專利名稱：運(yùn)動載體光電設(shè)備慣性穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種可使光電觀瞄或跟蹤設(shè)備獲得穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線的掃描方法，尤其涉及一種在飛機(jī)、艦船、車輛等運(yùn)動載體環(huán)境條件下，利用速率陀 螺實現(xiàn)慣性穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線的快速掃描方法。
背景技術(shù)：
光電穩(wěn)定平臺是一種安裝在運(yùn)動載體(武器平臺)上對目標(biāo)進(jìn)行搜索、瞄準(zhǔn)、跟 蹤、照射和測距的光電設(shè)備，常見的穩(wěn)定形式有整體穩(wěn)定形式和反射鏡穩(wěn)定形式。光電穩(wěn)定平臺一般很少選用快速掃描的工作方式。這是因為傳感器自身重量和安 裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使其轉(zhuǎn)動慣量較大，因而要實現(xiàn)整個穩(wěn)定框架高速旋轉(zhuǎn)并保持一定的精度 是困難的。然而，某些特定應(yīng)用場合，有時也會出現(xiàn)要求穩(wěn)定平臺進(jìn)行快速掃描的需求，以 滿足某些傳感器或武器系統(tǒng)的特殊要求。例如，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)(IRST)是一種完全被 動式紅外探測系統(tǒng)，可晝夜工作，而且不存在電磁干擾問題，還可在煙霧或小雨雪條件下工 作，全天候工作能力優(yōu)于電視監(jiān)視系統(tǒng)，在現(xiàn)代軍事裝備中具有很高的應(yīng)用價值。由于IRST 往往采用線陣列紅外探測器，能夠探測的角度很小，因而在工作時需要采用扇區(qū)掃描或周 視掃描的形式來擴(kuò)大搜索、探測范圍。另外，還有一些執(zhí)行警戒或偵察等任務(wù)的車載、機(jī)載 或艦載光電觀瞄設(shè)備，為了減輕駕駛員或飛行員的工作負(fù)擔(dān)，取得更好的人機(jī)功效，往往也 需要采用掃描工作方式來獲得穩(wěn)定的瞄準(zhǔn)線。圖1給出了常見的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定伺服控制原理框圖。采用該原理的掃描速度一般 取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩以及陀螺儀所能夠承受的最大加速度。若要使光電穩(wěn)定平臺進(jìn) 行扇區(qū)掃描，需要在指令輸入端輸入相應(yīng)的速度指令信號，當(dāng)平臺轉(zhuǎn)動到掃描范圍的邊界 時，再輸入相反的速度指令，使平臺以相反的速度轉(zhuǎn)動。光電平臺在扇區(qū)掃描時的速度指令 曲線見圖2(a)，這是一組與光電平臺位置信息相關(guān)的階躍信號。為了便于理解，將橫坐標(biāo) 選取為時間坐標(biāo)，即用圖2(b)給出了光電平臺在扇區(qū)掃描時的位置和時間關(guān)系曲線。當(dāng) 光電平臺僅以穩(wěn)定控制器作為調(diào)節(jié)器進(jìn)行扇區(qū)掃描時，尤其是在轉(zhuǎn)動慣量較大的情況下會 存在以下缺陷(1)超調(diào)量大，很容易產(chǎn)生過沖；(2)伺服系統(tǒng)容易振蕩，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時間較 長；(3)速度均勻性不好，其掃描過程中的速度波動無法滿足一些要求較高的應(yīng)用需求如 IRST ； (4)由于在進(jìn)行轉(zhuǎn)動方向切換時對加速度沒有限制，造成加速度過大并導(dǎo)致對慣性 傳感器——陀螺儀的敏感部件造成損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，在不改變現(xiàn)有光電穩(wěn)定平臺控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提 供一種慣性穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線掃描方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中光電穩(wěn)定平臺進(jìn)行掃描運(yùn)動時所存在 的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的慣性穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線掃描方法包括以下操作步 驟
第一步，通過第一、第二 AD解算芯片讀取陀螺輸出的兩路信號Ux和Uy并分別解算 出視軸的方位和俯仰速度《gx、Cogy ；第二步，判斷操作員或上位機(jī)是否給出掃描需求指令若接到掃描需求指令，接著 執(zhí)行下一步，若未接到掃描需求指令，則將解算出的視軸方位和俯仰速度《gx、cogy分別與 方位指令Caz和俯仰指令Cel作差運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為輸入到穩(wěn)定控制器的誤差信號Ea、 艮，接著執(zhí)行第四步；

第三步，按照以下分步驟完成掃描控制器操作環(huán)節(jié)3. 1接收方位、俯仰掃描速度指令Caz、Cel并對應(yīng)轉(zhuǎn)換成方位速度值ωχ、俯仰速 度值《y，當(dāng)方位速度值ωχ或俯仰速度值coy大于伺服系統(tǒng)所能夠達(dá)到的方位最大速度 ω Xmax 或俯仰最大速度"yxmax 時，令 ωχ = ω xmax, ωγ = ω ymax ；3. 2根據(jù)方位速度值ωχ、俯仰速度值COy和操作員或上位機(jī)要求的速度切換時間 t，計算實現(xiàn)掃描所要求達(dá)到的方位加速度Αχ、俯仰加速度Ay 當(dāng)方位加速度Αχ、俯仰加速 度Ay大于伺服系統(tǒng)所能夠達(dá)到的方位最大加速度Axmax或俯仰最大加速度Aymax時，令A(yù)x =Axmax，Ay = Aymax ；3. 3根據(jù)伺服計算機(jī)中的軟件任務(wù)周期時間T計算方位速度積分常數(shù)δ χ和俯仰 速度積分常數(shù)δy ；3. 4令掃描控制器輸出的方位調(diào)速電壓Uxscm = Uxscan+ δ χ、俯仰調(diào)速電壓Uyscm = Uyscan+ δ y, Uxscan, Uyscan 的初值均為零；3.5判斷掃描控制器輸出的方位或俯仰調(diào)速電壓化3_、辦_11是否使光電穩(wěn)定平臺 達(dá)到操作員或上位機(jī)要求的方位掃描速度ωχ、或俯仰掃描速度coy，若均不滿足或其中之 一不滿足要求，重復(fù)第3. 4步驟，直至滿足要求后進(jìn)行下一步；3. 6將第一步驟中解算出的視軸方位或俯仰速度ω gx、Cogy與掃描控制器解算出的 方位速度指令ω Xs。an和俯仰速度指令作差運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果作為輸入到穩(wěn)定控制 器的誤差信號Ea、Ee;第四步，穩(wěn)定控制器依據(jù)輸入誤差信號Ea和E。和控制模型解算出方位和俯仰控制 量并通過DA轉(zhuǎn)換器送入光電穩(wěn)定平臺的方位和俯仰PWM功放電路，釋放計算機(jī)資源，并返 回到第一步，直到接到關(guān)機(jī)命令。本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個方面。(一 )本發(fā)明的掃描控制方法是在光電設(shè)備原瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)和相關(guān)機(jī)構(gòu)不 變的前提下通過在指令輸入和穩(wěn)定控制器之間加入掃描控制器實現(xiàn)的，掃描控制器根據(jù)掃 描指令依次計算積分常數(shù)、調(diào)速電壓和掃描速度，并將計算結(jié)果作為調(diào)速信號輸出到穩(wěn)定 控制器的速度環(huán)穩(wěn)定回路，使光電平臺的轉(zhuǎn)動速度按照斜坡式的速度輸入曲線逐漸變化。 當(dāng)掃描速度指令不同時，計算出的積分常數(shù)和積分運(yùn)算的輸出也不同，當(dāng)輸入的速度指令 為正時，積分單元向正方向積分；當(dāng)輸入的速度指令為負(fù)時，積分單元向負(fù)方向積分。如果 積分運(yùn)算的結(jié)果達(dá)到或超過輸入的速度指令，將停止積分運(yùn)算，保持原值不變。采用本發(fā)明 實現(xiàn)的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定掃描具有響應(yīng)速度快，過渡過程短，無超調(diào)，掃描曲線平滑，速度均勻性 好等優(yōu)點(diǎn)。不僅適用于扇形掃描，也適用于周視(nX360° )回轉(zhuǎn)掃描；不僅適用于反射鏡 穩(wěn)定形式的光電平臺，也適用于采用整體穩(wěn)定形式的光電平臺；還可以根據(jù)需要用于光電 系統(tǒng)搜索或傳感器探測的場合。
( 二 )在本發(fā)明的掃描方法中，由于對加速度進(jìn)行了限制，不會對慣性傳感器造成 損傷，因而本發(fā)明特別適用于掃描加速度較大的應(yīng)用場合。(三)本發(fā)明的掃描方法是通過軟件算法實現(xiàn)的，不需要增加任何硬件資源，具有 方便快捷、簡單經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定控制原理框圖。圖2是在扇區(qū)掃描時的速度指令曲線和位置曲線。圖3是采用掃描控制器的控制原理框圖。圖4是本發(fā)明慣性瞄準(zhǔn)線掃描方法運(yùn)行的伺服平臺組成框圖。圖5是圖4所示的伺服平臺主程序任務(wù)描述圖。圖6是本發(fā)明慣性瞄準(zhǔn)線掃描方法的主程序流程圖。圖7是圖6中所示的掃描控制器環(huán)節(jié)的操控流程圖。圖8是光電穩(wěn)定平臺應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行扇區(qū)掃描的試驗結(jié)果曲線。具體實施說明下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。正如圖3所示，采用本發(fā)明掃描方法的光電平臺伺服系統(tǒng)包括伺服計算機(jī)、兩個 RD解算單元、兩個AD解算單元、兩個DA解算單元。第一 RD芯片以光電平臺方位旋轉(zhuǎn)變壓 器輸出的正弦信號α為輸入，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送至計算機(jī)總線上；第二 RD芯片以 光電平臺俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的余弦信號β為輸入，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送至計算 機(jī)總線上。光電平臺上陀螺輸出的兩路模擬信號《gx、cogy對應(yīng)接入第一、第二 AD解算芯 片并分別轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入計算機(jī)總線上。伺服計算機(jī)以查詢方式定期采集總線上的 各種信號，經(jīng)其內(nèi)基于VxWorks實時操作軟件處理后形成控制信號，該控制信號分別通過 第一、第二 DA芯片轉(zhuǎn)換成兩路模擬信號，并送入相應(yīng)的PWM功放電路，從而驅(qū)動光電平臺的 方位和俯仰運(yùn)動。在上述伺服控制系統(tǒng)中，基于VxWorks實時操作軟件中含有瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定伺服控制 單元，該單元是對光電平臺實施伺服控制的核心。與現(xiàn)有瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定伺服控制器不同的是， 該瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定伺服控制單元在穩(wěn)定控制器之前增加了一個掃描控制器(參見圖4)，以滿足 用戶系統(tǒng)有時對光電平臺提出的掃描功能要求。在此，穩(wěn)定控制器或是簡單的經(jīng)典控制器， 或是各種復(fù)雜的現(xiàn)代控制器。當(dāng)伺服計算機(jī)上電后，基于VxWorks實時操作軟件按照圖5所示的工作流程進(jìn)行 操控即在引導(dǎo)區(qū)中對外圍硬件進(jìn)行初始化、創(chuàng)建伺服任務(wù)、啟動輔助時鐘定時中斷、打開 驅(qū)動使能；在定時中斷服務(wù)程序中釋放一個二進(jìn)制變量，調(diào)用瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定伺服控制單元執(zhí) 行伺服任務(wù)，即重復(fù)掃描二進(jìn)制變量，在獲取輸入信號時即可進(jìn)行伺服控制計算，未獲取輸 入信號時則釋放計算機(jī)資源；中止程序關(guān)閉中斷和使能、刪除伺服任務(wù)。根據(jù)圖6所示，瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定伺服控制單元在執(zhí)行伺服任務(wù)時，重復(fù)等待二進(jìn)制握 手信號在獲取握手信號后，依次通過第一、第二 AD解算芯片讀取陀螺輸出的兩路信號Ux 和Uy并分別解算出視軸的方位和俯仰速度《gx、Ogy ；接著判斷上位機(jī)或操作員要求是否給 出需要掃描的指令若未接到需要掃描指令，則將解算出的視軸方位和俯仰速度《gx、cogy分別與方位指令Ux和俯仰指令Uy作差運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為控制器輸入的誤差信號Ea、民 并進(jìn)入穩(wěn)定控制器操作環(huán)節(jié)；穩(wěn)定控制器依據(jù)輸入誤差信號Ea和民和控制模型解算出方位 和俯仰控制量并通過DA轉(zhuǎn)換器送入方位和俯仰PWM功放電路，最后釋放計算機(jī)資源；若接 到需要掃描指令，則先進(jìn)入掃描控制器操作環(huán)節(jié)，再進(jìn)入穩(wěn)定控制器操作環(huán)節(jié)。至此，完成 了一個伺服控制過程，之后循環(huán)往復(fù)進(jìn)行上述伺服控制過程。 在上述穩(wěn)定伺服控制流程中，掃描控制器的操作環(huán)節(jié)是本發(fā)明的核心內(nèi)容。根據(jù) 圖7所示，當(dāng)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定伺服控制單元進(jìn)入掃描工作模式時，掃描控制器完成以下操作步 驟(1)接收掃描速度指令。該掃描速度指令是上級計算機(jī)或操作人員要求實現(xiàn)的掃 描角速度，由于接口形式等各種原因，通常伺服計算機(jī)獲得的掃描速度指令只是一個與速 度相關(guān)的電壓信號，為了能夠方便計算其它參數(shù)，需要先將其轉(zhuǎn)化為速度值，即通過下式計 算得出要求的掃描速度值ω = K · U ω 彡 ω_ 時或ω = ω·χ ω > ω·χ 時⑴其中，ω為伺服系統(tǒng)要求的方位或俯仰掃描速度，單位為。/秒K為平臺速度與 輸出電壓的比例因子(可以從陀螺標(biāo)度因數(shù)處獲得)，單位為° /秒/V;Ux、Uy為伺服系統(tǒng) 輸入的方位或俯仰速度指令，是與速度相關(guān)的電壓信號，單位為V ； ω_伺服系統(tǒng)所能夠達(dá) 到的方位或俯仰最大速度，單位為° /秒。(2)通過下式計算實現(xiàn)掃描所要求達(dá)到的加速度
A = 2 ω /t A 彡 Amax 時或 A = Amax A > Amax 時(2)其中，A為實現(xiàn)掃描所需達(dá)到的方位或俯仰加速度，單位為。/秒2 ；t為要求的速 度切換時間，單位為秒；Amax為伺服系統(tǒng)所能夠承受的方位或俯仰最大加速度，單位為。/秒2。(3)通過下式計算積分常數(shù)(實際上是步進(jìn)電壓值)δ = A · Τ/Κ (3)其中，δ為方位或俯仰積分常數(shù)，單位為V ;Τ為任務(wù)周期，單位為秒。至此，完成 了掃描控制器中的指令解算功能。(4)通過下式計算掃描控制器輸出的調(diào)速電壓指令Uscan = Uscan+ δ (4)其中，Us。an為掃描控制器輸出的方位或俯仰調(diào)速電壓指令，初值為零，單位為V。(5)判斷掃描控制器輸出的方位或俯仰調(diào)速電壓UXs。m、Uys。an是否使光電穩(wěn)定平臺 達(dá)到操作員或上位機(jī)要求的方位掃描速度ωχ、或俯仰掃描速度coy，若均不滿足或其中之 一不滿足要求，重復(fù)第(4)步驟，直至滿足要求。(6)將解算出的視軸方位或俯仰速度ω gx、Cogy與掃描控制器解算出的方位速度指 令ω Xsranx和俯仰速度指令Oysrany作差運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為控制器輸入的誤差信號Ea、艮 并返回到主控程序。圖8是在一個采用整體穩(wěn)定形式的光電穩(wěn)定平臺上使用本發(fā)明進(jìn)行方位扇區(qū)掃 描的試驗結(jié)果，它記錄了扇區(qū)掃描的速度曲線的波形(從陀螺輸出信號采集)。掃描的范圍是士60°，掃描速度為120° /秒。從這個試驗結(jié)果來看， 速度掃描曲線具有上升時間短、 超調(diào)小和速度均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了常規(guī)控制中超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間的矛盾問題。
本發(fā)明提供的控制方法不僅適用于反射鏡穩(wěn)定形式的光電平臺，也適用于采用整 體穩(wěn)定形式的光電平臺，可以根據(jù)需要用于光電系統(tǒng)搜索或傳感器探測的場合，在機(jī)載、艦 載、車載光電系統(tǒng)中具有很廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1. 一種光電慣性穩(wěn)定平臺的瞄準(zhǔn)線掃描運(yùn)動的控制方法，其特征在于，該方法包括以 下伺服控制步驟第一步，通過AD解算芯片讀取陀螺輸出的兩路電壓信號Ux和Uy并分別解算出視軸的 方位和俯仰速度《gx、cogy;第二步，判斷操作員或上位機(jī)是否給出掃描需求指令若接到掃描需求指令，接著執(zhí)行 下一步，若未接到掃描需求指令，則將解算出的視軸方位和俯仰速度《gx、cogy分別與方位 指令Caz和俯仰指令Cel作差運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為輸入到穩(wěn)定控制器的誤差信號Ea、民，接 著執(zhí)行第四步；第三步，按照以下分步驟完成掃描控制器操作環(huán)節(jié)，3. 1接收方位、俯仰掃描速度指令Caz、Cel并對應(yīng)轉(zhuǎn)換成方位速度值ωχ、俯仰速度值 y，當(dāng)方位速度值ωχ或俯仰速度值coy大于伺服系統(tǒng)所能夠達(dá)到的方位最大速度ωχ_ 或俯仰最大速度Qyxmax時，令ωχ = ω xmax, ωγ = Qymax ；，3. 2根據(jù)方位速度值ωχ、俯仰速度值coy和操作員或上位機(jī)要求的速度切換時間t， 計算實現(xiàn)掃描所要求達(dá)到的方位加速度Αχ、俯仰加速度Ay 當(dāng)方位加速度Αχ、俯仰加速度 Ay大于伺服系統(tǒng)所能夠達(dá)到的方位最大加速度Axmax或俯仰最大加速度Aymax時，令A(yù)x = Axmax，Ay = Aymax ；，3. 3根據(jù)伺服計算機(jī)中的軟件任務(wù)周期時間T計算方位速度積分常數(shù)δ χ和俯仰速度 積分常數(shù)S y ；，3. 4令掃描控制器輸出的方位調(diào)速電壓Uxscan = Uxscan+ δ χ、俯仰調(diào)速電壓Uyscm = Uyscan+ δ y，Uxscan, Uyscan 的初值均為零；，3.5判斷掃描控制器輸出的方位或俯仰調(diào)速電壓隊_、辦_是否使光電穩(wěn)定平臺達(dá)到 操作員或上位機(jī)要求的方位掃描速度ωχ、或俯仰掃描速度coy，若均不滿足或其中之一不 滿足要求，重復(fù)第3. 4步驟，直至滿足要求后進(jìn)行下一步；，3. 6將第一步驟中解算出的視軸方位或俯仰速度ω gx、cogy與掃描控制器解算出的方位 速度指令ω ^csran和俯仰速度指令coys。an作差運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果作為輸入到穩(wěn)定控制器的 誤差信號Ea、艮；第四步，穩(wěn)定控制器依據(jù)輸入誤差信號Ea和民和控制模型解算出方位和俯仰控制量并 通過DA轉(zhuǎn)換器送入光電穩(wěn)定平臺的方位和俯仰PWM功放電路，釋放計算機(jī)資源，并返回到 第一步，直到接到關(guān)機(jī)命令。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種運(yùn)動載體光電設(shè)備慣性穩(wěn)定瞄準(zhǔn)線掃描方法，該方法在不改變光電設(shè)備原瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)的前提下通過在指令輸入和穩(wěn)定控制器之間加入掃描控制器實現(xiàn)的，掃描控制器根據(jù)掃描指令依次計算積分常數(shù)、調(diào)速電壓和掃描速度，并將計算結(jié)果作為調(diào)速信號輸出到穩(wěn)定控制器的速度環(huán)穩(wěn)定回路，使光電平臺的轉(zhuǎn)動速度按照斜坡式的速度輸入曲線逐漸變化。本發(fā)明具有調(diào)節(jié)時間短，速度均勻性好，無超調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)載、艦載、車載光電穩(wěn)定平臺的掃描。
文檔編號G05D3/12GK102129250SQ201010568358
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者壽少峻, 楊潔, 武強(qiáng), 王新偉, 贠平平, 趙創(chuàng)社 申請人:中國兵器工業(yè)第二〇五研究所