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)工程預研工作最后的成品是一個實驗裝置，不是一個完整的系統(tǒng)，它離真正的應用有一定的差距，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，因為在滾轉(zhuǎn)方向的角運動沒有被隔離，所以CCD相機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)定應用領域，這是有局限性的。要克服這一點，就必須再加一個框架，設計三軸穩(wěn)定平臺。但是用戶的要求是多種多樣的，在有的應用領域雙軸平臺也足夠。在多樣化的應用條件下，如何在較短的時間內(nèi)，提供滿足不同應用領域的視線穩(wěn)定系統(tǒng)，是擺在設計者面前的問題。在前面的工作基礎之上，筆者提出了一個工程項目上的解決方案——多功能通用平臺系統(tǒng)工程（Multi-FunctionUniversalPlatformSystem，MFUPS）。6.1功能定位 MFUPS將是一套通用的機電系統(tǒng)。根據(jù)以前的工作，估計在整個工程項目完成之后，MFUPS將具有以下功能有：采用模塊化設計方法，云臺可以拆卸，可以根據(jù)實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?？梢园卜旁谲囕v、船舶與空間飛行器上，用于各種不同規(guī)格、不同重量負載的穩(wěn)定、隔振和定向。當在臺體上安裝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)，就可以作為機載、車載、船載的CCD目標跟蹤與測量系統(tǒng)。由以上可以看到，MFUPS是一個高性能、多功能的運動控制系統(tǒng)，研制成功后，它將在軍事、民用領域中有廣泛的應用前景。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載自適應穩(wěn)定平臺；高可靠的坦克、武裝直升機瞄準線穩(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)計算機控制方式(computerbasedcontrol)以上控制裝置可依據(jù)具體的應用來由用戶定制。并利用適當?shù)目刂品椒▽Σ煌呢撦d實現(xiàn)自適應控制。可靠性保證：元件保證采用無刷直接驅(qū)動電機作為執(zhí)行電機，采用無機械轉(zhuǎn)子的光纖陀螺作為穩(wěn)定的傳感器。無刷電機和光纖陀螺的平均無故障時間遠比有刷電機和機械陀螺要長，維護也簡單，對工作環(huán)境的要求低。結構設計保證可靠的安全保護措施，采用滑刷實現(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。采用限位開關和擋塊結構實現(xiàn)內(nèi)環(huán)或滾轉(zhuǎn)環(huán)的兩級安全保護。急停處理。當出現(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)設計和完善的軟件故障診斷采用數(shù)字控制和模擬控制相結合的方法，當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)達到很高的剛度保證控制的平滑性，并且一旦計算機程序控制失效（如計算機死鎖時）時仍可有效的實現(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合的辦法，實現(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、系列化的處理相結合實現(xiàn)系統(tǒng)的通用化和多功能。集成化的解決辦法：基于DSP/ASIC集成化電子電路實現(xiàn)云臺運動的精密規(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，應用于實際的平臺系統(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之上，第三軸配置是可以拆卸的。也就是說：平臺既可以進行三軸配置，又可以作為兩軸配置。最終將實現(xiàn)平臺的通用性和多功能。控制裝置的模塊化處理：采用DSP/ASIC電路作為底層運動控制器，IPC通過遠程串行數(shù)字接口或者專門遙控電路作為遠距離監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。監(jiān)控計算機、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：動基座攝像機要求3軸穩(wěn)定，激光器、天線要求雙軸穩(wěn)定）負載的要求，為了滿足不同檔次尺寸和重量的負載的要求，需要將產(chǎn)品系列化，以適應不同檔次負載的要求，以保證平臺結構的緊湊。高動態(tài)性能以滿足重負載穩(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實體配置 根據(jù)不同級別和應用場合的要求，MFUPS分為三個主要實體，每一個實體面向一類具體的應用，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（IPC）為性能可靠的小體積工業(yè)用PC機。主機接收操作者的指令（通過手柄和鍵盤），將其送至運動控制卡，實現(xiàn)操作者對系統(tǒng)的有效監(jiān)控和干預。同時，主機接收運動控制卡傳來的系統(tǒng)的運行信息，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動控制DSP的外設和數(shù)字I/O擴展。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)。運動控制卡的任務是接收從各個端口（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、接近開關等）和系統(tǒng)運行狀態(tài)信號，經(jīng)過分析和處理后，做出決策，送給各類執(zhí)行器（電機和開關），從而實現(xiàn)云臺平穩(wěn)安全的運動軌跡規(guī)劃和控制。通過遙控接口電路或串行接口電路接收主機傳送來的指令，實現(xiàn)人對系統(tǒng)有效的運動監(jiān)控。同時，將一些感興趣的數(shù)據(jù)送至主機，供主機作進一步的處理。無刷直接驅(qū)動電機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，實現(xiàn)對云臺上的相機手動定位定向。 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)（用于動基座機動目標的跟蹤與識別）圖6-1動基座CCD目標跟蹤測量系統(tǒng)Figure6-1CCDtargettracking&measurementsystemwithmovingbase-foundation 整個系統(tǒng)的結構如圖6-1所示?？梢钥吹剑到y(tǒng)由如下幾部分組成：三軸穩(wěn)定平臺CCD攝像機CCD視頻處理系統(tǒng)6.4主要技術問題臺體機械結構設計臺體的機械設計將是MFUPS的一個難點。如何在保證定位精度的前提下，達到平臺框架模塊化、三軸可配置是系統(tǒng)設計中的一個技術問題。模塊化的實現(xiàn)方法是：根據(jù)系統(tǒng)應用的場合與系統(tǒng)的分析各種誤差源，將對控制系統(tǒng)精度的要求、機械設計和應用的需求有機的結合起來，合理的分配機械設計、控制系統(tǒng)、元器件的誤差要求。在工程立項后，可通過合理調(diào)配誤差在機械設計、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，從而實現(xiàn)模塊化的要求。運動控制電路設計運動控制電路是系統(tǒng)的核心電子裝置，它將完成系統(tǒng)的各種運動規(guī)劃和控制，對運動控制電路的基本要求是：體積小，集成化程度高。可以采用一體化的嵌入式DSP和可編程ASIC電路與采用多層PCB板體制來實現(xiàn)。可靠性高，接口方便。模塊化設計，以能及時滿足實際要求，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。負載自適應的三軸穩(wěn)定MFUPS是在負載大變動的前提下，仍能保證負載穩(wěn)定的指標要求。前面已經(jīng)提到，當負載變動時，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，需要設計后的控制系統(tǒng)對這些改變有很強的自適應性。CCD目標識別在CCD電視圖像跟蹤系統(tǒng)中，需要對截獲的圖像信息進行處理，從中提取目標信號，得到目標的方位信息，從而為目標跟蹤提供依據(jù)。目前，在簡單背景中的低速目標的跟蹤問題已經(jīng)基本成熟，在復雜背景中捕獲固定目標和低速運動物體也可以通過圖像匹配的方法來解決。但是對于復雜背景下的機動目標的識別，需要更深入的研究的技術研究。CCD機動目標跟蹤高機動目標跟蹤的特點是：要求跟蹤的目標角速度與角加速度范圍大，對跟蹤系統(tǒng)的實時性要求高。由于目標的機動變軌，而高分辨率的CCD相機視場一般非常窄，因而很可能由于圖像處理速度和跟蹤速度的限制導致目標的丟失。因此，如何設計跟蹤算法，保證精度要求的同時又盡可能的保證跟蹤的實時性，是需要處理的又一大技術問題。容錯控制和故障診斷容錯控制和故障診斷將作為平臺設計的一個基本出發(fā)點貫穿設計的始終。由于MFUPS是一個安全性要求很高的精密運動控制系統(tǒng)，故在設計中對其容錯性應該作最慎重的考慮。如何設計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)境下正常運行，是工程首要需要考慮的技術問題。6.5本章小結本章作為