硕士论文光纤陀螺视线稳定系统的设计与工程实现-第6章 改进方案giuv.docx

第6章 多功能通用平台系统工程第六章 多功能能通用平平台系统统工程预研工作作最后的的成品是是一个实实验装置置，不是是一个完完整的系系统，它它离真正正的应用用有一定定的差距距，除了了第五章章所述的的几个问问题之外外，主要要体现在在：双轴轴稳定。由由第二章章可以得得知，采采用双轴轴平台时时，因为为在滚转转方向的的角运动动没有被被隔离，所所以CCCD相机机的镜头头随着基基座的摇摇摆而滚滚动，其其敏感的的图象也也是摇摆摆的，这这样获取取的图像像仍然是是不清晰晰的，在在一些视视线稳定定应用领领域，这这是有局局限性的的。要克克服这一一点，就就必须再再加一个个框架，设设计三轴轴稳定平平台。但但是用户户的要求求是多种种多样的的，在有有的应用用领域双双轴平台台也足够够。在多多样化的的应用条条件下，如如何在较较短的时时间内，提提供满足足不同应应用领域域的视线线稳定系系统，是是摆在设设计者面面前的问问题。在在前面的的工作基基础之上上，笔者者提出了了一个工工程项目目上的解解决方案案多功功能通用用平台系系统工程程（Muultii-Fuuncttionn Unniveersaal PPlattforrm SSysttem，MMFUPPS）。6.1 功能定定位MFUUPS将将是一套套通用的的机电系系统。根根据以前前的工作作，估计计在整个个工程项项目完成成之后，MMFUPPS将具具有以下下功能有有：1 采用模块块化设计计方法，云云台可以以拆卸，可可以根据据实际需需要组成成双轴或或三轴环环架系统统。2 云台本体体可以安安装在静静基座上上，加上上定制的的控制系系统装置置后就可可作为静静基座的的定向系系统和跟跟踪测量量云台。3 当在台体体上安装装光纤陀陀螺仪，加加上可选选的控制制系统装装置后可可以作为为高可靠靠的双轴轴或三轴轴稳定平平台。可可以安放放在车辆辆、船舶舶与空间间飞行器器上，用用于各种种不同规规格、不不同重量量负载的的稳定、隔隔振和定定向。4 当在台体体上安装装CCDD镜头，加加上定制制的伺服服控制系系统装置置与CCCD图像像检测系系统就可可以作为为视频跟跟踪与测测量系统统，如经经纬仪装装置。5 当在台体体上安装装CCDD镜头与与光纤陀陀螺仪，加加上可选选的伺服服控制系系统装置置与CCCD图像像检测系系统，就就可以作作为机载载、车载载、船载载的CCCD目标标跟踪与与测量系系统。由以上可可以看到到，MFFUPSS是一个个高性能能、多功功能的运运动控制制系统，研研制成功功后，它它将在军军事、民民用领域域中有广广泛的应应用前景景。其主主要用途途：1. 静基座跟跟踪测量量装置，作作为高可可靠性的的经纬仪仪；2. 高精度、高高可靠双双轴或三三轴负载载自适应应稳定平平台；3. 高可靠的的坦克、武武装直升升机瞄准准线稳定定跟踪系系统；4. 高性能、高高可靠的的动基座座电视图图像跟踪踪系统；5. 天线指向向稳定系系统。6.2 基本考考虑1 可以采用用多种控控制方式式：1） 遥控方式式（reemotte cconttroll）2） 手柄控制制方式(joyystiick conntrool)3） 计算机控控制方式式(coompuuterr baasedd coontrrol)以上控制制装置可可依据具具体的应应用来由由用户定定制。并并利用适适当的控控制方法法对不同同的负载载实现自自适应控控制。2 可靠性保保证：1） 元件保证证采用无刷刷直接驱驱动电机机作为执执行电机机，采用用无机械械转子的的光纤陀陀螺作为为稳定的的传感器器。无刷刷电机和和光纤陀陀螺的平平均无故故障时间间远比有有刷电机机和机械械陀螺要要长，维维护也简简单，对对工作环环境的要要求低。2） 结构设计计保证a. 可靠的安安全保护护措施，采采用滑刷刷实现平平台外环环连续旋旋转，这这样可以以从根本本上防止止平台在在意外情情况下出出现安全全事故。b. 采用限位位开关和和挡块结结构实现现内环或或滚转环环的两级级安全保保护。c. 急停处理理。当出出现事故故时，采采用硬件件方法使使系统自自动停止止伺服，从从而使事事故造成成的损坏坏降低到到最低程程度。3） 容错的控控制系统统设计和和完善的的软件故故障诊断断a. 采用数字字控制和和模拟控控制相结结合的方方法，当当一种控控制方法法失效或或出现故故障时，另另一种控控制仍然然可以使使系统连连续工作作。由此此带来的的另外一一个好处处是：模模拟控制制可以使使伺服系系统达到到很高的的刚度保保证控制制的平滑滑性，并并且一旦旦计算机机程序控控制失效效（如计计算机死死锁时）时时仍可有有效的实实现系统统的安全全控制，而而利用数数字控制制则可以以对系统统进行可可靠的程程序监控控和各种种基于解解析冗余余的容错错控制和和故障诊诊断算法法，从而而降低硬硬件冗余余处理电电路带来来的额外外成本。b. 采用软件件和硬件件故障诊诊断相结结合的办办法，实实现系统统的在线线故障诊诊断和处处理。3 集成化的的解决方方式与模模块化、系系列化的的处理相相结合实实现系统统的通用用化和多多功能。1） 集成化的的解决办办法：a. 基于DSSP/AASICC集成化化电子电电路实现现云台运运动的精精密规划划和高速速控制。这这样可以以缩小电电路系统统的体积积。b. 采用小体体积驱动动器的无无刷直接接驱动电电机作为为系统的的执行器器。c. 采用双轴轴或三轴轴小体积积光纤陀陀螺仪作作为平台台稳定的的传感器器。2） 模块化处处理：a. 平台环架架的模块块化处理理：一般般来说，应应用于实实际的平平台系统统为两轴轴或三轴轴的，为为了面向向用户及及时推出出用户需需要的平平台系统统，采用用模块化化处理，即即在两轴轴平台的的基础之之上，第第三轴配配置是可可以拆卸卸的。也也就是说说：平台台既可以以进行三三轴配置置，又可可以作为为两轴配配置。最最终将实实现平台台的通用用性和多多功能。b. 控制装置置的模块块化处理理：采用用DSPP/ASSIC电电路作为为底层运运动控制制器，IIPC通通过远程程串行数数字接口口或者专专门遥控控电路作作为远距距离监控控和数据据处理。监监控计算算机、底底层控制制电路，遥遥控电路路、手柄柄控制电电路分别别按功能能模块化化。3） 系列化处处理：模模块化解解决一定定重量和和尺寸档档次下不不同功能能（如：动基座座摄像机机要求33轴稳定定，激光光器、天天线要求求双轴稳稳定）负负载的要要求，为为了满足足不同档档次尺寸寸和重量量的负载载的要求求，需要要将产品品系列化化，以适适应不同同档次负负载的要要求，以以保证平平台结构构的紧凑凑。4 高动态性性能以满满足重负负载稳定定刚度要要求。这这由所选选的光纤纤陀螺的的输出特特性保证证。5 采用模拟拟输出光光纤陀螺螺，其数数字化电电路由用用户定制制。这样样可以保保证系统统性能的的优化。6.3实实体配置置根据不不同级别别和应用用场合的的要求，MMFUPPS分为为三个主主要实体体，每一一个实体体面向一一类具体体的应用用，其基基本功能能逐渐完完善和全全面：1. 手手柄控制制云台（用用于静基基座跟踪踪架和定定位定向向系统）云台系系统的主主要部件件有：1） 环架三轴或者者双轴环环架，模模块化体体制，各各个环架架可拆卸卸。2） 主机（IIPC）为性能可可靠的小小体积工工业用PPC机。主主机接收收操作者者的指令令（通过过手柄和和键盘），将将其送至至运动控控制卡，实实现操作作者对系系统的有有效监控控和干预预。同时时，主机机接收运运动控制制卡传来来的系统统的运行行信息，经经过处理理后提供供给操作作者，为为操作者者的决策策提供依依据。3） 精密运动动控制卡卡控制电路路核心为为高性能能DSPP，为了了缩小电电路体积积，采用用在系统统可编程程逻辑器器件作为为运动控控制DSSP的外外设和数数字I/O扩展展。采用用性能可可靠的串串行传输输方式（如如RS-2322/4885接口口形式）。对对模拟接接口电路路作特殊殊处理，保保证电磁磁兼容性性能在允允许的范范围之内内。运动控制制卡的任任务是a. 接收从各各个端口口（模拟拟端口和和数字端端口）传传送来的的传感器器数据（如如码盘、陀陀螺、接接近开关关等）和和系统运运行状态态信号，经经过分析析和处理理后，做做出决策策，送给给各类执执行器（电电机和开开关），从从而实现现云台平平稳安全全的运动动轨迹规规划和控控制。b. 通过遥控控接口电电路或串串行接口口电路接接收主机机传送来来的指令令，实现现人对系系统有效效的运动动监控。同同时，将将一些感感兴趣的的数据送送至主机机，供主主机作进进一步的的处理。4） 无刷直接接驱动电电机5） 手柄及手手柄接口口电路操作者可可以通过过手柄，改改变云台台的方位位，实现现对云台台上的相相机手动动定位定定向。2. 稳定平平台（用用于动基基座跟踪踪架或定定位定向向系统）1） 云台2） 双轴或三三轴光纤纤陀螺3） 陀螺信号号调调电电路6. 基于稳定定平台的的CCDD电视图图像跟踪踪系统（用用于动基基座机动动目标的的跟踪与与识别）图6-11 动基基座CCCD目标标跟踪测测量系统统Figuure 6-11 CCCD ttargget traackiing & mmeassureemennt ssysttem witth mmoviing basse-ffounndattionn整个系系统的结结构如图图6-1所示示。可以以看到，系系统由如如下几部部分组成成：1） 三轴稳定定平台2） CCD摄摄像机3) CCD视视频处理理系统6.4 主要技技术问题题1 台体机械械结构设设计台体的机机械设计计将是MMFUPPS的一一个难点点。如何何在保证证定位精精度的前前提下，达达到平台台框架模模块化、三三轴可配配置是系系统设计计中的一一个技术术问题。模模块化的的实现方方法是：根据系系统应用用的场合合与系统统的分析析各种误误差源，将将对控制制系统精精度的要要求、机机械设计计和应用用的需求求有机的的结合起起来，合合理的分分配机械械设计、控控制系统统、元器器件的误误差要求求。在工工程立项项后，可可通过合合理调配配误差在在机械设设计、控控制系统统中的分分配，使使系统在在各方面面的要求求得到综综合的考考虑，从从而实现现模块化化的要求求。2 运动控制制电路设设计运动控制制电路是是系统的的核心电电子装置置，它将将完成系系统的各各种运动动规划和和控制，对对运动控控制电路路的基本本要求是是：1） 体积小，集集成化程程度高。可可以采用用一体化化的嵌入入式DSSP和可可编程AASICC电路与与采用多多层PCCB板体体制来实实现。2） 可靠性高高，接口口方便。3） 模块化设设计，以以能及时时满足实实际要求求，配上上不同的的功能模模块电路路，降低低成品成成本。3 光纤陀螺螺仪输出出信号处处理光纤陀螺螺仪可靠靠性极高高，平均均无故障障时间要要比机械械陀螺长长10倍倍以上，但但是输出出噪声大大，温度度特性差差。因此此，利用用其组成成数字控控制器之之前，需需要对其其作特殊殊处理，也也就是说说，一是是要补偿偿其温度度特性，二二是要采采取一定定手段将将其降低低噪声对对系统的的影响。4 负载自适适应的三三轴稳定定MFUPPS是在在负载大大变动的的前提下下，仍能能保证负负载稳定定的指标标要求。前前面已经经提到，当当负载变变动时，引引起系统统多方面面的改变变：包括括框架转转动惯量量、谐振振频率、摩摩擦非线线性特性性。因此此，需要要设计后后的控制制系统对对这些改改变有很很强的自自适应性性。5 CCD目目标识别别在CCDD电视图图像跟踪踪系统中中，需要要对截获获的图像像信息进进行处理理，从中中提取目目标信号号，得到到目标的的方位信信息，从从而为目目标跟踪踪提供依依据。目目前，在在简单背背景中的的低速目目标的跟跟踪问题题已经基基本成熟熟，在复复杂背景景中捕获获固定目目标和低低速运动动物体也也可以通通过图像像匹配的的方法来来解决。但但是对于于复杂背背景下的的机动目目标的识识别，需需要更深深入的研研究的技技术研究究。6 CCD机机动目标标跟踪高机动目目标跟踪踪的特点点是：要要求跟踪踪的目标标角速度度与角加加速度范范围大，对对跟踪系系统的实实时性要要求高。由由于目标标的机动动变轨，而而高分辨辨率的CCCD相相机视场场一般非非常窄，因因而很可可能由于于图像处处理速度度和跟踪踪速度的的限制导导致目标标的丢失失。因此此，如何何设计跟跟踪算法法，保证证精度要要求的同同时又尽尽可能的的保证跟跟踪的实实时性，是是需要处处理的又又一大技技术问题题。7 容错控制制和故障障诊断容错控制制和故障障诊断将将作为平平台设计计的一个个基本出出发点贯贯穿设计计的始终终。由于于MFUUPS是是一个安安全性要要求很高高的精密密运动控控制系统统，故在在设计中中对其容容错性应应该作最最慎重的的考虑。如如何设计计出良好好的容错错控制系系统以及及故障诊诊断处理理程序，保保证系统统在各种种环境下下正常运运行，是是工程首首要需要要考虑的的技术问问题。6.5 本章小小结本章作为为后续工工程的一一个建议议，实际际上是对对本项目目的一个个展望。主主要简略略的讨论论了MFFUPSS工程的的一些初初步考虑虑，讨论论在以前前的基础础之上，如如何从观观念上改改变一个个平台只只能适应应一个用用户的局局限性。本本章提出出采用模模块化和和系列化化的设计计观点：在机械械上，平平台应该该两轴和和三轴可可配置，并并且系列列化，使使一种型型号的平平台面向向一类应应用领域域；在电电气上，控控制系统统应该对对负载的的变化具具有自适适应性。这这样，整整个装置置有通用用性，代代表了当当前视线线稳定系系统发展展的方向向，从而而保证整整个系统统的先进进性。- 81 -