(shè)計(jì)215軟件設(shè)計(jì)226可靠性設(shè)計(jì)2561可靠性模型2562可靠性設(shè)計(jì)257維修性設(shè)計(jì)261設(shè)計(jì)依據(jù)依據(jù)光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)綜合控制器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書。2設(shè)計(jì)要求21功能要求A具有單桿半自動(dòng)跟蹤、電視自動(dòng)跟蹤、數(shù)字引導(dǎo)跟蹤功能；B跟蹤方式可平滑轉(zhuǎn)換功能；C數(shù)字通訊功能；D記憶跟蹤功能；E保護(hù)功能；F太陽(yáng)角規(guī)避功能。22技術(shù)指標(biāo)221跟蹤方式A半自動(dòng)跟蹤具有機(jī)下單桿半自動(dòng)跟蹤功能，單桿歸零后經(jīng)緯儀無(wú)爬行；B數(shù)引跟蹤能夠接收主控計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)信息，完成機(jī)載GPS引導(dǎo)、雷達(dá)引導(dǎo)、定點(diǎn)引導(dǎo)、互引導(dǎo)等跟蹤功能；C自動(dòng)跟蹤能夠完成兩個(gè)可見光電視、兩個(gè)紅外系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤功能，跟蹤穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)待機(jī)采用凝視狀態(tài)等待目標(biāo)，一旦目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕獲。D各種跟蹤方式平穩(wěn)切換跟據(jù)需要手動(dòng)切換跟蹤方式，或根據(jù)事先約定的優(yōu)先級(jí)完成數(shù)引跟蹤、電視自動(dòng)跟蹤、紅外自動(dòng)跟蹤等方式的自動(dòng)切換，并實(shí)現(xiàn)各種跟蹤方式下滿足切換條件的平穩(wěn)切換。222角跟蹤范圍高低角5185；方位角無(wú)限制。223跟蹤速度和加速度保精度角速度0005/S40/S；最大角速度60/S；保精度角加速度0/S220/S2；最大角加速度100/S2。224跟蹤精度和過渡過程在保精度工作角速度和角加速度條件下，電視/紅外自動(dòng)、程序引導(dǎo)跟蹤誤差最大值不大于3，電視隨機(jī)誤差均方根值不大于20，紅外隨機(jī)誤差均方根值不大于30。階躍信號(hào)輸入在線性范圍內(nèi)的條件下，跟蹤系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間不大于1S。225記憶跟蹤系統(tǒng)具有記憶跟蹤功能，保證在丟失目標(biāo)時(shí)間不大于3S時(shí)，能繼續(xù)跟蹤。23使用要求231環(huán)境適應(yīng)性A存放溫度30C60C；B工作溫度0C55C；C相對(duì)濕度95（25C時(shí)）；D設(shè)備應(yīng)具有較好的防塵、防霉、防鹽霧能力。232可靠性指標(biāo)A平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF3000H；B連續(xù)工作時(shí)間TC12H；233維修性平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR05H（對(duì)于一線可更換部件）。234電磁兼容性設(shè)備應(yīng)具有良好的電磁兼容性，能經(jīng)受實(shí)際工作環(huán)境中各種設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射，并對(duì)其它設(shè)備不產(chǎn)生干擾。3系統(tǒng)工作原理及組成31綜合控制器工作原理綜合控制器采用PCI總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，并配以PCI總線構(gòu)架的串行通訊卡、伺服控制卡和網(wǎng)卡。綜合控制器主要工作任務(wù)是完成數(shù)據(jù)通訊、伺服控制、多傳感器數(shù)據(jù)融合。按照功能結(jié)構(gòu)劃分，綜合控制器可以分為伺服控制模塊和工控機(jī)模塊。其中伺服控制模塊由DSPFPGA結(jié)構(gòu)的伺服控制卡組成，它主要負(fù)責(zé)接收按鍵信息、工作狀態(tài)信息、采樣信號(hào)、編碼器數(shù)據(jù)、各個(gè)圖像處理器數(shù)據(jù)和多特征圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采集單桿數(shù)據(jù)，同時(shí)和工控機(jī)進(jìn)行PCI數(shù)據(jù)通訊，最終利用這些數(shù)據(jù)完成伺服跟蹤控制運(yùn)算，產(chǎn)生PWM調(diào)寬波驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)伺服跟蹤。工控機(jī)模塊由內(nèi)插兩塊串口通訊卡和網(wǎng)卡的工控機(jī)組成，它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通訊和多傳感器數(shù)據(jù)融合。工控機(jī)的數(shù)據(jù)通訊功能主要是通過串口卡與主控計(jì)算機(jī)、各個(gè)視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)、編碼器、GPS/B碼時(shí)統(tǒng)終端、各個(gè)圖像處理器、調(diào)光調(diào)焦控制系統(tǒng)、激光器以及光纖通訊模塊進(jìn)行RS422數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)與伺服控制卡進(jìn)行PCI數(shù)據(jù)通訊。而多傳感器數(shù)據(jù)融合功能主要是工控機(jī)采集各個(gè)圖像處理器脫靶量數(shù)據(jù)、主控計(jì)算機(jī)引導(dǎo)數(shù)據(jù)以及GPS引導(dǎo)數(shù)據(jù)等目標(biāo)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)比單一處理器數(shù)據(jù)跟蹤更穩(wěn)定的目標(biāo)跟蹤。伺服控制模塊通過控制方位和俯仰力矩電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的跟蹤測(cè)量，它由方位和俯仰兩套位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成，控制方式采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。執(zhí)行元件為力矩電機(jī)，采用H型單極可逆PWM驅(qū)動(dòng)方式。伺服控制模塊可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)跟蹤、電視自動(dòng)跟蹤和數(shù)學(xué)引導(dǎo)跟蹤三種跟蹤方式。半自動(dòng)跟蹤時(shí)，操作手通過監(jiān)視器觀察目標(biāo)并操縱單桿動(dòng)作，從而使與單桿相連的方位和俯仰兩套傳感器產(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入控制器。控制器對(duì)單桿數(shù)據(jù)按位置調(diào)節(jié)器算法進(jìn)行運(yùn)算后作為速度回路給定，再經(jīng)速度調(diào)節(jié)器算法運(yùn)算后產(chǎn)生控制信號(hào)送往功率級(jí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，半自動(dòng)跟蹤控制原理框圖如圖1所示。電視自動(dòng)跟蹤時(shí)，電視系統(tǒng)能將視場(chǎng)中目標(biāo)與視場(chǎng)中心位置的偏差形成脫靶量傳送給控制器?？刂破鲗?duì)接收的脫靶量進(jìn)行位置調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的運(yùn)算后產(chǎn)生控制信號(hào)送往功率級(jí)。此外在電視跟蹤時(shí)由于脫靶量的滯后，通常還在速度環(huán)中加入速度滯后補(bǔ)償甚至加速度滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以彌補(bǔ)脫靶量的滯后影響，提高跟蹤精度。電視自動(dòng)跟蹤控制原理框圖如圖2所示。數(shù)字引導(dǎo)跟蹤時(shí)，主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將目標(biāo)的位置和速度信息送入控制器，其中速度信息是前饋引入速度回路以構(gòu)成復(fù)合控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤精度。數(shù)引隨動(dòng)跟蹤控制原理框圖如圖3所示。數(shù)據(jù)融合跟蹤時(shí)，綜合控制器將有效的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過融合算法算出目標(biāo)的融合位置，用此融合位置數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤引導(dǎo)。數(shù)據(jù)融合控制原理框圖如圖4所示。圖3數(shù)引隨動(dòng)跟蹤控制原理框圖目標(biāo)速度速度前饋速度回路校正位置回路校正微分測(cè)速編碼器電機(jī)加負(fù)載目標(biāo)位置圖1半自動(dòng)跟蹤控制原理框圖單桿編碼器微分測(cè)速校正放大速度校正放大電機(jī)加負(fù)載圖2電視自動(dòng)跟蹤控制原理框圖速度滯后補(bǔ)償加速度滯后補(bǔ)償目標(biāo)位置校正放大編碼器速度校正放大電機(jī)加負(fù)載微分測(cè)速脫靶量N編碼器位置數(shù)據(jù)脫靶量1編碼器位置數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)濾波預(yù)測(cè)濾波加權(quán)數(shù)據(jù)融合目標(biāo)位置量位置校正微分測(cè)速速度校正電機(jī)加負(fù)載編碼器引導(dǎo)數(shù)據(jù)1預(yù)測(cè)濾波引導(dǎo)數(shù)據(jù)N預(yù)測(cè)濾波圖4數(shù)據(jù)融合控制原理框圖311太陽(yáng)角規(guī)避功能綜合控制器通過串口卡接收主控計(jì)算機(jī)傳來(lái)的經(jīng)過太陽(yáng)角規(guī)避處理的目標(biāo)引導(dǎo)航跡數(shù)據(jù)，綜合控制器按照平滑切換方式根據(jù)狀態(tài)信息將跟蹤功能切換到太陽(yáng)角規(guī)避上即可。312跟蹤方式切換切換過程中采用一階控制器改善其動(dòng)態(tài)過程效果，等到切換過程穩(wěn)定或小偏差時(shí)轉(zhuǎn)入二階控制器保證其跟蹤精度。同時(shí)切換的過程中將前一種跟蹤方式的偏差按照遞減的方式保存下來(lái)，并將其加到切換后的跟蹤方式的偏差上，將總偏差送一階控制器。這種切換方式經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，效果很好。313限位保護(hù)功能經(jīng)緯儀電限位時(shí)，綜合控制器會(huì)收到電限位開關(guān)發(fā)過來(lái)的脈沖狀態(tài)信號(hào)，如果收到此信號(hào)綜合控制器會(huì)發(fā)反向滿碼調(diào)寬波來(lái)保護(hù)儀器，使經(jīng)緯儀最大程度減小撞擊。314自檢功能檢查各個(gè)系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)是否正常。32綜合控制器硬件組成綜合控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用凌華工控機(jī)，內(nèi)插PCI總線架構(gòu)的DSP控制卡及串行通訊卡。DSP控制卡接收到編碼器、電視脫靶量后，一方面用于自跟蹤運(yùn)算，另一方面通過PCI總線送給工控機(jī)進(jìn)行融合處理。工控機(jī)將融合處理的結(jié)果通過PCI總線回送DSP控制卡用于跟蹤，同時(shí)通過串行通訊卡與一些外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)串行通訊功能。BUS方位、俯仰力矩電機(jī)接口DSP800HZ、200HZ中斷PCI主控計(jì)算機(jī)編碼器機(jī)下單桿工控機(jī)俯仰0、180度限位俯仰手動(dòng)/機(jī)動(dòng)方位、俯仰啟動(dòng)方位、俯仰功率級(jí)報(bào)警跟蹤狀態(tài)控制按鍵GPS/B碼時(shí)統(tǒng)終端調(diào)光調(diào)焦控制系統(tǒng)綜合控制器串行通訊卡1A/D采集I/O口串口PWM捕獲電視圖像處理模塊測(cè)量電視圖像處理模塊中波紅外圖像處理模塊編碼器長(zhǎng)波紅外圖像處理模塊串行通訊卡2P1P2P3P4P5P6P7P2RXDRXD捕獲電視圖像處理模塊測(cè)量電視圖像處理模塊P3P4RXDP1P8RXDP5P6P1P2P5P6P7光纖通訊模塊多特征圖像處理系統(tǒng)P8中波紅外圖像處理模塊激光器長(zhǎng)波紅外圖像處理模塊RXDP7P8捕獲電視視頻存儲(chǔ)測(cè)量電視視頻存儲(chǔ)中波紅外視頻存儲(chǔ)長(zhǎng)波紅外視頻存儲(chǔ)多特征圖像處理系統(tǒng)RXDRS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422圖5伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖321DSP控制卡DSP控制卡主要由DSP芯片、FPGA、串行通訊芯片、A/D芯片、PCI總線接口芯片組成，主要完成功能有位置回路、速度回路的運(yùn)算；單桿模擬量采集；讀取操控按鍵，并點(diǎn)亮相關(guān)指示燈；采集編碼器和電視脫靶量串行通訊數(shù)據(jù)；與工控機(jī)進(jìn)行PCI總線數(shù)據(jù)交換。DSP采用TI公司的TMS320F2812，它具有運(yùn)算精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，主要完成位置回路、速度回路運(yùn)算及外圍設(shè)備的控制功能。FPGA用于輔助DSP對(duì)外圍設(shè)備的邏輯控制，選用CYCLONE系列FPGA中的EP1C12Q240C8，具有12060個(gè)邏輯單元LE和173個(gè)I/O口，可以內(nèi)嵌4K的RAM。FPGA采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，主要完成的功能有以下三個(gè)部分產(chǎn)生PWM調(diào)寬波信號(hào)；實(shí)現(xiàn)DSP與串行通訊芯片、A/D芯片的接口邏輯；內(nèi)嵌雙口RAM，實(shí)現(xiàn)PCI總線接口芯片的本地仲裁。圖6FPGA設(shè)計(jì)框圖串行通訊芯片采用ST16C654，其具有64字節(jié)輸入輸出FIFO，它由四個(gè)增強(qiáng)的16C650異步通信單元加驅(qū)動(dòng)邏輯組成，從而構(gòu)成四個(gè)通道的串行通訊，而且相互獨(dú)立，每個(gè)通道的最高通訊速率可以達(dá)到1MBPS。串行通訊芯片主要完成DSP與外部系統(tǒng)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通訊。單桿模擬數(shù)據(jù)采集接口采用AD7864芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，并用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7864芯片的控制以及DSP的邏輯接口功能，AD7864主要特性有4通道單端輸入，12位分辨率；輸入模擬量電壓范圍10V，5V可選；PCI總線仲裁RAMRAM仲裁16C54地址仲裁AD7864地址仲裁16C54讀寫、數(shù)據(jù)總線AD7864讀寫、數(shù)據(jù)總線DSP地址數(shù)據(jù)及控制總線PCI總線調(diào)寬波功率級(jí)可達(dá)165S轉(zhuǎn)換速度。A/D轉(zhuǎn)換主要完成的功能是采集單桿方位和俯仰傳感器的模擬電壓輸出量，并轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量送給DSP。PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9054，其工作于從模式，通過PCI總線與工控機(jī)數(shù)據(jù)交換。工控機(jī)接收到多個(gè)電視脫靶量后，進(jìn)行融合預(yù)處理，并將預(yù)處理的結(jié)果通過PCI總線送給DSP控制卡進(jìn)行位置和速度回路校正運(yùn)算。DSP伺服控制卡3D圖如圖7所示。圖7DSP伺服控制卡3D圖322串行通訊卡串行通訊采用研華公司的PCI1622CU型號(hào)PCI接口8路串口卡，該串口卡符合PCI22規(guī)格，速度最高可達(dá)9216KBPS，具有8個(gè)RS422/485端口和128字節(jié)FIFO標(biāo)準(zhǔn)的16PCI954USRT，I/O地址由PCI即插即用功能自動(dòng)分配。支持WINDOWS98/ME/2000/XP/XPEMBEDDED,LINUX操作系統(tǒng)。具有提高系統(tǒng)性能的中斷狀態(tài)寄存器、預(yù)留終端電阻空間、自動(dòng)RS485數(shù)據(jù)流控制、易于使用的強(qiáng)大工具ICOMTOOLS、通用PCI支持33V或5VPCI總線信號(hào)、2500VDC浪涌保護(hù)和2500VDC隔離保護(hù)。PCI1622CU串口卡圖如圖8所示。圖8PCI1622CU串口卡圖串口卡插在綜合控制器的PCI插槽上，通過PCI總線將各系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)傳送到DSP伺服控制器內(nèi)，DSP也可以通過此串卡回送數(shù)據(jù)。綜合控制器按照200HZ的時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)幀頻工作，通訊卡接收一幀時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)后，硬件會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，綜合控制器響應(yīng)該中斷后，對(duì)時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)解碼，當(dāng)判斷出該時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)為10MS的整數(shù)倍時(shí)，讀取連接其他系統(tǒng)的串行端口的FIFO數(shù)據(jù)，并一起和時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)打包發(fā)送。當(dāng)采樣信號(hào)到來(lái)后，編碼器數(shù)據(jù)要先于時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，從而可保證時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)和編碼器數(shù)據(jù)同時(shí)對(duì)齊打包發(fā)送。通訊數(shù)據(jù)內(nèi)容按照通訊協(xié)議要求發(fā)送。串行通訊接口主要完成的功能有A完成與捕獲電視圖像處理器、測(cè)量電視圖像處理器、長(zhǎng)波紅外圖像處理器、中波紅外圖像處理器和多特征圖像處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，向其發(fā)送角度信息、時(shí)間信息、距離信息、控制命令等數(shù)據(jù)；B完成與編碼器系統(tǒng)的通訊，與編碼器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，轉(zhuǎn)發(fā)主控計(jì)算機(jī)控制命令；C完成與主控計(jì)算機(jī)的通訊，接收控制命令，發(fā)送采集的各系統(tǒng)信息；D完成接收GPS/B碼時(shí)統(tǒng)終端的通訊，接收時(shí)間信息及自檢狀態(tài)信息；E完成與捕獲電視、測(cè)量電視、中波紅外和長(zhǎng)波紅外視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的通訊，接收視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的信息，向視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)送角度信息、時(shí)間信息、距離信息、控制命令等；F完成與調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)的通訊，接收調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)工作狀態(tài)及自檢信息，向調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)發(fā)送控制命令，距離調(diào)焦信息；G完成與光纖通訊系統(tǒng)的通訊，接收光纖通訊系統(tǒng)的工作狀態(tài)及自檢信息；H完成與激光測(cè)距機(jī)的通訊；323功率級(jí)伺服功率放大器采用6單元IGBTIPM智能模塊為核心功率器件。IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置，具有軟開關(guān)功能，能防止誤導(dǎo)通。IPM內(nèi)含多種保護(hù)電路過流保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)及過熱保護(hù)，并內(nèi)含報(bào)警輸出功能。當(dāng)IPM出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，有報(bào)警信號(hào)輸出，該信號(hào)可使控制計(jì)算機(jī)停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并有指示燈顯示報(bào)警。324電機(jī)參數(shù)A方位力矩電機(jī)峰值堵轉(zhuǎn)電壓70V7V峰值堵轉(zhuǎn)電流25A峰值堵轉(zhuǎn)力矩不小于600NM70V時(shí)空載轉(zhuǎn)速25R/MIN連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩不小于350NM連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓40V4V連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流145A轉(zhuǎn)動(dòng)慣量36KGM2力矩波動(dòng)系數(shù)不大于1重量97KGB俯仰力矩電機(jī)峰值堵轉(zhuǎn)電壓60V6V峰值堵轉(zhuǎn)電流63A峰值堵轉(zhuǎn)力矩不小于64NM60V時(shí)空載轉(zhuǎn)速50R/MIN連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩不小于40NM連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓38V38V連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流4A轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0105KGM2力矩波動(dòng)系數(shù)不大于2重量135KG根據(jù)以往類似設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)，選用該型號(hào)力矩電機(jī)可滿足最大速度和最大加速度的任務(wù)要求。33接口設(shè)計(jì)A串行通訊接口除與編碼器系統(tǒng)通訊頻率為800HZ、捕獲電視系統(tǒng)通訊頻率為50HZ外，其他系統(tǒng)的通訊頻率為100HZ。除與多特征圖像處理子系統(tǒng)的波特率為1152KB/S外，其他系統(tǒng)波特率為2304KB/S；接口電平為RS422；BPCI總線接口工控機(jī)和伺服控制模塊之間采用PCI總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；CI/O接口采集俯仰0、180限位狀態(tài)，方位、俯仰啟動(dòng)狀態(tài)，長(zhǎng)波紅外、中波紅外測(cè)量電視、捕獲電視、數(shù)學(xué)引導(dǎo)、融合跟蹤、單桿跟蹤的跟蹤狀態(tài)，方位俯仰功率級(jí)故障報(bào)警，并輸出跟蹤狀態(tài)供顯示；D同步信號(hào)接收接口接收時(shí)統(tǒng)送來(lái)的800HZ，200HZ采樣信號(hào)，RS422接口，負(fù)脈沖，脈寬3S10S；EPWM輸出接口輸出方位4路PWM調(diào)寬信號(hào)，俯仰4路PWM調(diào)寬信號(hào)。4伺服控制參數(shù)設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，采用速度和位置雙閉環(huán)的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)方法上，采用連續(xù)系統(tǒng)頻率特性法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后用雙線性變換方法進(jìn)行離散化處理，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。由于設(shè)計(jì)方位、俯仰控制結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器方法相同，因此僅以方位系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。方位控制對(duì)象傳遞函數(shù)為（1）02681GSS41系統(tǒng)的品質(zhì)要求根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，在保精度工作范圍內(nèi)，為保證跟蹤精度，系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)要求為在最大保精度速度40/S和最大保精度加速度20/S2情況下，要求系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)達(dá)到（2）MAX4036“80VK（3）AX2436“42速度回路設(shè)計(jì)綜合考慮速度回路校正參數(shù)取為（6）426091053VCSSGS校正以后的速度開環(huán)傳遞函數(shù)是（7）1018VOSS速度回路開環(huán)頻率特性如圖9所示，剪切頻率CV832RAD/S，相位裕度PM697，系統(tǒng)滿足穩(wěn)定條件。圖9速度回路開環(huán)頻率特性圖43位置回路設(shè)計(jì)位置回路設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)所要求的在一定速度、加速度條件下穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能主要因素是傳感器采樣頻率和滯后時(shí)間、位置回路的帶寬、開環(huán)增益和無(wú)差度型別等。應(yīng)根據(jù)不同的跟蹤方式，設(shè)計(jì)不同的校正控制器。431半自動(dòng)跟蹤半自動(dòng)跟蹤時(shí)位置回路人工閉環(huán)，輸入值即為經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的單桿電壓。另外位置回路是采用帶有死區(qū)的拋物線函數(shù)對(duì)單桿進(jìn)行非線性校正，以滿足系統(tǒng)低速和高速的要求，并保證單桿歸零不爬行，實(shí)際使用效果明顯。其特性曲線如圖10所示，輸入輸出特性函數(shù)可表示為（8）20KXAXYA其中K與A可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。432數(shù)字引導(dǎo)跟蹤引導(dǎo)跟蹤由于具有速度前饋，系統(tǒng)精度很容易達(dá)到，以穩(wěn)定性作為重點(diǎn)考慮。位置回路校正環(huán)節(jié)取為（9）30416PCSGS此時(shí)位置回路的開環(huán)頻率特性如圖11所示，系統(tǒng)開環(huán)剪切頻率為C216RAD/S，相位裕度PM707。計(jì)算出這時(shí)系統(tǒng)的速度品質(zhì)因數(shù)，30VK加速度品質(zhì)因數(shù)，不能滿足系統(tǒng)精度要求。為提高系統(tǒng)精度，引入速53AK度前饋構(gòu)成復(fù)合控制，取速度補(bǔ)償系數(shù)K097，可計(jì)算出此時(shí)系統(tǒng)速度品質(zhì)因數(shù)，加速度品質(zhì)因數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足系統(tǒng)精度要求。968VK168AK根據(jù)系統(tǒng)跟蹤性能要求，對(duì)于保精度角速度40/S和角加速度20/S2，輸入正弦信號(hào)，仿真結(jié)果如圖12所示，系統(tǒng)跟蹤誤差最大值80SIN5TTYX圖10單桿非線性校正特性曲線圖11數(shù)引跟蹤位置回路開環(huán)頻率特性圖28，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。另外考慮到實(shí)際情況下有時(shí)引導(dǎo)信息不準(zhǔn)確，距目標(biāo)的實(shí)際位置有一定偏差，此時(shí)可將單桿數(shù)據(jù)疊加到引導(dǎo)位置值上，通過操作單桿來(lái)修正引導(dǎo)信息的位置偏差，以滿足實(shí)際工作需要。圖12數(shù)字引導(dǎo)正弦跟蹤誤差曲線433電視自動(dòng)跟蹤由于捕獲電視采樣頻率25HZ，而其他電視的采樣頻率為100HZ，因此捕獲電視脫靶量的滯后時(shí)間大于其他電視系統(tǒng)。為方便電視跟蹤方式切換及融合設(shè)計(jì)，這里只針對(duì)25HZ捕獲電視跟蹤設(shè)計(jì)位置回路參數(shù)，而其他電視跟蹤采用相同參數(shù)時(shí)也必滿足跟蹤精度要求。25HZ電視采樣頻率下位置回路校正函數(shù)為（10）21045PCSGS這時(shí)系統(tǒng)的速度品質(zhì)因數(shù)，加速度品質(zhì)因數(shù)，無(wú)法滿足VK135AK系統(tǒng)加速度品質(zhì)因數(shù)的要求。對(duì)此加入速度滯后補(bǔ)償函數(shù)（11）0341VDS可計(jì)算出此時(shí)速度品質(zhì)因數(shù)，加速度品質(zhì)因數(shù)，滿足系57VK490AK統(tǒng)精度要求，圖13為采用速度滯后補(bǔ)償?shù)奈恢没芈烽_環(huán)頻率特性圖,此時(shí)開環(huán)剪切頻率RAD/S，相位裕度，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件。用等效正弦12C0624MP作仿真輸入，系統(tǒng)跟蹤誤差最大值小于3，仿真結(jié)果如圖80SIN5TT14所示。圖1325HZ帶速度滯后補(bǔ)償位置回路開環(huán)頻率特性圖圖14速度40/S和加速度20/S2電視跟蹤誤差曲線44融合跟蹤設(shè)計(jì)融合跟蹤是利用經(jīng)緯儀上多傳感器數(shù)據(jù)源及外引導(dǎo)數(shù)據(jù)源的信息進(jìn)行融合處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軌跡的精確預(yù)測(cè)，從而保證在數(shù)據(jù)源遇到干擾的情況下依然能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤。當(dāng)電視自動(dòng)跟蹤目標(biāo)后，融合跟蹤算法自動(dòng)啟動(dòng)，以保證電視自動(dòng)跟蹤的穩(wěn)定性，融合跟蹤也可手動(dòng)解除，以便在某些情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)跟蹤及切換功能。融合處理過程主要有時(shí)間同步和量綱對(duì)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以及狀態(tài)估計(jì)。441時(shí)間同步和量綱對(duì)準(zhǔn)伺服系統(tǒng)接收電視處理器等多傳感器數(shù)據(jù)源和引導(dǎo)信息源，但各傳感器的工作頻率及處理時(shí)間不同，觀測(cè)的數(shù)據(jù)存在時(shí)間差，因此在融合前必須進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊。考慮到編碼器的采樣頻率最高，忽略數(shù)據(jù)傳輸延遲，以接收編碼器數(shù)據(jù)時(shí)刻為伺服系統(tǒng)工作時(shí)間基準(zhǔn)，其它傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)同步到該時(shí)間基準(zhǔn)上來(lái)，同步方法采用卡爾曼濾波器的預(yù)測(cè)方程和誤差協(xié)方差矩陣。假定在時(shí)刻得到第個(gè)電視傳感器在時(shí)刻的脫靶量，則可將時(shí)刻ITKJTJKJT的編碼器值與脫靶量相加后得到帶有觀測(cè)誤差的目標(biāo)位置值，利用卡爾曼JXT濾波方程求得該時(shí)刻目標(biāo)狀態(tài)的濾波估計(jì)后，則目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)的同步|KJXT方程（12）|KIJKIJTTT協(xié)方差的同步方程（13）|TTKIJKIJKIKJJKJPTTPTTQT根據(jù)上述兩式得到和后，即可根據(jù)加權(quán)航跡融合算法，|IJX|IJ忽略各傳感器之間的互協(xié)方差，得到目標(biāo)的融合軌跡（14）112NXPXPX（15）1量綱對(duì)準(zhǔn)就是把各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱統(tǒng)一，量綱統(tǒng)一基準(zhǔn)為編碼器值。442數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)就是把來(lái)自多個(gè)傳感器的觀測(cè)點(diǎn)跡按最大概率歸類到幾個(gè)不同的事件集合中。由于經(jīng)緯儀上的多個(gè)傳感器通常是對(duì)同一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，因此只有一個(gè)事件集合也就是目標(biāo)點(diǎn)跡形成的航跡，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題也就變得十分簡(jiǎn)單，實(shí)質(zhì)上就是判斷觀測(cè)點(diǎn)跡是航跡上的真點(diǎn)跡還是噪聲造成的假點(diǎn)跡，如果是真點(diǎn)跡則更新目標(biāo)的航跡，如果是假點(diǎn)跡則予以剔除。同樣假定電視傳感器時(shí)刻得到的點(diǎn)跡為真點(diǎn)跡，則根據(jù)卡爾曼濾波JTJXT方程可得到時(shí)刻的目標(biāo)濾波點(diǎn)跡，經(jīng)過一個(gè)電視采樣周期后,電視JT|JTT傳感器得到時(shí)刻的目標(biāo)點(diǎn)跡，這時(shí)就需要判斷該時(shí)刻點(diǎn)跡是否為JTTJXTT真點(diǎn)跡。具體做法是利用卡爾曼預(yù)測(cè)方程得到時(shí)刻的目標(biāo)預(yù)測(cè)點(diǎn)跡JT，然后以該預(yù)測(cè)點(diǎn)跡為中心，設(shè)置一關(guān)聯(lián)門，目標(biāo)點(diǎn)跡落在關(guān)聯(lián)門|JJXT內(nèi)，則認(rèn)為是真點(diǎn)跡，否則認(rèn)為是假點(diǎn)跡。為簡(jiǎn)單起見，通常選取矩形關(guān)聯(lián)門，此時(shí)判定準(zhǔn)則為（16）|JJJRXTTTK（17）2RP式中測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差，卡爾曼濾波器預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差，P門限系數(shù)。K443狀態(tài)估計(jì)狀態(tài)估計(jì)就是利用數(shù)學(xué)方法來(lái)尋求與觀測(cè)數(shù)據(jù)最佳擬合的狀態(tài)向量，它是融合跟蹤算法中重要的一個(gè)過程，上述兩步驟都需要利用狀態(tài)估計(jì)知識(shí)。目前最普遍使用的狀態(tài)估計(jì)方法是卡爾曼濾波器，它采用狀態(tài)方程來(lái)描述目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程，并以遞歸形式求解目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。假定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程形式（18）|11KKKXW觀測(cè)方程（19）KKZHV這時(shí)目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)為（20）|1|1KKKXKX其中，表示在時(shí)刻預(yù)測(cè)時(shí)刻的狀態(tài)值，即卡爾曼一步|1|1KKX預(yù)測(cè)方程。增益的求解是遞歸進(jìn)行，需要事先掌握目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性以及系統(tǒng)K噪聲、測(cè)量噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。KWKV在實(shí)際目標(biāo)跟蹤過程中，考慮到經(jīng)緯儀通常只能觀測(cè)到目標(biāo)的方位、俯仰角信息，因此只能通過這些觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)目標(biāo)的方位、俯仰角運(yùn)動(dòng)軌跡。盡管這時(shí)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡是條復(fù)雜的非線性軌跡，但是考慮到傳感器的采樣頻率高，可以假設(shè)在短時(shí)間內(nèi)目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)就可利用卡爾曼濾波方法來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。當(dāng)然這種簡(jiǎn)化的結(jié)果將造成對(duì)目標(biāo)的狀態(tài)是次優(yōu)估計(jì)，然而卻可大大降低運(yùn)算復(fù)雜程度，如果同時(shí)假定系統(tǒng)噪聲、測(cè)量噪聲的統(tǒng)KWKV計(jì)特性是平穩(wěn)隨機(jī)過程，這時(shí)卡爾曼濾波方程也是穩(wěn)定的，這在工程上非常具有應(yīng)用價(jià)值。為驗(yàn)證算法的有效性，以某彈道數(shù)據(jù)作為目標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，為簡(jiǎn)化仿真過程，假定兩個(gè)電視傳感器測(cè)量頻率和測(cè)量特征點(diǎn)均相同，不考慮系統(tǒng)誤差影響，融合數(shù)據(jù)源為兩個(gè)。圖15是數(shù)據(jù)源不受任何干擾情況下跟蹤誤差曲線。圖16為對(duì)一電視數(shù)據(jù)源加入脈沖干擾信號(hào)源，得到圖17的跟蹤誤差曲線。如果在識(shí)別出該干擾信號(hào)后，采用卡爾曼直線外推處理，得到圖18的跟蹤誤差曲線，而采用融合處理后，可以得到圖19的跟蹤誤差曲線。比較圖17、18和19，可以看出在受到干擾的情況下融合處理后的誤差最小，可以有效保證跟蹤過程的穩(wěn)定性。圖15無(wú)干擾情況下跟蹤誤差曲線圖16脈沖干擾信號(hào)圖17有干擾情況下跟蹤誤差曲線圖18有干擾情況下卡爾曼直線外推處理后跟蹤誤差曲線圖19有干擾情況下融合處理后跟蹤誤差曲線45記憶跟蹤設(shè)計(jì)記憶跟蹤主要用于目標(biāo)在短時(shí)間內(nèi)被遮擋致使多個(gè)電視傳感器都無(wú)法觀測(cè)到目標(biāo)，盡管此時(shí)可能還存在引導(dǎo)信息，但大多數(shù)情況下引導(dǎo)信息的位置偏差較大，因此為保證能再次快速搜索到目標(biāo)，有必要采用記憶跟蹤算法。通常對(duì)目標(biāo)融合運(yùn)算結(jié)果將形成一條目標(biāo)融合航跡，在記憶跟蹤時(shí)，可以在該航跡的基礎(chǔ)上根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)外推得到模型預(yù)測(cè)軌跡，然而外推時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)測(cè)誤差也就越大，記憶跟蹤效果也就越差。如果在融合跟蹤時(shí)先將目標(biāo)的引導(dǎo)軌跡與融合航跡進(jìn)行比較得到航跡差，然后在記憶跟蹤時(shí)利用該航跡差修正目標(biāo)的引導(dǎo)軌跡，則可以得到更為準(zhǔn)確的目標(biāo)引導(dǎo)修正軌跡，之后利用該修正軌跡與目標(biāo)模型預(yù)測(cè)軌跡進(jìn)行加權(quán)組合后作為目標(biāo)的預(yù)測(cè)位置去引導(dǎo)經(jīng)緯儀，則可以得到更佳的記憶跟蹤效果。圖20是利用某型號(hào)光電經(jīng)緯儀對(duì)模型彈跟蹤數(shù)據(jù)和理論彈道數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)源數(shù)據(jù)來(lái)仿真驗(yàn)證記憶跟蹤效果，其中跟蹤數(shù)據(jù)作為目標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，理論彈道數(shù)據(jù)作為目標(biāo)引導(dǎo)軌跡，從圖中可看出相比單純的模型預(yù)測(cè)算法或數(shù)字外引導(dǎo)，融合預(yù)測(cè)后的軌跡精度更高，記憶跟蹤效果更好。46目標(biāo)捕獲設(shè)計(jì)在目標(biāo)捕獲階段，當(dāng)目標(biāo)從視場(chǎng)中穿越時(shí)，經(jīng)緯儀能迅速捕獲目標(biāo)并順利轉(zhuǎn)入對(duì)目標(biāo)的跟蹤。由于捕獲初始時(shí)刻目標(biāo)和經(jīng)緯儀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相對(duì)位置、相對(duì)速度）很大，如果不迅速減小它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)則非常容易穿出視場(chǎng)。為此目標(biāo)捕獲時(shí)采用類似引導(dǎo)跟蹤方式的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，在雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入速度前饋環(huán)節(jié)。通常在捕獲階段的短時(shí)刻內(nèi)目標(biāo)在方位和俯仰角方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)在視場(chǎng)中出現(xiàn)后，由目標(biāo)脫靶量與對(duì)應(yīng)的編碼器值合成出目標(biāo)在方位和俯仰角方向的位置，其速度則在勻速直線運(yùn)動(dòng)的假0102030200240280320360合合/S合合/DEGT0T1合合合合合合合合合合合合合合合合合合合合合合圖20對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線設(shè)前提下通過狀態(tài)估計(jì)的辦法估計(jì)出來(lái)，將該速度前饋到速度回路使經(jīng)緯儀的運(yùn)動(dòng)速度快速接近目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，從而迅速減少經(jīng)緯儀和目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)在減少相對(duì)位置時(shí)采用多?？刂萍夹g(shù)，事先確定一組性能各不相同的位置調(diào)節(jié)器，然后按照一定的策略在該組中選擇所需的調(diào)節(jié)器，在目標(biāo)“迎頭”或脫靶量大時(shí)選擇動(dòng)態(tài)性能好的調(diào)節(jié)器，在目標(biāo)“尾追”和脫靶量小時(shí)選擇穩(wěn)態(tài)精度高的調(diào)節(jié)器，以保證捕獲的穩(wěn)定性。圖21是某型號(hào)光電經(jīng)緯儀對(duì)某型號(hào)彈紅外捕獲時(shí)脫靶量變化曲線，A點(diǎn)位置是彈在視場(chǎng)中出現(xiàn)，B點(diǎn)是經(jīng)緯儀對(duì)彈已經(jīng)成功捕獲，脫靶量不再增加，BC段開始向紅外自動(dòng)跟蹤平穩(wěn)過渡，C點(diǎn)以后經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)為自動(dòng)跟蹤方式。圖21目標(biāo)捕獲脫靶量變化曲線5軟件設(shè)計(jì)伺服軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分工控機(jī)應(yīng)用程序、DSP程序。工控機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境采用VISUALC，C語(yǔ)言編程。應(yīng)用程序通過PCI總線接收伺服控制卡發(fā)送的脫靶量和編碼器數(shù)據(jù)，完成融合處理和記憶跟蹤等算法。應(yīng)用程序軟件流程如圖22所示。DSP控制卡