多功能通用平臺(tái)系統(tǒng)工程介紹

1、第六章 多功能通用平臺(tái)系統(tǒng)工程預(yù)研工作最后的成品是一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，不是一個(gè)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(gè)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(tái)時(shí)，因?yàn)樵跐L轉(zhuǎn)方向的角運(yùn)動(dòng)沒有被隔離，所以CCD相機(jī)的鏡頭隨著基座的搖擺而滾動(dòng)，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(gè)框架，設(shè)計(jì)三軸穩(wěn)定平臺(tái)。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(tái)也足夠。在多樣化的應(yīng)用條件下，如何在較短的時(shí)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

2、，筆者提出了一個(gè)工程項(xiàng)目上的解決方案多功能通用平臺(tái)系統(tǒng)工程（Multi-Function Universal Platform System，MFUPS）。6.1 功能定位MFUPS將將是一套通用用的機(jī)電系統(tǒng)統(tǒng)。根據(jù)以前前的工作，估估計(jì)在整個(gè)工工程項(xiàng)目完成成之后，MFFUPS將具具有以下功能能有：采用模塊化設(shè)計(jì)計(jì)方法，云臺(tái)臺(tái)可以拆卸，可可以根據(jù)實(shí)際際需要組成雙雙軸或三軸環(huán)環(huán)架系統(tǒng)。云臺(tái)本體可以安安裝在靜基座座上，加上定定制的控制系系統(tǒng)裝置后就就可作為靜基基座的定向系系統(tǒng)和跟蹤測(cè)測(cè)量云臺(tái)。當(dāng)在臺(tái)體上安裝裝光纖陀螺儀儀，加上可選選的控制系統(tǒng)統(tǒng)裝置后可以以作為高可靠靠的雙軸或三三軸穩(wěn)定平臺(tái)臺(tái)。可以安

3、放放在車輛、船船舶與空間飛飛行器上，用用于各種不同同規(guī)格、不同同重量負(fù)載的的穩(wěn)定、隔振振和定向。當(dāng)在臺(tái)體上安裝裝CCD鏡頭頭，加上定制制的伺服控制制系統(tǒng)裝置與與CCD圖像像檢測(cè)系統(tǒng)就就可以作為視視頻跟蹤與測(cè)測(cè)量系統(tǒng)，如如經(jīng)緯儀裝置置。當(dāng)在臺(tái)體上安裝裝CCD鏡頭頭與光纖陀螺螺儀，加上可可選的伺服控控制系統(tǒng)裝置置與CCD圖圖像檢測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)，就可以作作為機(jī)載、車車載、船載的的CCD目標(biāo)標(biāo)跟蹤與測(cè)量量系統(tǒng)。由以上可以看到到，MFUPPS是一個(gè)高高性能、多功功能的運(yùn)動(dòng)控控制系統(tǒng)，研研制成功后，它它將在軍事、民民用領(lǐng)域中有有廣泛的應(yīng)用用前景。其主主要用途：靜基座跟蹤測(cè)量量裝置，作為為高可靠性的的經(jīng)緯儀；高精

4、度、高可靠靠雙軸或三軸軸負(fù)載自適應(yīng)應(yīng)穩(wěn)定平臺(tái)；高可靠的坦克、武武裝直升機(jī)瞄瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定跟跟蹤系統(tǒng)；高性能、高可靠靠的動(dòng)基座電電視圖像跟蹤蹤系統(tǒng)；天線指向穩(wěn)定系系統(tǒng)。6.2 基本考考慮可以采用多種控控制方式：遙控方式（reemote contrrol）手柄控制方式(joysttick ccontrool)計(jì)算機(jī)控制方式式(compputer basedd conttrol)以上控制裝置可可依據(jù)具體的的應(yīng)用來由用用戶定制。并并利用適當(dāng)?shù)牡目刂品椒▽?duì)對(duì)不同的負(fù)載載實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)應(yīng)控制。可靠性保證：元件保證采用無(wú)刷直接驅(qū)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為為執(zhí)行電機(jī)，采采用無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的光纖陀陀螺作為穩(wěn)定定的傳感器。無(wú)無(wú)刷電機(jī)和光

5、光纖陀螺的平平均無(wú)故障時(shí)時(shí)間遠(yuǎn)比有刷刷電機(jī)和機(jī)械械陀螺要長(zhǎng)，維維護(hù)也簡(jiǎn)單，對(duì)對(duì)工作環(huán)境的的要求低。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證可靠的安全保護(hù)護(hù)措施，采用用滑刷實(shí)現(xiàn)平平臺(tái)外環(huán)連續(xù)續(xù)旋轉(zhuǎn)，這樣樣可以從根本本上防止平臺(tái)臺(tái)在意外情況況下出現(xiàn)安全全事故。采用限位開關(guān)和和擋塊結(jié)構(gòu)實(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)或滾滾轉(zhuǎn)環(huán)的兩級(jí)級(jí)安全保護(hù)。急停處理。當(dāng)出出現(xiàn)事故時(shí)，采采用硬件方法法使系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)停止伺服，從從而使事故造造成的損壞降降低到最低程程度。容錯(cuò)的控制系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)和完善善的軟件故障障診斷采用數(shù)字控制和和模擬控制相相結(jié)合的方法法，當(dāng)一種控控制方法失效效或出現(xiàn)故障障時(shí)，另一種種控制仍然可可以使系統(tǒng)連連續(xù)工作。由由此帶來的另另外一個(gè)好處處是：模擬控

6、控制可以使伺伺服系統(tǒng)達(dá)到到很高的剛度度保證控制的的平滑性，并并且一旦計(jì)算算機(jī)程序控制制失效（如計(jì)計(jì)算機(jī)死鎖時(shí)時(shí)）時(shí)仍可有有效的實(shí)現(xiàn)系系統(tǒng)的安全控控制，而利用用數(shù)字控制則則可以對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行可靠的的程序監(jiān)控和和各種基于解解析冗余的容容錯(cuò)控制和故故障診斷算法法，從而降低低硬件冗余處處理電路帶來來的額外成本本。采用軟件和硬件件故障診斷相相結(jié)合的辦法法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)的在線故障障診斷和處理理。集成化的解決方方式與模塊化化、系列化的的處理相結(jié)合合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的的通用化和多多功能。集成化的解決辦辦法：基于DSP/AASIC集成成化電子電路路實(shí)現(xiàn)云臺(tái)運(yùn)運(yùn)動(dòng)的精密規(guī)規(guī)劃和高速控控制。這樣可可以縮小電路路系統(tǒng)的體積積。采

7、用小體積驅(qū)動(dòng)動(dòng)器的無(wú)刷直直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)作為系統(tǒng)的的執(zhí)行器。采用雙軸或三軸軸小體積光纖纖陀螺儀作為為平臺(tái)穩(wěn)定的的傳感器。模塊化處理：平臺(tái)環(huán)架的模塊塊化處理：一一般來說，應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際的的平臺(tái)系統(tǒng)為為兩軸或三軸軸的，為了面面向用戶及時(shí)時(shí)推出用戶需需要的平臺(tái)系系統(tǒng)，采用模模塊化處理，即即在兩軸平臺(tái)臺(tái)的基礎(chǔ)之上上，第三軸配配置是可以拆拆卸的。也就就是說：平臺(tái)臺(tái)既可以進(jìn)行行三軸配置，又又可以作為兩兩軸配置。最最終將實(shí)現(xiàn)平平臺(tái)的通用性性和多功能?？刂蒲b置的模塊塊化處理：采采用DSP/ASIC電電路作為底層層運(yùn)動(dòng)控制器器，IPC通通過遠(yuǎn)程串行行數(shù)字接口或或者專門遙控控電路作為遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控和和數(shù)據(jù)處理。監(jiān)監(jiān)控計(jì)

8、算機(jī)、底底層控制電路路，遙控電路路、手柄控制制電路分別按按功能模塊化化。系列化處理：模模塊化解決一一定重量和尺尺寸檔次下不不同功能（如如：動(dòng)基座攝攝像機(jī)要求33軸穩(wěn)定，激激光器、天線線要求雙軸穩(wěn)穩(wěn)定）負(fù)載的的要求，為了了滿足不同檔檔次尺寸和重重量的負(fù)載的的要求，需要要將產(chǎn)品系列列化，以適應(yīng)應(yīng)不同檔次負(fù)負(fù)載的要求，以以保證平臺(tái)結(jié)結(jié)構(gòu)的緊湊。高動(dòng)態(tài)性能以滿滿足重負(fù)載穩(wěn)穩(wěn)定剛度要求求。這由所選選的光纖陀螺螺的輸出特性性保證。采用模擬輸出光光纖陀螺，其其數(shù)字化電路路由用戶定制制。這樣可以以保證系統(tǒng)性性能的優(yōu)化。6.3實(shí)體配置置根據(jù)不同級(jí)別別和應(yīng)用場(chǎng)合合的要求，MMFUPS分分為三個(gè)主要要實(shí)體，每一一個(gè)

9、實(shí)體面向向一類具體的的應(yīng)用，其基基本功能逐漸漸完善和全面面：1. 手柄控制制云臺(tái)（用于于靜基座跟蹤蹤架和定位定定向系統(tǒng)）云臺(tái)系統(tǒng)的主主要部件有：環(huán)架三軸或者雙軸環(huán)環(huán)架，模塊化化體制，各個(gè)個(gè)環(huán)架可拆卸卸。主機(jī)（IPC）為性能可靠的小小體積工業(yè)用用PC機(jī)。主主機(jī)接收操作作者的指令（通通過手柄和鍵鍵盤），將其其送至運(yùn)動(dòng)控控制卡，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)操作者對(duì)系系統(tǒng)的有效監(jiān)監(jiān)控和干預(yù)。同同時(shí)，主機(jī)接接收運(yùn)動(dòng)控制制卡傳來的系系統(tǒng)的運(yùn)行信信息，經(jīng)過處處理后提供給給操作者，為為操作者的決決策提供依據(jù)據(jù)。精密運(yùn)動(dòng)控制卡卡控制電路核心為為高性能DSSP，為了縮縮小電路體積積，采用在系系統(tǒng)可編程邏邏輯器件作為為運(yùn)動(dòng)控制DDSP的

10、外設(shè)設(shè)和數(shù)字I/O擴(kuò)展。采采用性能可靠靠的串行傳輸輸方式（如RRS-2322/485接接口形式）。對(duì)對(duì)模擬接口電電路作特殊處處理，保證電電磁兼容性能能在允許的范范圍之內(nèi)。運(yùn)動(dòng)控制卡的任任務(wù)是接收從各個(gè)端口口（模擬端口口和數(shù)字端口口）傳送來的的傳感器數(shù)據(jù)據(jù)（如碼盤、陀陀螺、接近開開關(guān)等）和系系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)態(tài)信號(hào)，經(jīng)過過分析和處理理后，做出決決策，送給各各類執(zhí)行器（電電機(jī)和開關(guān)），從從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)臺(tái)平穩(wěn)安全的的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)規(guī)劃和控制。通過遙控接口電電路或串行接接口電路接收收主機(jī)傳送來來的指令，實(shí)實(shí)現(xiàn)人對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)有效的運(yùn)動(dòng)動(dòng)監(jiān)控。同時(shí)時(shí)，將一些感感興趣的數(shù)據(jù)據(jù)送至主機(jī)，供供主機(jī)作進(jìn)一一步的處理。無(wú)刷直接驅(qū)動(dòng)

11、電電機(jī)手柄及手柄接口口電路操作者可以通過過手柄，改變變?cè)婆_(tái)的方位位，實(shí)現(xiàn)對(duì)云云臺(tái)上的相機(jī)機(jī)手動(dòng)定位定定向。2. 穩(wěn)定平平臺(tái)（用于動(dòng)動(dòng)基座跟蹤架架或定位定向向系統(tǒng)）云臺(tái)雙軸或三軸光纖纖陀螺陀螺信號(hào)調(diào)調(diào)電電路基于穩(wěn)定平臺(tái)的的CCD電視視圖像跟蹤系系統(tǒng)（用于動(dòng)動(dòng)基座機(jī)動(dòng)目目標(biāo)的跟蹤與與識(shí)別）圖6-1 動(dòng)基基座CCD目目標(biāo)跟蹤測(cè)量量系統(tǒng)Figure 6-1 CCCD taarget trackking & meassuremeent syystem with movinng basse-fouundatiion整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。可可以看到，系系統(tǒng)由如下幾幾部分組成：三軸穩(wěn)定平臺(tái)CCD攝像

12、機(jī)CCD視頻處理理系統(tǒng)6.4 主要技技術(shù)問題臺(tái)體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)臺(tái)體的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)將是MFUUPS的一個(gè)個(gè)難點(diǎn)。如何何在保證定位位精度的前提提下，達(dá)到平平臺(tái)框架模塊塊化、三軸可可配置是系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一一個(gè)技術(shù)問題題。模塊化的的實(shí)現(xiàn)方法是是：根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)合合與系統(tǒng)的分分析各種誤差差源，將對(duì)控控制系統(tǒng)精度度的要求、機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)應(yīng)用的需求有有機(jī)的結(jié)合起起來，合理的的分配機(jī)械設(shè)設(shè)計(jì)、控制系系統(tǒng)、元器件件的誤差要求求。在工程立立項(xiàng)后，可通通過合理調(diào)配配誤差在機(jī)械械設(shè)計(jì)、控制制系統(tǒng)中的分分配，使系統(tǒng)統(tǒng)在各方面的的要求得到綜綜合的考慮，從從而實(shí)現(xiàn)模塊塊化的要求。運(yùn)動(dòng)控制電路設(shè)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制電路是是系統(tǒng)的核

13、心心電子裝置，它它將完成系統(tǒng)統(tǒng)的各種運(yùn)動(dòng)動(dòng)規(guī)劃和控制制，對(duì)運(yùn)動(dòng)控控制電路的基基本要求是：體積小，集成化化程度高。可可以采用一體體化的嵌入式式DSP和可可編程ASIIC電路與采采用多層PCCB板體制來來實(shí)現(xiàn)。可靠性高，接口口方便。模塊化設(shè)計(jì)，以以能及時(shí)滿足足實(shí)際要求，配配上不同的功功能模塊電路路，降低成品品成本。光纖陀螺儀輸出出信號(hào)處理光纖陀螺儀可靠靠性極高，平平均無(wú)故障時(shí)時(shí)間要比機(jī)械械陀螺長(zhǎng)100倍以上，但但是輸出噪聲聲大，溫度特特性差。因此此，利用其組組成數(shù)字控制制器之前，需需要對(duì)其作特特殊處理，也也就是說，一一是要補(bǔ)償其其溫度特性，二二是要采取一一定手段將其其降低噪聲對(duì)對(duì)系統(tǒng)的影響響。負(fù)載

14、自適應(yīng)的三三軸穩(wěn)定MFUPS是在在負(fù)載大變動(dòng)動(dòng)的前提下，仍仍能保證負(fù)載載穩(wěn)定的指標(biāo)標(biāo)要求。前面面已經(jīng)提到，當(dāng)當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)時(shí)，引起系統(tǒng)統(tǒng)多方面的改改變：包括框框架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量、諧振頻率率、摩擦非線線性特性。因因此，需要設(shè)設(shè)計(jì)后的控制制系統(tǒng)對(duì)這些些改變有很強(qiáng)強(qiáng)的自適應(yīng)性性。CCD目標(biāo)識(shí)別別在CCD電視圖圖像跟蹤系統(tǒng)統(tǒng)中，需要對(duì)對(duì)截獲的圖像像信息進(jìn)行處處理，從中提提取目標(biāo)信號(hào)號(hào)，得到目標(biāo)標(biāo)的方位信息息，從而為目目標(biāo)跟蹤提供供依據(jù)。目前前，在簡(jiǎn)單背背景中的低速速目標(biāo)的跟蹤蹤問題已經(jīng)基基本成熟，在在復(fù)雜背景中中捕獲固定目目標(biāo)和低速運(yùn)運(yùn)動(dòng)物體也可可以通過圖像像匹配的方法法來解決。但但是對(duì)于復(fù)雜雜背景下的機(jī)機(jī)

15、動(dòng)目標(biāo)的識(shí)識(shí)別，需要更更深入的研究究的技術(shù)研究究。CCD機(jī)動(dòng)目標(biāo)標(biāo)跟蹤高機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤蹤的特點(diǎn)是：要求跟蹤的的目標(biāo)角速度度與角加速度度范圍大，對(duì)對(duì)跟蹤系統(tǒng)的的實(shí)時(shí)性要求求高。由于目目標(biāo)的機(jī)動(dòng)變變軌，而高分分辨率的CCCD相機(jī)視場(chǎng)場(chǎng)一般非常窄窄，因而很可可能由于圖像像處理速度和和跟蹤速度的的限制導(dǎo)致目目標(biāo)的丟失。因因此，如何設(shè)設(shè)計(jì)跟蹤算法法，保證精度度要求的同時(shí)時(shí)又盡可能的的保證跟蹤的的實(shí)時(shí)性，是是需要處理的的又一大技術(shù)術(shù)問題。容錯(cuò)控制和故障障診斷容錯(cuò)控制和故障障診斷將作為為平臺(tái)設(shè)計(jì)的的一個(gè)基本出出發(fā)點(diǎn)貫穿設(shè)設(shè)計(jì)的始終。由由于MFUPPS是一個(gè)安安全性要求很很高的精密運(yùn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)統(tǒng)，故在設(shè)計(jì)計(jì)中對(duì)其容錯(cuò)錯(cuò)性應(yīng)該作最最慎重的考慮慮。如何設(shè)計(jì)計(jì)出良好的容容錯(cuò)控制系統(tǒng)統(tǒng)以及故障診診斷處理程序序，保證系統(tǒng)統(tǒng)在各種環(huán)境境下正常運(yùn)行行，是工程首首要需要考慮慮的技術(shù)問題題。6.5 本章小小結(jié)本章作為后續(xù)工工程的一個(gè)