车载平台随动控制系统及其随动控制方法

车载平台随动控制系统及其随动控制方法

席守治

中国人民解放军69242部队 838000

摘要：在现代地球探测领域，限制光电探测目标图像位置和精度的主要因素是机动车辆行驶时仪器工作平台的不稳定程度。以往业界的应用对象是在提供搜索车探测稳定工作平台之前使车辆保持静止状态，难以满足现代运动中的连续测量要求。以此为起点，以自动控制理论为指导，设计了一种采用硬件模块上PID自动控制算法的三点刚性机电支架自动调平系统，认识到支架还能在整个过程中为搜索仪器提供稳定水平的工作平台。

关键词：车载平台随动控制系统及其随动控制方法

引言

随着现代军事装备的智能化升级，武器装备对感知认知与智能控制提出了更高需求。随动装备作为一种典型的智能化装备，通过多种技术手段把受控对象与操控人员的肢体动作直接结合，实现自然的人机交互方式，提升作战效率。在随动控制装备中，人员头部运动由惯性传感器、光电系统采集，经融合解算得到人员头部相对载具舱体的位置姿态变化量，生成控制信息。该控制信息经载具控制总线传递给武器站、观察镜、雷达等执行设备，控制其跟随载具乘员头部实时准确运动。随动控制系统的低延迟与高精度需求使得随动装备对信采集到控制执行的实时性、准确性与稳定性有极强依赖。

一、车载随动系统组成

伺服计算机是跟踪系统的控制中心，接收军事控制计算机发送的发射装置方位指令、左/右发射架下角指令，并通过坐标转换、拉格朗日插值将转速指令发送给机组交替电流(AC)伺服驱动系统是发射装置的驱动机构。采用三相交替永磁同步电机为发射装置提供驱动力矩。驱动收到伺服计算机的调速指令后，功率放大电路形成驱动电机电压，电机通过减速器旋转并作用于发射装置。发射装置的实际位置通过角度测量装置发送到伺服计算机，最终形成了跟踪系统的闭环控制。

二、调平系统

光电搜索仪器嵌入式平台自调平系统主要由探测装置、执行机构、控制系统和电源模块四部分组成，用于连续不断地将支撑仪器平台从轻度倾斜位置调整到水平底座(1)检测装置采用两轴倾斜角度传感器测量传感器工作平台相对水平参考平面的倾斜。角度输出值的尺寸和分辨率是评估自调平系统渐进调平和确定平台精度的基础。(2)自调平系统采用三点刚性机电支撑结构作为系统的执行机构，其固定辅助支撑轴通过球形铰链与顶平台相连，三轴分为等正交三角形，移动轴采用预球杆结构(3)控制系统是光电搜索装置嵌入式平台自调平系统的关键组成部分，采用微控制器处理芯片作为模块脑，采用高精度模块转换器ADC模块采集的姿态传感器输出倾斜值作为值 并在与平台给出的平面水平偏差比较后，将经典PID控制器中输出执行装置所需的脉冲值与步进电机的电传和电传调节进行比较。(4)电源模块主要为步进执行机构、检测装置、控制系统及相关外围电路提供稳定电源。

三、交流伺服驱动系统建模

交流伺服驱动系统包括转速环和电流环。转速环是外环，主要用于控制发动机转速。转速环反馈来自电机编码器的旋转信号，转速是由机组内部芯片解码后得到的，由机组进行转速环闭环控制。电流环是内圈，主要用于控制电机电流，以确保感应电流在起动时不超过允许值。电流环的返回来自每个相位中安装在单元内的霍尔元件，单元对电流值进行采样后，完成了电流环的闭环控制。由于往复式永磁电机内部电磁场之间关系复杂，难以建立数学模型。因此，在动力学模拟期间，直流马达通常由感应电压控制。为了简化发动机模型，采用了以下假设:磁场的高谐波效应、感应电路的电感、转子的电阻、永磁体的阻尼以及内部磁场饱和效应和磁滞效应引起的损耗。这样，驱动放大器可以大致形成成比例链，执行电动机简化成一级惯性链，并旋转成一个完整的链。

四、系统电源电路设计

在光电研究仪器的嵌入式平台自平衡系统中，考虑到电网供电可以在研究仪器检测过程中增加交流信号干扰，项目采用+48V和12A型大容量锂电池进行设计供电，并使用DC-DC surf 4824 QB 100 wr 3模块(最大输出电流为4.2A)通过两个+24V通道向步进执行机构提供电源。同时，当电压+24V通过另一DC-DC模块稳定后，lwr 50410、LM1117-3.3电压转换芯片降低到+5V和+3.3V为单片机、双轴姿态传感器、环流和ADC模块提供电源。

五、领俯仰随动系统结构设计

旋转相切旋转轴以旋转相切载荷。载荷运动通过弹性连接零件传输到高精度光电板，多个之间没有过渡连接，并且保证了切角的传输精度。为了便于安装，在装配俯仰和偏置系统时，光驱的支架轴可以沿该轴移动。为了避免失去电气控制，确保设备安全，在负载运行到极限位置时，具有电气闭锁装置和机械闭锁装置，电气闭锁装置位于机械闭锁装置之前。水冷却系统安装在u型支架的底座上，其循环水管穿过u型支架侧臂腔，通过球形轴承回转接头分别连接到俯仰旋转轴和光驱支架轴。俯仰旋转轴和光电板支承轴均为空心密封轴，分别有进水接口和出水接口，雷达水冷却系统循环水贯穿，从而节省了大量管道，减轻了整体重量。方位跟踪系统天线座壳和俯仰跟踪系统u型支架采用一体成型，有效简化了设计，减少了装配环节，同时在一定程度上提高了系统装配精度，降低了零件处理成本。

六、云台控制设计

在随动控制应用中，云台需要对外部控制命令做出准确且快速的响应，要求云台有较高的位置控制实时性与准确性。但传统小型云台因转动惯量较大，电机驱动力矩不足，无法满足此应用的动态特性需求。同时，较大的驱动力矩会增大电机运动惯量，增大控制难度。需要根据机控制对象设计电气方案以提升整体性能。双轴云台的电气系统通过DSP实现编码器解码、电机控制功能。1）编码器解码编码器选用的18位绝对位置编码器，精度可达到±20″。在解码过程中，将DSP的两路多通道缓冲串行口（McBSP）设置为SPI模式，发送固定时钟信号至编码器，触发编码器返回编码信息。编码器返回的SSI二进制编码信息至DSP，完成数据接收过程。2）电机控制DSP通过异步串口（SCI）外设接收外部控制命令，并结合从编码器获取的云台位置信系解算出控制量（数字电压）。该控制量通过同步串口（SPI）发送，经DA转换为模拟信号发送至电机驱动器。电机驱动采用AMC公司的模块化驱动器以简化电气设计。该驱动器以开关速度快、压降小的IGBT功率模块构成双路四象限全桥电路，可根据±5V以内的模拟电压生成PWM驱动电压，对电机进行驱动。用采成熟驱动模块作为电机驱动器，其成熟度高、可靠性好，降低了机电控制难度。

七、光电码盘设计

对于高精度跟踪控制系统，测角构件的性能和精度直接影响整个系统的性能和精度。本系统测向元件采用绝对高精度光电板与增量光电板相结合的方法，其中绝对光电板用12V供电，分辨率为21位(二进制)，测向精度为σ ≤ 2 ≤ 2 >(二)增量光学编码板细分技术产生增量编码板信号，分辨率为209152行。跟踪系统采用全递增光盘作为转速反馈信号，取消了发动机附带的速度传感器，使跟踪系统实现了全面的数字化控制，大大提高了跟踪系统的控制精度和稳定性。绝对光盘采用空心轴形式，光盘盒通过弹性联接件连接方位跟踪系统天线座(升降跟踪系统u框)，光盘轴直接连接方位跟踪系统轴(跟踪系统轴)弹性接插件可有效降低光电码板安装过程中的偏心误差，从而确保光电码板的传输精度。

结束语

在现场试验后，项目设计的控制系统硬件和软件成功实现了光电搜索仪器机动车行驶过程中工作平台的连续自动调平，调平时间和调平精度高于指标要求单元质量管理系统认证后，在一定类型的光电探测器机动车辆中少量投入使用，并在地下管道、洞和雪面冰厚度的光电检测过程中得到成功应用。同时，文章中规定的自调平算法、自调平过程以及自调平系统的硬件和软件具有良好的通用性和便携性，可适用于其他需要移动自调平设备且具有一定推广价值的应用。

参考文献

[1]何恩.基于阶跃测试的连续系统辨识方法研究[D].北京:北京化工大学,2016.

[2]陈兆兵,郭劲,王兵等.车载高架式光电探测系统的作战效能评估[J].光学精密工程,2013,21(1):77-86.

[3］夏芳，谢红军.车载卫星天线用交流伺服系统设计［J］.上海航天，2005（1）：39-42.