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          淺析DSP的光學探測陀螺穩定系統

          ? 2018年09月15日 09:17 ? 次閱讀

          ? ? ? ? ?光學探測陀螺穩定系統作為一種高精度的瞄準線穩定系統,可以提供對地、對空目標的全景式大范圍探測和跟蹤。既可作為獨立的光電觀瞄系統用于偵察任務,也可作為火控系統的組成部分完成戰場作戰任務。其重要功能是隔離載體角運動,使探測器在慣性空間內保持穩定;能夠響應指令信號,在一定角度范圍內對目標進行搜索,在人工識別鎖定后能夠按探測器信號自動跟蹤目標,并給出方位、俯仰信息。可實時對地面敏感地區進行監視,執行晝夜監視、海岸巡邏、戰場偵查等特定任務。在國防和民用領域具有廣闊的應用前景。

            1 系統結構與設計指標

            1.1 系統結構

            系統主要由平臺部件、電子部件、顯控部件三部分組成。

            平臺部件包括框架、俯仰/方位電機、大/小視場CCD、激光測距儀、俯仰/方位旋轉變壓器(以下簡稱旋變)。CCD攝像機安裝于相互正交的內、外兩個框架上,由兩個力矩電機控制可以在航向和俯仰兩個自由度的方向上掃描。在內、外框架上分別由速率陀螺感測方位和俯仰運動,其輸出送入穩定系統調節器,再經功率放大后至力矩電機,使框架按照指令旋轉(掃描)或穩定瞄準線。

            電子部件包括系統主板、電視跟蹤器、電機驅動及數據采集保持電路。電子部件根據系統的要求對系統的航向、水平、俯仰、橫滾和方位進行修正和補償控制;根據陀螺儀的溫度漂移特性曲線進行溫度補償控制;自動采樣、監測系統信號;實現系統主要參數的常量有選擇地動態顯示。

            顯控部件包括控制盒、工控機。主要用于顯示由CCD攝像機攝入的圖像及系統狀態信息,并完成搜索、鎖定、解鎖等操作。

          淺析DSP的光學探測陀螺穩定系統

            1.2 系統主要設計指標

            穩定軸相關設計指標如下:方位、俯仰軸角速度大于40°/s,方位、俯仰軸角加速度大于60°/s2。

            靜態下對不大于3 000gcm的擾動力矩,角度波動不大于30″且穩定后無靜差。

            穩定隔離精度技術指標為:搖擺臺在擺幅為3°、頻率為1Hz的正弦擾動下,平臺俯仰通道擺幅應小于2′;搖擺臺在擺幅為2°、頻率為1Hz的正弦擾動下,穩定平臺方位通道擺幅應小于2′。

            2 控制系統設計

            當平臺受到載體的運動干擾時,如果光軸作用點距離較遠,即使相對慣性空間產生很小的誤差角偏移,也會使遠距離外的跟蹤點脫離視場。因此系統主要針對干擾力矩下平臺角度輸出穩定后無靜差這一要求來進行設計。

            在一般的速率反饋方案中,校正環節選用PID校正僅能實現系統角速度無靜差,不能實現角度無靜差。如果要讓系統角度輸出無靜差,則需要在校正環節中含有雙重積分環節,因此設計了在速率陀螺反饋的基礎上采用PII2校正環節的控制方法。由于直流力矩電機電樞電感值通常非常小,忽略其時間常數的影響,模型簡化后的穩定回路控制框圖如圖1所示。

            (3) 主導極點:必須滿足特征多項式中一對具有復實部的共軛復根為系統的主導極點,應滿足α>5。

            采用極點配置的方法來確定(比例-積分-二重積分)校正環節的三個系數,可得:

            kp=7.2,ki=245,ki2=6 500,根據上述參數,施加一個1 000gcm的干擾力矩,在MATLAB中仿真的結果顯示系統調節時間及角度靜差均滿足要求,但系統超調過大。增大系統的開環增益,將系統校正環節中kp、ki、ki2 三個參數均放大三倍,觀察閉環零極點圖,發現系數放大后,共軛復根的復實部并未發生較大變化,而其虛部變小,這可削弱系統動態特性中的正弦振蕩從而減小超調。同時系數放大三倍后復實軸上的極點更加遠離共軛復根,從而使得共軛復根的主導極點的地位更為加強,系統的特性更接近設計期望的特性。同樣1 000gcm擾動力矩下,系統調節時間及角度靜差均滿足要求。方位軸3 000gcm擾動力矩下角度輸出如圖2所示(在60秒時刻施加干擾力矩,縱坐標單位角秒,橫坐標單位秒)。

            在系統反饋控制中,內環是一個力矩電機的電流環,用于輸出穩定無差的轉矩。次內環為框架慣性速率環,最外環為位置跟蹤環。慣性速率環的反饋元件為速率陀螺,測量框架相對于慣性空間的角速率。位置跟蹤環由旋變來完成角度的測量。陀螺穩定系統是一個力矩平衡系統,由陀螺感測擾動力矩引起的角運動,通過反饋回路產生一個控制力矩來抵消擾動力矩,從而達到穩定的目的。在本陀螺穩定平臺控制系統中, 電機的控制模式采用轉矩控制模式,使轉矩(電流)環的輸出電流值與閉環的輸入電壓給定值成比例關系,這樣可以顯著提高慣性速率環的控制效果,從而提高穩定精度。

            3 系統硬件設計

            控制器核心選用TI公司TMS320LF2407A數字信號處理器,采用模塊化主計算機板、顯示控制板、A/D 板、R/S 板及圖像跟蹤板。系統資源有一定冗余度,提高了系統的可靠性。總體擴展框圖如圖3所示。

            3.1 陀螺信號輸入接口

            陀螺選用俄羅斯FizopTIka公司的光纖陀螺VG941-3AM,用于測量負載框架相對于慣性空間的角速率,輸出模擬電壓信號(0~3V),陀螺信號通過信號處理電路轉成與A/D 芯片匹配的輸入電平。本系統選用2 片ADI公司的16位A/D芯片ADS7805U,可同時采樣,轉換時間為4μs,滿足系統要求。A/D轉換后的16位信號送到兩片鎖存器(SN74HC574)中,由DSP控制74LS138選通鎖存來讀取陀螺信號。

            3.2 直流力矩電機伺服驅動接口

            電機功放電路選用IR公司的電機驅動芯片IR2104。IR2104是一種高電壓、高速度的功率MOSFETIGBT驅動器,工作電壓10~20V。系統使用兩片IR2104控制四片N溝道的IGBT(IRF540N)組成一個全橋驅動電路控制一臺直流力矩電機。IR2104通過HO輸出分別控制全橋驅動電路的上半橋Q1、Q3的導通與關斷,而IR2104的LO輸出分別控制全橋驅動電路的下半橋Q2、Q4的導通與關斷,從而達到控制電機轉速與正反轉的目的。電機驅動接口如圖4所示(僅畫出一路)。

            3.3 旋轉變壓器信號接口

            在本系統中,選用DDC公司的專用RDC模塊19220,接收來自旋變粗、精通道的激磁信號,其中精通道的bit4-bit11轉換后直接送到低位鎖存中,bit1-bit3送到中位鎖存的低三位,精通道的bit1-bit5再和粗通道在MD27C256中精粗精組合后送到中、高位鎖存,形成旋變的18位數據,分辨率為4.94″。單路旋變接口實現如圖5所示。

            4 系統軟件設計及功能

            軟件設計包括初始化、自檢、控制算法、故障處理、以及各功能模塊的編寫,考慮到穩定模塊的實時性比較高,整個系統程序采用匯編語言設計編寫,伺服采樣周期為1ms。

            系統控制命令既可以由控制盒發出,也可以由上位機發出。上位機還可以設定如測漂參數、位置指令參數等以完成各種系統監測所需的參數設置,同時上位機還接收、顯示存儲來自平臺的包括陀螺、旋變、電機等各種實時信息,用于數據處理和分析判斷。軟件采用模塊化設計,方便軟件的調試,可擴展性、可移植性強。系統軟件框圖如圖6所示。

            跟其他平臺相比,本系統的一大特色是功能比較豐富,系統軟件具有穩定測漂、旋變鎖定 、位置指令、目標搜索、光電跟蹤等五種狀態,還可完成諸如負載能力試驗、模擬搖擺試驗、帶寬預測試等系統試驗。

            (1) 旋變鎖定

            系統根據旋變信息對平臺施矩,將其控制到旋變的電零位,旋變鎖定狀態持續5秒鐘后結束并自動轉入陀螺穩定狀態。

            (2) 穩定測漂

            操作員鍵入采樣周期和采樣時間后,系統進入穩定測漂狀態,測漂完成后自動補償陀螺漂移。

            (3) 位置指令

            系統接收到目標的緯度、經度、高度三個參數,然后從載體系統中讀入自身的橫滾角、俯仰角、方位角三個參數,根據這六個參數計算得出自身所要轉動的俯仰、方位角度,然后控制平臺電機轉動到相應位置。

            (4) 目標搜索

            此時由操縱桿控制俯仰、方位兩個電機的運動,DSP接收到目標搜索的指令碼后,分別取出地面控制臺給出的俯仰、方位兩個電機的速度值,然后按照操縱桿給出的俯仰、方位兩個電機的速度值控制平臺轉動,進行目標搜索。

            (5) 光電跟蹤

            系統接收到光電跟蹤的指令碼,選擇相應的跟蹤方式,然后根據電視跟蹤器傳來的俯仰、方位的脫靶量控制兩個電機平臺運動,跟蹤目標點。

            5 系統實驗及結論

            5.1靜態穩定精度檢測

            開機使平臺進入穩定狀態,分別給方位、俯仰軸添加負載。3 000gcm擾動力矩下,系統旋變角度輸出如圖7所示(在60秒時刻施加干擾力矩),滿足設計要求。

            5.2 動態穩定精度檢測

            開機使平臺進入穩定狀態,在俯仰穩定框安裝雙面反射鏡,調整好雙面反射鏡、平行光管和光電觀測儀,使方位穩定軸進入穩定功能狀態,使方位搖擺軸按照正弦波作搖擺運動,觀察光電觀測儀的讀數,如果小于要求值,即滿足要求。實測穩定臺方位軸搖擺幅度為0.2′,俯仰軸搖擺幅度為0.3′,遠小于設計指標,滿足技術指標要求。

            本文詳細論述了瞄準線穩定高精度系統及其軟硬件設計。系統采用經典的位置速率雙環控制結構,選用DSP 作為數字控制系統的核心,組成高精度瞄準線穩定系統。對各項動、靜態性能指標進行了測試, 達到了預期設計指標。

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          通過Matlab軟件實現對DSP/FPGA線性調...

          Matlab是美國MathWorks公司自20世紀80年代中期推出的數學軟件,優秀的數值計算與卓越的...

          發表于 2018-08-30 10:09 ? 379次閱讀
          通過Matlab軟件實現對DSP/FPGA線性調...

          Octasic推出Opus2 DSP核心OCT2...

          Octasic Inc.日前針對媒體網關器、HD視訊及無線系統等應用,推出全新的Opus2 DSP核...

          發表于 2018-08-30 09:53 ? 597次閱讀
          Octasic推出Opus2 DSP核心OCT2...

          衛星測控多波束系統DSP模塊的設計方法

          用于測向和波束合成的算法很多,各種算法各有優勢,通過對這些算法的模擬和性能比較,最終選擇MUSIC(...

          發表于 2018-08-30 09:32 ? 972次閱讀
          衛星測控多波束系統DSP模塊的設計方法

          如何采用DSP+FPGA嵌入式系統實時視頻采集系...

          圖像是自然生物或人造物理的觀測系統對世界的記錄,是以物理為載體,以介質來記錄信息的一種形式。

          發表于 2018-08-30 09:19 ? 759次閱讀
          如何采用DSP+FPGA嵌入式系統實時視頻采集系...

          中國魂芯二號A,中國芯片的驕傲

          “魂芯二號A”采用全自主體系架構,通過單核變多核、擴展運算部件、升級指令系統、擴大存儲容量、加大數據...

          發表于 2018-08-29 09:50 ? 166次閱讀
          中國魂芯二號A,中國芯片的驕傲

          利用Silicon Labs的可編程時鐘簡化FP...

          我們的一位定時產品的客戶看到了將FPGA設計商業化并推向市場的真正機會。Jim Bittman,Bi...

          發表于 2018-08-24 16:37 ? 639次閱讀
          利用Silicon Labs的可編程時鐘簡化FP...

          TI音頻創新日:PCM186x與轉換器的特點應用...

          2015 TI 音頻創新日(11) PCM186x 和轉換器介紹

          發表于 2018-08-21 00:09 ? 254次閱讀
          TI音頻創新日:PCM186x與轉換器的特點應用...

          DSP是什么?淺談一種基于DSP的張力、深度、速...

          在油田測井過程中,地面操作人員需要知道油井的深度、電纜下井速度及電纜所承載的負荷。

          發表于 2018-08-19 09:34 ? 159次閱讀
          DSP是什么?淺談一種基于DSP的張力、深度、速...

          如何利用FPGA技術來解決DSP的設計難題?

          如果采用MAC模式,DSP48則非常適用,因為DSP48 Slice內含輸入寄存器、輸出寄存器和加法...

          發表于 2018-08-18 09:47 ? 601次閱讀
          如何利用FPGA技術來解決DSP的設計難題?

          匯總DC/DC轉換器內部開發的誤區

          復雜的現代電路通常包含大量元器件,例如微控制器、IC、DSP 和 FPGA 等。每個元器件均具有特定...

          發表于 2018-08-16 09:13 ? 1301次閱讀
          匯總DC/DC轉換器內部開發的誤區

          DSP電源解決方案:LM10011 VID控制器

          LM10011 VID控制器-業界最靈活的DSP電源解決方案

          發表于 2018-08-13 01:37 ? 339次閱讀
          DSP電源解決方案:LM10011 VID控制器

          一種關于利用DSP嵌入式技術的賽車剎車控制系統的...

          本文在硬件電路設計上采用DSP 芯片和外圍電路構成速度捕獲電路,電機驅動控制器采用微控制芯片和外圍...

          發表于 2018-08-11 10:46 ? 124次閱讀
          一種關于利用DSP嵌入式技術的賽車剎車控制系統的...

          如何設計一個以單片機為核心的線陣CCD驅動電路?

          通常時鐘脈沖可取自以下途徑:單片機XTAL端、ALE端、獨立脈沖源。其中取自XTAL端時,經分頻電路...

          發表于 2018-08-09 16:46 ? 201次閱讀
          如何設計一個以單片機為核心的線陣CCD驅動電路?

          圖像感知:創新產品與技術貼近視覺的要求

          圖像感知無疑支持著汽車、工業和消費三個主要市場領域的大趨勢。CCD和CMOS是兩種主要成像技術,但沒...

          發表于 2018-08-08 14:21 ? 1994次閱讀
          圖像感知:創新產品與技術貼近視覺的要求

          基于ASIPM、DSP和FPGA的鼠籠式三相異步...

          隨著電力電子技術、微電子技術及交流伺服控制理論的發展,交流伺服驅動已經具有可與直流伺服驅動相比擬的性...

          發表于 2018-08-05 09:53 ? 127次閱讀
          基于ASIPM、DSP和FPGA的鼠籠式三相異步...

          嵌入式系統技術核心:DSP器件基本技術特征以及應...

          嵌入式系統的目的是提供一個以多任務和網絡為信心,易于開發的復雜數字系統。從數字技術和信息技術的角度看...

          發表于 2018-08-05 09:22 ? 377次閱讀
          嵌入式系統技術核心:DSP器件基本技術特征以及應...

          在線測寬儀的測量原理和CCD測寬詳解

          在線測寬儀測量 引言 在線測寬儀是寬度在線檢測設備,為非接觸在線實時測量,對板材的材質、溫度等無要求...

          發表于 2018-08-05 09:03 ? 373次閱讀
          在線測寬儀的測量原理和CCD測寬詳解

          光電測寬儀的技術特點_使用功能和實際應用介紹

          人工測量,只能得到帶鋼的局部位置寬度信息,不易及時發現寬度超差或拉鋼,反饋信息慢,具有滯后性,為提高...

          發表于 2018-08-05 07:17 ? 301次閱讀
          光電測寬儀的技術特點_使用功能和實際應用介紹

          基于DSP乘法模塊的高效FPGA器件在無線基站中...

          基于WiMax及其派生標準的新興寬帶無線協議需要越來越高的吞吐量和數據速率。這些協議提出的快速芯片速...

          發表于 2018-07-31 10:43 ? 134次閱讀
          基于DSP乘法模塊的高效FPGA器件在無線基站中...

          CEVA推出世界上最先進的通信DSP,適用于5G...

          CEVA宣布推出世界上最先進的通信DSP,以期滿足數千兆級調制解調器的極高性能要求。通過與世界領先的...

          發表于 2018-07-30 14:50 ? 228次閱讀
          CEVA推出世界上最先進的通信DSP,適用于5G...

          基于DSP和FPGA芯片的紅外信息數據處理系統設...

          現代空戰中,光電對抗裝備在戰爭中扮演著重要的角色,而紅外偵測與跟蹤系統由于采用的無源探測技術,因此與...

          發表于 2018-07-30 14:49 ? 139次閱讀
          基于DSP和FPGA芯片的紅外信息數據處理系統設...

          圖像傳感器定義分類與應用和工作原理及CCD和CM...

          圖像傳感器是各種工業及監控用相機、便攜式錄放機、數碼相機,掃描儀等的核心部件。目前,這個快速增長的市...

          發表于 2018-07-29 10:50 ? 920次閱讀
          圖像傳感器定義分類與應用和工作原理及CCD和CM...

          馬達控制開發陷入僵局,基于DSP的智能控制器面世...

          馬達控制設計人員近來在家用電器產品與伺服驅動器等各種應用中的發展都遇到了障礙,必須在控制器性能或昂貴...

          發表于 2018-07-28 11:04 ? 534次閱讀
          馬達控制開發陷入僵局,基于DSP的智能控制器面世...

          MCU市場更加豐富多元,DSP/FPU不同硬件加...

          微控制器(MCU)深入人們應用生活,幾乎大小設備都看得到MCU蹤影,在MCU導入DSP數位訊號處理器...

          發表于 2018-07-28 11:00 ? 322次閱讀
          MCU市場更加豐富多元,DSP/FPU不同硬件加...

          SHARC開發工具,滿足專業音響、消費和汽車音...

          使用這種新工具,音頻工程師能夠在類似原理圖的布局中組合熟悉的音頻處理模塊,同時由編譯器生成DSP就緒...

          發表于 2018-07-28 10:51 ? 158次閱讀
           SHARC開發工具,滿足專業音響、消費和汽車音...

          一文帶你了解CPLD、FPGA、DSP之間的區別...

          ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業的一家知名企業,設計了大量高性...

          發表于 2018-07-23 15:40 ? 270次閱讀
          一文帶你了解CPLD、FPGA、DSP之間的區別...

          基于INTEL FPGA硬浮點DSP實現卷積運算...

          卷積是一種線性運算,其本質是滑動平均思想,廣泛應用于圖像濾波。而隨著人工智能及深度學習的發展,卷積也...

          發表于 2018-07-23 09:09 ? 1159次閱讀
          基于INTEL FPGA硬浮點DSP實現卷積運算...

          可配置電源中典型DSP控制系統設計

          對于設計有大功率 (100 W) 需求的電子產品來說,選擇電源類型的方法似乎簡單明了。 設計團隊有三...

          發表于 2018-07-23 09:00 ? 1169次閱讀
          可配置電源中典型DSP控制系統設計

          以DSP技術為基礎的RFID讀寫器設計方案淺析

          RFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫,即射頻識別。射頻識別(R...

          發表于 2018-07-19 17:45 ? 179次閱讀
          以DSP技術為基礎的RFID讀寫器設計方案淺析

          董永紅:未來市場或將是功能級SoC加可編程DSP

          董永紅表示,未來的市場可能是功能級的SOC,加一個可編程的DSP。由上游半導體廠完成80%的工作,下...

          發表于 2018-07-07 08:32 ? 229次閱讀
          董永紅:未來市場或將是功能級SoC加可編程DSP

          單片機的簡介51單片機和STM32單片機的區別及...

          單片微型計算機簡稱單片機,簡單來說就是集CPU(運算、控制)、RAM(數據存儲-內存)、ROM(程序...

          發表于 2018-07-06 15:57 ? 942次閱讀
          單片機的簡介51單片機和STM32單片機的區別及...

          以DSP嵌入式技術為基礎的智能剎車控制系統電路設...

          硬件電路設計上采用DSP 芯片和外圍電路構成速度捕獲電路,電機驅動控制器采用微控制芯片和外圍電路構...

          發表于 2018-06-27 11:29 ? 182次閱讀
          以DSP嵌入式技術為基礎的智能剎車控制系統電路設...

          蜂窩IoT市場顯著增長 CEVA快速瞄準NB-I...

          CEVA,全球領先的智能和互聯設備的信號處理平臺和人工智能處理器IP授權許可廠商 (納斯達克股票交易...

          發表于 2018-06-26 16:53 ? 1680次閱讀
          蜂窩IoT市場顯著增長 CEVA快速瞄準NB-I...

          全自動CCD數控V槽機 高速高精,高效生產

          深圳市恩格數控設備有限公司為專業PCB設備械制造商,提供網版LDI、V-CUT、PCB成型、鉆孔等專...

          發表于 2018-06-25 15:07 ? 866次閱讀
          全自動CCD數控V槽機 高速高精,高效生產

          關于基于4通道時間交織的FPGA高速采樣系統的設...

          高性能的模數轉換器(Analog Digital Converter,ADC)被廣泛應用于通信、儀器...

          發表于 2018-06-25 11:45 ? 967次閱讀
          關于基于4通道時間交織的FPGA高速采樣系統的設...

          我們為什么要用自動混音技術?

          自動混音技術并不是一項新技術,從上個世紀70年代開始涌現各種類型的自動混音器,以及其中的各種專利到現...

          發表于 2018-06-22 08:43 ? 1584次閱讀
          我們為什么要用自動混音技術?
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