CN102129250B - 运动载体光电设备惯性稳定瞄准线扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动载体光电设备惯性稳定瞄准线扫描方法，该方法在不改变光电设备原瞄准线稳定控制结构的前提下通过在指令输入和稳定控制器之间加入扫描控制器实现的，扫描控制器根据扫描指令依次计算积分常数、调速电压和扫描速度，并将计算结果作为调速信号输出到稳定控制器的速度环稳定回路，使光电平台的转动速度按照斜坡式的速度输入曲线逐渐变化。本发明具有调节时间短，速度均匀性好，无超调等优点，可广泛应用于机载、舰载、车载光电稳定平台的扫描。

Description

运动载体光电设备惯性稳定瞄准线扫描方法

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，主要涉及一种可使光电观瞄或跟踪设备获得稳定瞄准线的扫描方法，尤其涉及一种在飞机、舰船、车辆等运动载体环境条件下，利用速率陀螺实现惯性稳定瞄准线的快速扫描方法。 

背景技术

光电稳定平台是一种安装在运动载体(武器平台)上对目标进行搜索、瞄准、跟踪、照射和测距的光电设备，常见的稳定形式有整体稳定形式和反射镜稳定形式。 

光电稳定平台一般很少选用快速扫描的工作方式。这是因为传感器自身重量和安装结构的特点，使其转动惯量较大，因而要实现整个稳定框架高速旋转并保持一定的精度是困难的。然而，某些特定应用场合，有时也会出现要求稳定平台进行快速扫描的需求，以满足某些传感器或武器系统的特殊要求。例如，红外搜索跟踪系统(IRST)是一种完全被动式红外探测系统，可昼夜工作，而且不存在电磁干扰问题，还可在烟雾或小雨雪条件下工作，全天候工作能力优于电视监视系统，在现代军事装备中具有很高的应用价值。由于IRST往往采用线阵列红外探测器，能够探测的角度很小，因而在工作时需要采用扇区扫描或周视扫描的形式来扩大搜索、探测范围。另外，还有一些执行警戒或侦察等任务的车载、机载或舰载光电观瞄设备，为了减轻驾驶员或飞行员的工作负担，取得更好的人机功效，往往也需要采用扫描工作方式来获得稳定的瞄准线。 

图1给出了常见的瞄准线稳定伺服控制原理框图。采用该原理的扫描速度一般取决于电机的转速和力矩以及陀螺仪所能够承受的最大加速度。若要使光电稳定平台进行扇区扫描，需要在指令输入端输入相应的速度指令信号，当平台转动到扫描范围的边界时，再输入相反的速度指令，使平台以相反的速度转动。光电平台在扇区扫描时的速度指令曲线见图2(a)，这是一组与光电平台位置信息相关的阶跃信号。为了便于理解，将横坐标选取为时间坐标，即用图2(b)给出了光电平台在扇区扫描时的位置和时间关系曲线。当光电平台仅以稳定控制器作为调节器进行扇区扫描时，尤其是在转动惯量较大的情况下会存在以下缺陷：(1)超调量大，很容易产生过冲；(2)伺服系统容易振荡，进入稳态的时间较长；(3)速度均匀性不好，其扫描过程中的速度波动无法满足一些要求较高的应用需求如IRST；(4)由于在进行转动方向切换时对加速度没有限制，造成加速度过大并导致对惯性传感器——陀螺仪的敏感部件造成损伤。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在不改变现有光电稳定平台控制结构的基础上，提供一种惯性稳定瞄准线扫描方法，以克服现有技术中光电稳定平台进行扫描运动时所存在的问题。 

为解决上述技术问题，本发明提供的惯性稳定瞄准线扫描方法包括以下操作步骤： 

第一步，通过第一、第二AD解算芯片读取陀螺输出的两路信号U_x和U_y并分别解算出视轴的方位和俯仰速度ω_gx、ω_gy； 

第二步，判断操作员或上位机是否给出扫描需求指令：若接到扫描需求指令，接着执行第三步，若未接到扫描需求指令，则将解算出的视轴方位和俯仰速度ω_gx、ω_gy分别与方位指令C_az和俯仰指令C_el作差运算，将运算结果作为输入到稳定控制器的误差信号E_a、E_e，接着执行第四步； 

第三步，按照以下分步骤完成扫描控制器操作环节： 

3.1 接收方位、俯仰扫描速度指令C_az、C_el并对应转换成方位速度值ωx、俯仰速度值ωy，当方位速度值ωx或俯仰速度值ωy大于伺服系统所能够达到的方位最大速度ωx_max或俯仰最大速度ωyx_max时，令ωx＝ωx_max，ωy＝ωy_max； 

3.2 根据方位速度值ωx、俯仰速度值ωy和操作员或上位机要求的速度切换时间t，计算实现扫描所要求达到的方位加速度Ax、俯仰加速度Ay：当方位加速度Ax、俯仰加速度Ay大于伺服系统所能够达到的方位最大加速度Axmax或俯仰最大加速度Aymax时，令Ax＝Axmax，Ay＝Aymax； 

3.3 根据伺服计算机中的软件任务周期时间T计算方位速度积分常数δx和俯仰速度积分常数δy； 

3.4 令扫描控制器输出的方位调速电压Ux_scan＝Ux_scan+δx、俯仰调速电压Uy_scan＝Uy_scan+δy，Ux_scan、Uy_scan的初值均为零； 

3.5 判断扫描控制器输出的方位或俯仰调速电压Ux_scan、Uy_scan是否使光电稳定平台达到操作员或上位机要求的方位扫描速度ωx、或俯仰扫描速度ωy，若均不满足或其中之一不满足要求，重复第3.4步骤，直至满足要求后进行3.6步； 

3.6 将第一步骤中解算出的视轴方位或俯仰速度ω_gx、ω_gy与扫描控制器解算出的方位速度指令ωx_scan和俯仰速度指令ωy_scan作差运算，并将运算结果 

作为输入到稳定控制器的误差信号E_a、E_e； 

第四步，稳定控制器依据输入误差信号E_a和E_e和控制模型解算出方位和俯仰控制量并通过DA转换器送入光电稳定平台的方位和俯仰PWM功放电路，释放计算机资源，并返回到第一步，直到接到关机命令。 

本发明的有益效果体现在以下几个方面。 

(一)本发明的扫描控制方法是在光电设备原瞄准线稳定控制结构和相关机构不变的前提下通过在指令输入和稳定控制器之间加入扫描控制器实现的，扫描控制器根据扫描指令依次计算积分常数、调速电压和扫描速度，并将计算结果作为调速信号输出到稳定控制器的速度环稳定回路，使光电平台的转动速度按照斜坡式的速度输入曲线逐渐变化。当扫描速度指令不同时，计算出的积分常数和积分运算的输出也不同，当输入的速度指令为正时，积分单元向正方向积分；当输入的速度指令为负时，积分单元向负方向积分。如果积分运算的结果达到或超过输入的速度指令，将停止积分运算，保持原值不变。采用本发明实现的瞄准线稳定扫描具有响应速度快，过渡过程短，无超调，扫描曲线平滑，速度均匀性好等优点。不仅适用于扇形扫描，也适用于周视(n×360°)回转扫描；不仅适用于反射镜稳定形式的光电平台，也适用于采用整体稳定形式的光电平台；还可以根据需要用于光电系统搜索或传感器探测的场合。 

(二)在本发明的扫描方法中，由于对加速度进行了限制，不会对惯性传感器造成损伤，因而本发明特别适用于扫描加速度较大的应用场合。 

(三)本发明的扫描方法是通过软件算法实现的，不需要增加任何硬件资源，具有方便快捷、简单经济的优点。 

附图说明

图1瞄准线稳定控制原理框图。 

图2是在扇区扫描时的速度指令曲线和位置曲线。 

图3是采用扫描控制器的控制原理框图。 

图4是本发明惯性瞄准线扫描方法运行的伺服平台组成框图。 

图5是图4所示的伺服平台主程序任务描述图。 

图6是本发明惯性瞄准线扫描方法的主程序流程图。 

图7是图6中所示的扫描控制器环节的操控流程图。 

图8是光电稳定平台应用本发明进行扇区扫描的试验结果曲线。 

具体实施说明 

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。 

正如图3所示，采用本发明扫描方法的光电平台伺服系统包括伺服计算机、两个RD解算单元、两个AD解算单元、两个DA解算单元。第一RD芯片以光电平台方位旋转变压器输出的正弦信号α为输入，并将其转换为数字信号发送至计算机总线上；第二RD芯片以光电平台俯仰旋转变压器输出的余弦信号β为输入，并将其转换为数字信号发送至计算机总线上。光电平台上陀螺输出的两路模拟信号ω_gx、ω_gy对应接入第一、第二AD解算芯片并分别转换成数字信号后送入计算机总线上。伺服计算机以查询方式定期采集总线上的各种信号，经其内基于VxWorks实时操作软件处理后形成控制信号，该控制信号分别通过第一、第二DA芯片转换成两路模拟信号，并送入相应的PWM功放电路，从而驱动光电平台的方位和俯仰运动。 

在上述伺服控制系统中，基于VxWorks实时操作软件中含有瞄准线稳定伺服控制单元，该单元是对光电平台实施伺服控制的核心。与现有瞄准线稳定伺服控制器不同的是，该瞄准线稳定伺服控制单元在稳定控制器之前增加了一个扫描控制器(参见图4)，以满足用户系统有时对光电平台提出的扫描功能要求。在此，稳定控制器或是简单的经典控制器，或是各种复杂的现代控制器。 

当伺服计算机上电后，基于VxWorks实时操作软件按照图5所示的工作流程进行操控：即在引导区中对外围硬件进行初始化、创建伺服任务、启动辅助时钟定时中断、打开驱动使能；在定时中断服务程序中释放一个二进制变量，调用瞄准线稳定伺服控制单元执行伺服任务，即重复扫描二进制变量，在获取输入信号时即可进行伺服控制计算，未获取输入信号时则释放计算机资源；中止程序关闭中断和使能、删除伺服任务。 

根据图6所示，瞄准线稳定伺服控制单元在执行伺服任务时，重复等待二进制握手信号：在获取握手信号后，依次通过第一、第二AD解算芯片读取陀螺输出的两路信号U_x和U_y并分别解算出视轴的方位和俯仰速度ω_gx、ω_gy；接着判断上位机或操作员要求是否给出需要扫描的指令：若未接到需要 扫描指令，则将解算出的视轴方位和俯仰速度ω_gx、ω_gy分别与方位指令Ux和俯仰指令Uy作差运算，将运算结果作为控制器输入的误差信号E_a、E_e并进入稳定控制器操作环节；稳定控制器依据输入误差信号E_a和E_e和控制模型解算出方位和俯仰控制量并通过DA转换器送入方位和俯仰PWM功放电路，最后释放计算机资源；若接到需要扫描指令，则先进入扫描控制器操作环节，再进入稳定控制器操作环节。至此，完成了一个伺服控制过程，之后循环往复进行上述伺服控制过程。 

在上述稳定伺服控制流程中，扫描控制器的操作环节是本发明的核心内容。根据图7所示，当瞄准线稳定伺服控制单元进入扫描工作模式时，扫描控制器完成以下操作步骤： 

(1)接收扫描速度指令。该扫描速度指令是上级计算机或操作人员要求实现的扫描角速度，由于接口形式等各种原因，通常伺服计算机获得的扫描速度指令只是一个与速度相关的电压信号，为了能够方便计算其它参数，需要先将其转化为速度值，即通过下式计算得出要求的扫描速度值： 

  ω＝K·U     ω≤ω_max时 

或ω＝ω_max    ω＞ω_max时(1) 

其中，ω为伺服系统要求的方位或俯仰扫描速度，单位为°/秒K为平台速度与输出电压的比例因子(可以从陀螺标度因数处获得)，单位为°/秒/V；Ux、Uy为伺服系统输入的方位或俯仰速度指令，是与速度相关的电压信号，单位为V；ω_max伺服系统所能够达到的方位或俯仰最大速度，单位为°/秒。 

(2)通过下式计算实现扫描所要求达到的加速度： 

  A＝2ω/t    A≤Amax时 

或A＝Amax     A＞Amax时(2) 

其中，A为实现扫描所需达到的方位或俯仰加速度，单位为°/秒²；t为要求的速度切换时间，单位为秒；Amax为伺服系统所能够承受的方位或俯仰最大加速度，单位为°/秒²。 

(3)通过下式计算积分常数(实际上是步进电压值)： 

δ＝A·T/K    (3) 

其中，δ为方位或俯仰积分常数，单位为V；T为任务周期，单位为秒。至此，完成了扫描控制器中的指令解算功能。 

(4)通过下式计算扫描控制器输出的调速电压指令： 

U_scan＝U_scan+δ(4) 

其中，U_scan为扫描控制器输出的方位或俯仰调速电压指令，初值为零，单位为V。 

(5)判断扫描控制器输出的方位或俯仰调速电压Ux_scan、Uy_scan是否使光电稳定平台达到操作员或上位机要求的方位扫描速度ωx、或俯仰扫描速度ωy，若均不满足或其中之一不满足要求，重复第(4)步骤，直至满足要求。 

(6)将解算出的视轴方位或俯仰速度ω_gx、ω_gy与扫描控制器解算出的方位速度指令ωx_scanx和俯仰速度指令ωy_scany作差运算，将运算结果作为控制器输入的误差信号E_a、E_e并返回到主控程序。 

图8是在一个采用整体稳定形式的光电稳定平台上使用本发明进行方位扇区扫描的试验结果，它记录了扇区扫描的速度曲线的波形(从陀螺输出信号采集)。扫描的范围是±60°，扫描速度为120°/秒。从这个试验结果来看，速度扫描曲线具有上升时间短、超调小和速度均匀性好的优点，较好地解决了常规控制中超调量和调节时间的矛盾问题。 

本发明提供的控制方法不仅适用于反射镜稳定形式的光电平台，也适用于采用整体稳定形式的光电平台，可以根据需要用于光电系统搜索或传感器探测的场合，在机载、舰载、车载光电系统中具有很广阔的应用前景。 

Claims (1)

1.一种光电惯性稳定平台的瞄准线扫描运动的控制方法，其特征在于，该方法包括以下伺服控制步骤：

第一步，通过AD解算芯片读取陀螺输出的两路电压信号U_x和U_y并分别解算出视轴的方位和俯仰速度ω_gx、ω_gy；

第二步，判断操作员或上位机是否给出扫描需求指令：若接到扫描需求指令，接着执行第三步，若未接到扫描需求指令，则将解算出的视轴方位和俯仰速度ω_gx、ω_gy分别与方位指令C_az和俯仰指令C_el作差运算，将运算结果作为输入到稳定控制器的误差信号E_a、E_e，接着执行第四步；

第三步，按照以下分步骤完成扫描控制器操作环节：

3.1 接收方位、俯仰扫描速度指令C_az、C_el并对应转换成方位速度值ωx、俯仰速度值ωy，当方位速度值ωx或俯仰速度值ωy大于伺服系统所能够达到的方位最大速度ωx_max或俯仰最大速度ωyx_max时，令ωx＝ωx_max，ωy＝ωy_max；

3.2 根据方位速度值ωx、俯仰速度值ωy和操作员或上位机要求的速度切换时间t，计算实现扫描所要求达到的方位加速度Ax、俯仰加速度Ay：当方位加速度Ax、俯仰加速度Ay大于伺服系统所能够达到的方位最大加速度Axmax或俯仰最大加速度Aymax时，令Ax＝Axmax，Ay＝Aymax；

3.3 根据伺服计算机中的软件任务周期时间T计算方位速度积分常数δx和俯仰速度积分常数δy；

3.4 令扫描控制器输出的方位调速电压Ux_scan＝Ux_scan+δx、俯仰调速电压Uy_scan＝Uy_scan+δy，Ux_scan、Uy_scan的初值均为零；

3.5判断扫描控制器输出的方位或俯仰调速电压Ux_scan、Uy_scan是否使光电稳定平台达到操作员或上位机要求的方位扫描速度ωx、或俯仰扫描速度ωy，若均不满足或其中之一不满足要求，重复第3.4步骤，直至满足要求后进行3.6步骤； 

3.6将第一步骤中解算出的视轴方位或俯仰速度ω_gx、ω_gy与扫描控制器解算出的方位速度指令ωx_scan和俯仰速度指令ωy_scan作差运算，并将运算结果作为输入到稳定控制器的误差信号E_a、E_e；

第四步，稳定控制器依据输入误差信号E_a和E_e和控制模型解算出方位和俯仰控制量并通过DA转换器送入光电稳定平台的方位和俯仰PWM功放电路，释放计算机资源，并返回到第一步，直到接到关机命令。 

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