多功能通用平臺系統(tǒng)工程介紹

第六章多功能通用平臺系統(tǒng)工程預(yù)研工作最后的成品是一個實(shí)驗(yàn)裝置，不是一個完整的系統(tǒng)，它離真正的應(yīng)用有一定的差距，除了第五章所述的幾個問題之外，主要體現(xiàn)在：雙軸穩(wěn)定。由第二章可以得知，采用雙軸平臺時，因?yàn)樵跐L轉(zhuǎn)方向的角運(yùn)動沒有被隔離，所以CCD相機(jī)的鏡頭隨著基座的搖擺而滾動，其敏感的圖象也是搖擺的，這樣獲取的圖像仍然是不清晰的，在一些視線穩(wěn)定應(yīng)用領(lǐng)域，這是有局限性的。要克服這一點(diǎn)，就必須再加一個框架，設(shè)計(jì)三軸穩(wěn)定平臺。但是用戶的要求是多種多樣的，在有的應(yīng)用領(lǐng)域雙軸平臺也足夠。在多樣化的應(yīng)用條件下，如何在較短的時間內(nèi)，提供滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的視線穩(wěn)定系統(tǒng)，是擺在設(shè)計(jì)者面前的問題。在前面的工作基礎(chǔ)之上，筆者提出了一個工程項(xiàng)目上的解決方案——多功能通用平臺系統(tǒng)工程（Multi-FunctionUniversalPlatformSystem，MFUPS）。6.1功能定位 MFUPS將是一套通用的機(jī)電系統(tǒng)。根據(jù)以前的工作，估計(jì)在整個工程項(xiàng)目完成之后，MFUPS將具有以下功能有：采用模塊化設(shè)計(jì)方法，云臺可以拆卸，可以根據(jù)實(shí)際需要組成雙軸或三軸環(huán)架系統(tǒng)。云臺本體可以安裝在靜基座上，加上定制的控制系統(tǒng)裝置后就可作為靜基座的定向系統(tǒng)和跟蹤測量云臺。當(dāng)在臺體上安裝光纖陀螺儀，加上可選的控制系統(tǒng)裝置后可以作為高可靠的雙軸或三軸穩(wěn)定平臺。可以安放在車輛、船舶與空間飛行器上，用于各種不同規(guī)格、不同重量負(fù)載的穩(wěn)定、隔振和定向。當(dāng)在臺體上安裝CCD鏡頭，加上定制的伺服控制系統(tǒng)裝置與CCD圖像檢測系統(tǒng)就可以作為視頻跟蹤與測量系統(tǒng)，如經(jīng)緯儀裝置。當(dāng)在臺體上安裝CCD鏡頭與光纖陀螺儀，加上可選的伺服控制系統(tǒng)裝置與CCD圖像檢測系統(tǒng)，就可以作為機(jī)載、車載、船載的CCD目標(biāo)跟蹤與測量系統(tǒng)。由以上可以看到，MFUPS是一個高性能、多功能的運(yùn)動控制系統(tǒng)，研制成功后，它將在軍事、民用領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。其主要用途：靜基座跟蹤測量裝置，作為高可靠性的經(jīng)緯儀；高精度、高可靠雙軸或三軸負(fù)載自適應(yīng)穩(wěn)定平臺；高可靠的坦克、武裝直升機(jī)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)；高性能、高可靠的動基座電視圖像跟蹤系統(tǒng)；天線指向穩(wěn)定系統(tǒng)。6.2基本考慮可以采用多種控制方式：遙控方式（remotecontrol）手柄控制方式(joystickcontrol)計(jì)算機(jī)控制方式(computerbasedcontrol)以上控制裝置可依據(jù)具體的應(yīng)用來由用戶定制。并利用適當(dāng)?shù)目刂品椒▽Σ煌呢?fù)載實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。可靠性保證：元件保證采用無刷直接驅(qū)動電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，采用無機(jī)械轉(zhuǎn)子的光纖陀螺作為穩(wěn)定的傳感器。無刷電機(jī)和光纖陀螺的平均無故障時間遠(yuǎn)比有刷電機(jī)和機(jī)械陀螺要長，維護(hù)也簡單，對工作環(huán)境的要求低。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證可靠的安全保護(hù)措施，采用滑刷實(shí)現(xiàn)平臺外環(huán)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，這樣可以從根本上防止平臺在意外情況下出現(xiàn)安全事故。采用限位開關(guān)和擋塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)或滾轉(zhuǎn)環(huán)的兩級安全保護(hù)。急停處理。當(dāng)出現(xiàn)事故時，采用硬件方法使系統(tǒng)自動停止伺服，從而使事故造成的損壞降低到最低程度。容錯的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和完善的軟件故障診斷采用數(shù)字控制和模擬控制相結(jié)合的方法，當(dāng)一種控制方法失效或出現(xiàn)故障時，另一種控制仍然可以使系統(tǒng)連續(xù)工作。由此帶來的另外一個好處是：模擬控制可以使伺服系統(tǒng)達(dá)到很高的剛度保證控制的平滑性，并且一旦計(jì)算機(jī)程序控制失效（如計(jì)算機(jī)死鎖時）時仍可有效的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全控制，而利用數(shù)字控制則可以對系統(tǒng)進(jìn)行可靠的程序監(jiān)控和各種基于解析冗余的容錯控制和故障診斷算法，從而降低硬件冗余處理電路帶來的額外成本。采用軟件和硬件故障診斷相結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線故障診斷和處理。集成化的解決方式與模塊化、系列化的處理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通用化和多功能。集成化的解決辦法：基于DSP/ASIC集成化電子電路實(shí)現(xiàn)云臺運(yùn)動的精密規(guī)劃和高速控制。這樣可以縮小電路系統(tǒng)的體積。采用小體積驅(qū)動器的無刷直接驅(qū)動電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行器。采用雙軸或三軸小體積光纖陀螺儀作為平臺穩(wěn)定的傳感器。模塊化處理：平臺環(huán)架的模塊化處理：一般來說，應(yīng)用于實(shí)際的平臺系統(tǒng)為兩軸或三軸的，為了面向用戶及時推出用戶需要的平臺系統(tǒng)，采用模塊化處理，即在兩軸平臺的基礎(chǔ)之上，第三軸配置是可以拆卸的。也就是說：平臺既可以進(jìn)行三軸配置，又可以作為兩軸配置。最終將實(shí)現(xiàn)平臺的通用性和多功能?？刂蒲b置的模塊化處理：采用DSP/ASIC電路作為底層運(yùn)動控制器，IPC通過遠(yuǎn)程串行數(shù)字接口或者專門遙控電路作為遠(yuǎn)距離監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。監(jiān)控計(jì)算機(jī)、底層控制電路，遙控電路、手柄控制電路分別按功能模塊化。系列化處理：模塊化解決一定重量和尺寸檔次下不同功能（如：動基座攝像機(jī)要求3軸穩(wěn)定，激光器、天線要求雙軸穩(wěn)定）負(fù)載的要求，為了滿足不同檔次尺寸和重量的負(fù)載的要求，需要將產(chǎn)品系列化，以適應(yīng)不同檔次負(fù)載的要求，以保證平臺結(jié)構(gòu)的緊湊。高動態(tài)性能以滿足重負(fù)載穩(wěn)定剛度要求。這由所選的光纖陀螺的輸出特性保證。采用模擬輸出光纖陀螺，其數(shù)字化電路由用戶定制。這樣可以保證系統(tǒng)性能的優(yōu)化。6.3實(shí)體配置 根據(jù)不同級別和應(yīng)用場合的要求，MFUPS分為三個主要實(shí)體，每一個實(shí)體面向一類具體的應(yīng)用，其基本功能逐漸完善和全面：1.手柄控制云臺（用于靜基座跟蹤架和定位定向系統(tǒng)） 云臺系統(tǒng)的主要部件有：環(huán)架三軸或者雙軸環(huán)架，模塊化體制，各個環(huán)架可拆卸。主機(jī)（IPC）為性能可靠的小體積工業(yè)用PC機(jī)。主機(jī)接收操作者的指令（通過手柄和鍵盤），將其送至運(yùn)動控制卡，實(shí)現(xiàn)操作者對系統(tǒng)的有效監(jiān)控和干預(yù)。同時，主機(jī)接收運(yùn)動控制卡傳來的系統(tǒng)的運(yùn)行信息，經(jīng)過處理后提供給操作者，為操作者的決策提供依據(jù)。精密運(yùn)動控制卡控制電路核心為高性能DSP，為了縮小電路體積，采用在系統(tǒng)可編程邏輯器件作為運(yùn)動控制DSP的外設(shè)和數(shù)字I/O擴(kuò)展。采用性能可靠的串行傳輸方式（如RS-232/485接口形式）。對模擬接口電路作特殊處理，保證電磁兼容性能在允許的范圍之內(nèi)。運(yùn)動控制卡的任務(wù)是接收從各個端口（模擬端口和數(shù)字端口）傳送來的傳感器數(shù)據(jù)（如碼盤、陀螺、接近開關(guān)等）和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號，經(jīng)過分析和處理后，做出決策，送給各類執(zhí)行器（電機(jī)和開關(guān)），從而實(shí)現(xiàn)云臺平穩(wěn)安全的運(yùn)動軌跡規(guī)劃和控制。通過遙控接口電路或串行接口電路接收主機(jī)傳送來的指令，實(shí)現(xiàn)人對系統(tǒng)有效的運(yùn)動監(jiān)控。同時，將一些感興趣的數(shù)據(jù)送至主機(jī)，供主機(jī)作進(jìn)一步的處理。無刷直接驅(qū)動電機(jī)手柄及手柄接口電路操作者可以通過手柄，改變云臺的方位，實(shí)現(xiàn)對云臺上的相機(jī)手動定位定向。 2.穩(wěn)定平臺（用于動基座跟蹤架或定位定向系統(tǒng)）云臺雙軸或三軸光纖陀螺陀螺信號調(diào)調(diào)電路基于穩(wěn)定平臺的CCD電視圖像跟蹤系統(tǒng)（用于動基座機(jī)動目標(biāo)的跟蹤與識別）圖6-1動基座CCD目標(biāo)跟蹤測量系統(tǒng)Figure6-1CCDtargettracking&measurementsystemwithmovingbase-foundation 整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。可以看到，系統(tǒng)由如下幾部分組成：三軸穩(wěn)定平臺CCD攝像機(jī)CCD視頻處理系統(tǒng)6.4主要技術(shù)問題臺體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)臺體的機(jī)械設(shè)計(jì)將是MFUPS的一個難點(diǎn)。如何在保證定位精度的前提下，達(dá)到平臺框架模塊化、三軸可配置是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個技術(shù)問題。模塊化的實(shí)現(xiàn)方法是：根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的場合與系統(tǒng)的分析各種誤差源，將對控制系統(tǒng)精度的要求、機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)用的需求有機(jī)的結(jié)合起來，合理的分配機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、元器件的誤差要求。在工程立項(xiàng)后，可通過合理調(diào)配誤差在機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)中的分配，使系統(tǒng)在各方面的要求得到綜合的考慮，從而實(shí)現(xiàn)模塊化的要求。運(yùn)動控制電路設(shè)計(jì)運(yùn)動控制電路是系統(tǒng)的核心電子裝置，它將完成系統(tǒng)的各種運(yùn)動規(guī)劃和控制，對運(yùn)動控制電路的基本要求是：體積小，集成化程度高?？梢圆捎靡惑w化的嵌入式DSP和可編程ASIC電路與采用多層PCB板體制來實(shí)現(xiàn)。可靠性高，接口方便。模塊化設(shè)計(jì)，以能及時滿足實(shí)際要求，配上不同的功能模塊電路，降低成品成本。光纖陀螺儀輸出信號處理光纖陀螺儀可靠性極高，平均無故障時間要比機(jī)械陀螺長10倍以上，但是輸出噪聲大，溫度特性差。因此，利用其組成數(shù)字控制器之前，需要對其作特殊處理，也就是說，一是要補(bǔ)償其溫度特性，二是要采取一定手段將其降低噪聲對系統(tǒng)的影響。負(fù)載自適應(yīng)的三軸穩(wěn)定MFUPS是在負(fù)載大變動的前提下，仍能保證負(fù)載穩(wěn)定的指標(biāo)要求。前面已經(jīng)提到，當(dāng)負(fù)載變動時，引起系統(tǒng)多方面的改變：包括框架轉(zhuǎn)動慣量、諧振頻率、摩擦非線性特性。因此，需要設(shè)計(jì)后的控制系統(tǒng)對這些改變有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。CCD目標(biāo)識別在CCD電視圖像跟蹤系統(tǒng)中，需要對截獲的圖像信息進(jìn)行處理，從中提取目標(biāo)信號，得到目標(biāo)的方位信息，從而為目標(biāo)跟蹤提供依據(jù)。目前，在簡單背景中的低速目標(biāo)的跟蹤問題已經(jīng)基本成熟，在復(fù)雜背景中捕獲固定目標(biāo)和低速運(yùn)動物體也可以通過圖像匹配的方法來解決。但是對于復(fù)雜背景下的機(jī)動目標(biāo)的識別，需要更深入的研究的技術(shù)研究。CCD機(jī)動目標(biāo)跟蹤高機(jī)動目標(biāo)跟蹤的特點(diǎn)是：要求跟蹤的目標(biāo)角速度與角加速度范圍大，對跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時性要求高。由于目標(biāo)的機(jī)動變軌，而高分辨率的CCD相機(jī)視場一般非常窄，因而很可能由于圖像處理速度和跟蹤速度的限制導(dǎo)致目標(biāo)的丟失。因此，如何設(shè)計(jì)跟蹤算法，保證精度要求的同時又盡可能的保證跟蹤的實(shí)時性，是需要處理的又一大技術(shù)問題。容錯控制和故障診斷容錯控制和故障診斷將作為平臺設(shè)計(jì)的一個基本出發(fā)點(diǎn)貫穿設(shè)計(jì)的始終。由于MFUPS是一個安全性要求很高的精密運(yùn)動控制系統(tǒng)，故在設(shè)計(jì)中對其容錯性應(yīng)該作最慎重的考慮。如何設(shè)計(jì)出良好的容錯控制系統(tǒng)以及故障診斷處理程序，保證系統(tǒng)在各種環(huán)境下正常運(yùn)行，是工程首要需要考慮的技術(shù)問題。6.5本章小結(jié)本章作為