光电跟踪伺服系统

光电跟踪伺服系统（共9篇）

光电跟踪伺服系统 篇1

摘要：根据星载环境的特殊性及跟踪系统设计要求,对星载光电跟踪系统的跟踪精度做了较全面的定性分析和阐述。在理论分析的基础上,对工程实例的跟踪精度做了定量分析且提出了切实可行的提高系统跟踪精度的方法。最后试验证明提出的稳定跟踪技术满足了系统跟踪精度指标的要求。

关键词：星载平台,跟踪精度,跟踪误差,稳定跟踪

跟踪精度作为系统重要性能之一能够最直接地反映系统总体跟踪性能。影响星载光电跟踪系统跟踪精度的主要因素有卫星的振动、摄动及旋转、星载系统工作状态、机械结构及参照系误差、轨道预测误差和背景光噪声等。其中,参照系采取星载坐标系,其误差由实际工作情况决定。轨道预测误差由探测识别系统等星载前续系统给出的数据决定。背景光噪声影响主要来自太阳、悬浮粒子、尘埃及能对光产生反射和散射的星体等[1,2,3]。由于系统的工作状态及自身对跟踪精度都有影响,所以在工程应用中,需要根据实际情况分析影响跟踪精度的主要因素,并有针对性地提出提高系统跟踪精度的方法,满足系统指标的要求。

1 星载光电跟踪系统跟踪精度

1.1 星载光电跟踪系统跟踪误差的主要来源

对星载光电跟踪系统来说,从光电探测器开始敏感外界信号到伺服控制器收到脱靶量信息要有一定的延迟时间,其中包括探测器的积分延迟、信号处理延迟和通讯传输延迟等。在探测系统中,由于图像处理器与主控制器之间,主控制器与伺服控制系统之间均通过总线进行信息传输,这都增加了伺服控制器收到脱靶量的延迟时间。长延迟的存在对跟踪系统的带宽、跟踪精度等造成严重的影响。因此,分析跟踪误差的主要来源,建立星载光电跟踪系统的稳定跟踪技术对于提高系统的跟踪性能有着重要的意义。

图1为普通跟踪系统的主要跟踪误差源,总的跟踪误差包括静态偏置误差和动态随机误差[4]。

根据以上对跟踪误差主要误差源的分析,结合星载光电跟踪系统的组成和工作模式,列举星载光电跟踪系统的跟踪误差的主要来源:

(1)动态跟踪滞后误差;

(2)光电图像传感器误差;

(3)角度位置传感器光电码盘误差;

(4)图像定位算法误差;

(5)卫星平台振动误差;

(6)其他误差。

1.2 影响跟踪精度的因素分析

1.2.1 动态跟踪滞后误差

动态滞后是由于目标运动引起的一项误差,是控制器延时、D/A转换延时、执行机构响应速度等这些原因造成的。在跟瞄伺服系统达到稳定状态时,系统输入与对应的稳态输出之间的差便是动态跟踪滞后误差ε(t):

1.2.2 光电图像传感器误差

光电图像传感器误差是由光电探测器噪声引入误差、光电探测器不均匀性引入误差和空间量化误差所组成。

(1)光电探测器噪声误差是各项误差源中最主要的误差源,它的噪声包括信号和背景的散弹噪声、暗电流、读出噪声等。工程上对这些噪声的综合影响给出一个噪声等效角σNEA:

其中:S为信号,Δt为曝光时间,N为质心窗口半宽,Np为质心窗口像素目,Np=(2N+1)2,RF为单个像素lσ固定噪声,RT为单个像素上的背景信号(包括杂散光和暗电流),则光电探测器器件噪声功率谱密度为:

fs为光电探测器件采样频率,则由光电探测器件噪声引起的跟踪误差为:

(2)光电探测器不均匀性是单个像素的光电响应属性,这是由探测器制作过程中搀杂浓度的不均匀、淀积厚度的差异以及光刻误差等造成的。

(3)空间量化误差是由于有限的探测器像元尺寸造成的,它是光束形状、像元尺寸和光斑质心窗口尺寸的函数。间量化引入的误差通常变化比较慢,其大小由光斑的亚像素位置决定。通常,光斑质心窗口应当取大一些,以减小由于图像截断导致的空间量化误差,但质心窗口尺寸增大同样会接收更多的噪声,导致噪声等效角σNEA增大。因此,在两种误差控制上需要折衷。

1.2.3 角度位置传感器光电码盘误差

光电码盘是一种数字式角度传感器,它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出,主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。影响光电码盘精度的主要因素有:码盘的刻划误差、主轴系的回转精度、码盘的安装偏心、狭缝的刻划误差和狭缝的装配误差。光电码盘角度编码器的量化误差对跟踪精度影响最大。

对于用光电码盘进行转角位置的检测,传统方法是检测码盘输出脉冲数来计算角位移。光电码盘系统总的误差可由下式合成:

其中:σ为光电码盘均方根精度,ε为光电码盘编码器精度,ξ为精密弹性联轴器传动精度,γ为编码器转换电路精度。

1.2.4 图像定位算法误差

图像定位算法一般采用质心定位、形心定位、峰值定位、边缘定位等常用算法。当目标的形状和预测精度一定时,对目标估计精度影响最大的因素就是目标窗口的中心位置。误差对窗口中心位置非常敏感,因为误差的均值直接正比于xt-xc,xt为目标的实际位置,xc为目标窗口的中心坐标。由图像定位算法引起的误差可以写为:

其中,k与背景和目标像素之比即目标误判概率有关。

1.2.5 卫星平台振动误差

卫星轨道产生的不均匀引力、太阳的辐射压力或空间站内部的一些操作都有可能引起卫星平台的振动。在星载光电跟踪系统中,平台的振动造成的角振幅干扰可能显著地影响系统的总跟瞄误差的值,因而需要采取抑制措施。目前的卫星平台一般采用振动隔离或者是设计具有优良扰动抑制能力精跟踪系统来抑制卫星振动,所以在经过抑制卫星振动后产生的卫星平台振动误差几乎可以忽略不计。

1.2.6 其他误差

其他误差如电源波动、温度变化引入的随机噪声,系统调试校准误差等。

由于星载系统自身特点,跟踪精度可以用视轴稳定误差来表示。再根据星载空间环境特殊性,量化的跟踪误差主要由光电传感器NEA、控制系统机械误差及动态滞后误差决定。总跟踪精度为:

其中:σ为总跟踪精度,σ1,σ2,…,σn为各因素引起的误差。

2 计算跟踪精度及提高跟踪精度的方法

实例:某星载光电跟踪系统,跟踪精度要求60″。根据实际情况,列出对本系统影响较大的跟踪误差:

系统采用的光电码盘的精度是16位20″,假设光电码是线性变化的,则运用光电码盘对探测器满程定标的误差大约是σ1=10″;

跟踪相机的帧频为60Hz,则一帧的时间是16 ms。系统伺服响应时间为10 ms,所以系统总响应时间为26 ms。目标的运动速度为1°/s,由于一帧的滞后引起的误差为σ2=26 ms×1°×3 600=93.6″;

由形心算法计算得到的误差为:;

跟踪相机探测器面阵大小为1 024×1 024,光敏元大小为12μm×12μm,所对应的视场大小为2°×2°,由它引起的误差最大为0.5个像元点,即误差为;

这样,跟踪精度为σ=σ12+σ22+σ32+σ42,计算得σ=94.2″。

为保证系统的可靠跟踪和精度测量,可采用以下技术途径来提高系统的跟踪精度:

2.1 改善伺服控制系统的性能

提高伺服响应速度,减小响应时间,提高跟踪系统的带宽,减小系统响应的动态误差。

2.2 提高探测帧频

本系统的相机采用了窗口读出模式,在目标位置初步判定后,可设置一个局部图像窗口,视频读出数据率不变,帧频可提高,脱靶量检测频率也同样可提高。这对伺服控制系统的响应性能有更高的要求。

2.3 采取稳定跟踪技术

星载光电跟踪系统依靠传感器提供运动目标信息,捕获并稳定跟踪目标。由于图像传感器系统在提取目标时需要一定的处理时间,控制系统得到的运动目标的信息都有一定的滞后,在跟踪快速运动目标时,该滞后量必然成为影响控制系统的稳定性和跟踪精度的主要因素。预测滤波算法就是根据在前面的目标信息以及目标信息的滞后量已知的情况下,预推出当前目标信息,克服目标信息的滞后量对控制系统的影响。

常用的数据滤波方法有有限记忆最小平方滤波、α-β-γ滤波、Kalman滤波和综合预测器,这些滤波方法有他们各自的优势和适用场合。

(1)有限记忆最小平方滤波是用靠近现在时刻的N个带有随机噪声的测量数据,估计现在时刻或预测未来时刻目标运动参数,并使估值或预测的均方误差最小。此方法虽然简单,但精度有限,记忆点数多,当目标机动性加强时,滤波器不能及时反应,致使系统误差加大。

(2)α-β-γ滤波即常增益最优递推滤波。滤波效果优于有限记忆滤波,并且不太复杂,但是精度有限,适用中等精度系统和计算速度有限时应用。

(3)Kalman滤波精度高,高精度跟踪采用的滤波算法主要以Kalman滤波器为主要技术。但是Kalman滤波计算量大,实时性差,而且容错能力不够好,对它的适用范围也有了一定的限制。

(4)综合预测器是在某一次预测算法所涉及的范围内,目标的运动可看作直线运动和曲线运动的某种组合,因此可以用多种预测结果的综合作为最终的预测值。

3 结语

根据以上实例可以看出,在星载光电跟踪系统中,对跟踪精度影响最大的是动态滞后误差和伺服系统的响应延时。在对系统的跟踪精度进行分析之后,采用了改善伺服控制系统的性能、提高探测帧频和启用综合滤波器等切合工程实际应用的方法来提高系统的跟踪精度。经过以上的改善,系统的跟踪精度达到了60″,满足了系统跟踪精度指标的要求。

本文在理论分析的基础上,对实际系统的跟踪精度做了定量分析。可以看出,确定并提高系统跟踪性能既要考虑实际系统的工作环境特殊性,又要考虑技术实现的可能性,合理的分析和设计对实现良好的光电跟踪设备总体性能是非常重要的。

参考文献

[1]Shinhak L.Pointing Accuracy Improvement Using Model-basedNoise Reduction Method[J].SPIE,2002,4635(5):65-71.

[2]马佳光.捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题[J].光学工程,1989(3):38-42.

[3]张秉华,张守辉.光电成像跟踪系统[M].成都:电子科技大学出版社,2002.

[4]张秉华,熊金涛,胡渝.光通信中光束瞄准的误差分析[J].电子科技大学学报,1998,27(5):478-481.

[5]Amon S,Kopeika N S.Possible Solutions to Mitigate Vibra-tion Effects in Laser Inter Satellite Links[J].SPEI,2002,4489(3):202-207.

[6]周晓东.预测滤波技术在电视跟踪系统中的应用研究[D].长春:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2007.

[7]姜复兴,陈希军,昊征能.提高图像跟踪精度的一种算法[J].应用激光,2001,21(6):392-395.

[8]高浩军,杜宇人.目标跟踪技术及应用前景[J].现代电子技术,2004,27(24):1-2.

[9]胡浩军.运动平台捕获、跟踪与瞄准系统视轴稳定技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2005.

光电跟踪伺服系统 篇2

光电经纬仪人工跟踪训练系统

为解决航空武器试验中人工跟踪难度大、成本高、有一定危险性等问题,设计了一套光电经纬仪人工跟踪训练系统.本文首先对训练系统自身的要求和特点进行了研究,提出了基本设计思想,重点分析了系统的.体系结构,并介绍了使用的关键技术.最后介绍了该系统的硬件组成和软件功能.实际应用表明,该系统能有效地满足训练的要求.

作 者：龚锦龙 邓彬 GONG Jin-long DENG Bin 作者单位：成都电子科技大学电子工程学院,成都,610054刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：200613(4)分类号：V24 TH761.1关键词：光电经纬仪 航迹规划 任务 HDLC

光电跟踪伺服系统的研究 篇3

随着现代电子技术的发展,越来越多的电子设备都力求实现数字化,以方便更高精度和更快速度的实时控制。MSP430 单片机因其集成度高、嵌入模块丰富、超低功耗等特点,在许多领域内得到了广泛的应用。对于一个数字化设备,一般通过信号的采集、放大、数字信号处理、信号控制,以及信号结果和特征的再现,完成某种的特定任务。基于四象限探测器的光电伺服系统的研究就是基于MSP430的诸多优点,利用软硬件结合的方法更好地实现目标的搜寻与实时跟踪。

为了提高跟踪定位系统的跟踪精度与响应速度,本文研究了采用PID算法调节输出PWM波的占空比,通过输出两路PWM波控制电机转动,以实现对目标的快速定位及在信号较弱时的精确定位和追踪。

1 总体设计方案

本文利用MSP430F169单片机的低功耗和高运算速度优势,将其作为中心控制器,采用内嵌模数转换器采集四象限探测器的模拟信号,实现了空间坐标位置的信号变换。使用单片机中的时钟模块和ADC模块,通过软件编程,PID算法调节输出PWM波的占空比,以实现电机驱动信号的连续和精细变化,驱动电路调节两路电机的转动的方式,实现二维空间的大范围搜索目标和小范围精准跟踪目标。其总体设计流程如图1所示。

2 硬件模块设计

2.1 硬件电路设计原理

硬件电路主要包括电源模块,四象限信号放大处理模块,系统控制模块和电机驱动模块。

电源模块实现将给定的5V电压转化为MSP430F169的工作电压3.3V的功能。

四象限探测器可探测到的波长范围是380nm～1100nm,其原理是将光照强度转换为电流信号,四象限探测器的预处理模块电路实现将电流信号经放大和运算处理,并将电流转化为单片机A/D能够采集到电压范围0～2.5V。采样的数字信号经单片机内的数字滤波和算法的运算,控制PWM波的占空比来调节电机的速度,电路原理图如图2所示。

2.2 模拟实验设计原理

模拟机构设计灵感源于地动仪的设计原理,采用两个不同的轴来调节不同平面实现四象限探测器的大范围搜寻目标的目的,模型图如图3所示。

研究中利用皮筋的弹性与牵引丝线的电机相结合,实现搜索平面的任意角度转动。并利用废弃的中心笔管代替齿轮实现轴的小摩擦先转动。模型轻小便捷,制作方便,并且变废为宝。

3 软件设计

软件编程部分主要包括目标的搜寻和跟踪两个模块。

设计中载入自动搜索程序搜寻目标光源,对目标进行二维的空间搜索,并载入判别目标程序,通过AD采集到的电压范围判别是否搜到目标。当搜到目标后,载入坐标运算程序,计算当前四象限面板与目标位置的归一化坐标差值,然后调用PID算法程序,将PID的调节量转化为PWM波的输出持续时间和占空比,调用控制电机转动圈数程序对目标进行追踪,控制流程如图4所示。

4 PID控制算法设计

PID算法主要有位置式算法和增量式算法两类,一般增量式算法适用于控制精度要求不高的系统中,位置式适用于控制精度要求较高的控制系统中。但是位置式控制算法会出现积分饱和问题。通常消除积分饱和问题的方法有限制PI调节器输出的方法、积分分离法和欲限削弱积分法。由于限制PI调节器输出法有可能在正常操作中不能消除系统的余差,积分法可以在小偏差时利用积分作用消除偏差。因此本文选用位置式算法的改进形式,即积分分离法,设计思想如图5所示。

首先,PID算法通过读入经过四象限放大处理后的电压值和欲调整的电压值,计算两者偏差,然后判别偏差值大小是否在所设定的阈值内,从而调用相应的PID运算程序,程序流程如图6所示。

采用的PID控制算法的公式如下:

u(n)=u(n-1)+Kp*[e(n)-e(n-1)]+Ki*e(n)+Kd*[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

研究中控制参数的确定采用先选定控制度,依据不同的控制度预设控制参数通过实验方法调整控制参数取值,使之达到研究的控制精度。

5 结束语

本研究设计中采用性能优越的 MSP430F169 作为控制核心。通过四象限光电探测器将光照强度转化成电流信号,经过四象限信号处理电路转化成MSP430F169 单片机ADC能够采集到的电压范围,利用PID算法及相关转化控制两路 PWM 波输出控制电机转动,实现目标定位跟踪。通过使用激光器将定位和追踪过程直观显示,便于直接观察。使用MSP430内部的AD 模块和时钟模块能够快速实现精准的PID误差信号与PWM波占空比的转换。机构部分的设计也体现了实效简洁的设计理念。

参考文献

[1]司栋森,李增智,王晓旭.采用四象限探测器的智能跟踪定位算法[J].西安交通大学学报,2012(4):13-17.

[2]俞金寿,蒋慰孙.过程控制工程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]李玲琪,李诚,周航.实用PID控制算法的改进及其编程技巧[J].黑龙江电子技术,1998(3):27-29.

[4]谢兴红,林凡强,吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:3-73,119-134.

[5]梅田,郭建强,高晓蓉,等.MSP430控制的恒温晶体振荡器[J].信息技术,2011(11):88-92.

[6]王沛,郭建强.MSP430单片机控制的精密半导体冰箱装置的研究[J].信息技术,2011(11):84-87,92.

[7]彭华,郭建强,等.基于MSP430单片机的USB接口固件编程的研究[J].信息技术,2012(7):115-120.

光电跟踪伺服系统 篇4

光电跟踪仪激光测距器性能检测方法研究

介绍了光电跟踪仪激光测距器的.特点,提出了其重要性能指标一测距能力和精度的检测方法.采用半实物仿真技术测试反映测距能力的消光比参量;采用精密延时法,实现了测距精度的测量.检测装置的耦合透镜部件放置于平行光管靶面,容易与测试光电跟踪设备其它模块的装置进行集成.

作 者：陈坤峰 史学舜 CHEN Kun-feng SHI Xue-shun 作者单位：华东电子测量仪器研究所,山东,青岛,266555刊 名：宇航计测技术 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTIC METROLOGY AND MEASUREMENT年，卷(期)：28(3)分类号：P127.1 TN919.3关键词：光电跟踪仪 激光测距器 测距能力 测距精度 精密延时法

光电式太阳跟踪系统的研究 篇5

太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,已逐步成为各国竞相开发的绿色能源,并受到各国的重视。但是太阳对地球的照射随纬度、季节等条件的影响,存在着密度不均、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题。如何最大限度的提高太阳能利用率是全球研究的热点问题。传统的固定式安装的太阳能电池板是将电池板固定在某个位置,不随太阳位置的变化而移动,严重影响光电转换效率,据测算如果光伏发电系统与太阳光线角度存在25°偏差,就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列的输出功率下降10%左右。如何保证太阳能电池板时刻对太阳光线实施自动跟踪,提高光伏发电效率,是解决这一问题的有效途径之一[1]。

目前,常用的太阳能跟踪控制方法有时空控制方法和匀速控制方法两种。时空控制法是将季节、当地经纬度数据预先输入到微处理器中通过程序列表并进行太阳方位角和高度角的计算,实现时间和空间上的同步,最终得出实际角度以实现精确控制。匀速控制法就是计算出地球的自转速度,再把跟踪装置也设计成和地球自转同步来达到跟踪目的。由于四季中每天早、中、晚太阳光的强弱变化范围很大,所以上述两种控制器很难实现随季节的变化对太阳光进行全天候的跟踪。这样就影响了太阳光对电池板的照度,降低了光子吸收和光电转换的效率,不易达到实用要求,而且太阳跟踪系统的跟踪精度也比较低[2]。

本文的设计目的是:开发一种利用光电技术对太阳光进行实时跟踪的自动阳光跟踪系统,时刻检测太阳光与太阳能电池板法线间的夹角,随时调整太阳能电池板的方位,始终保持太阳光垂直照射太阳能电池板。

1 光电式阳光跟踪系统的结构

本设计的光电式阳光跟踪系统由光电探测器、控制电路和机械传动机构三部分组成,系统结构如图1所示。光电探测器的作用是检测太阳能电池板的法线与太阳光线之间的夹角。当夹角超过特定阈值时,由控制电路将该夹角信号转换为电信号驱动机械传动机构调整太阳能电池板的位置,使太阳能电池板的法线与太阳光线之间的夹角为零,实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

1.1 光电探测器

将太阳在天空位置的改变归结到两个相互垂直的方向,即沿东西方向的变化(从日出到日落的变化)和沿南北方向的变化,用方位角和高度角来描述。用一对光电传感器检测方位角的变化,另一对光电传感器检测高度角的变化。当一对光电传感器的光照度一样时,说明太阳光与太阳能电池板法线间的夹角为零,太阳光是垂直入射到太阳能电池板上;当一对光电传感器的光照度不一样时,说明太阳光与太阳能电池板法线间的夹角不为零,太阳光偏离了垂直入射方向,则需要调整太阳能电池板的方位。为了排除环境光的干扰,结合几何光学成像原理,将两对光敏电阻,封装在一个带有平凸透镜的圆筒暗盒底部相互垂直的两个直径上,距圆心距离相等,如图2(a)所示。为减轻太阳能设备的自重,降低能耗,圆筒材料选用铝合金,内部喷涂吸光材料。当太阳光与平凸透镜的主光轴平行时,太阳光经过聚光透镜后在圆筒底聚焦为一个光斑,4个光敏电阻围着光斑,每个光敏电阻的受到的光照是一样的,如图2(b)所示;当太阳光偏离平凸透镜的主光轴时,在圆筒底聚焦为一个光斑会发生偏移,导致在一条直径上2个光敏电阻受到的光照不同,光敏电阻因受光的照度不一样,阻值出现偏差,当这个偏差达到一个阀值时,则输出信号[3]。

1.2 控制电路

本设计的控制电路由信号采集、信号比较、电机控制、自动复位控制四部分构成,电路图如图3所示。

采集电路由平凸透镜、圆筒、电阻R1~R4及光敏电阻RL1、RL2组成。信号比较电路由运算放大器IC1A、IC1B、可调电阻R11、电阻R5、R 6组成。电机控制电路由D 1、D 2、D 3、D 4、LED1、LED2、R7、R8、R9、R10、Q1、Q2及继电器J1、J2构成。手动控制电路由开关S1、S2、LED1、LED2、R7、R8、R9、R10、Q1、Q2及继电器J1、J2构成。

本电路的特点是每组由两只光敏电阻组成,一组检测左右方向的光强,另一组检测上下方向的光强。光敏电阻将光强转换为相应的电信号送至比较器输入端,输出相应的控制信号,控制驱动电机工作,及时调整太阳能电池板的朝向,使太阳能电池板四季全天候跟踪太阳,从而提高能量转化效率。所以,本文所设计的控制电路能够根据太阳所处的具体位置对太阳光进行实时跟踪,而且调试简单,成本低廉。

为了达到全方位跟踪太阳的目的,我们分别使用两块控制电路来驱动两个电机,使太阳能电池板能够左右和上下转动,实现方位角和高度角的跟踪。

另外,本文还设置了复位功能。每天早晨,控制电路根据传感器的检测信号向机械执行机构发出相应信号驱动太阳能电池板复位。

1.3 机械传动机构

本文提出了在地平坐标系中的双轴跟踪机械传动部分的设计思想,双轴自动跟踪机械传动部分的主视图和左视图分别如图4(a)、(b)所示。机械传动部分由太阳能电池板、立柱、上底座、下底座、地平轴、太阳能电池板的支撑架、齿轮、高度转轴、推力球轴承、电机等组成。立柱与下底座连在一起,下底座结实牢固可移动。电池板的支撑架固定在推力球轴承上,大齿轮固定套在推力球轴承上,再固定在上底座。电机2固定在上底座上,与地平轴用齿轮链接,使太阳能电池板绕地平轴旋转,实现对太阳光的方位角的跟踪。电机1安装在太阳能太阳能电池板上面,通过齿轮与丝杠相连接,丝杠的另一端通过万向螺母连接在上底座上,通过旋进、旋出改变丝杠的长短,使电池板绕水平轴转动,以改变太阳能电池板的高度角。齿轮1固定套在电机2的转轴上,齿轮2固定套在立柱上,整个太阳能发电设备围绕竖直轴转动依靠齿轮1与齿轮2的啮合[4]。

本设计结构简单,刚性较好,成本低廉,可在各种环境下使用,克服了其他阳光跟踪系统中的机械传动部分结构复杂笨重的问题。在驱动装置上使用了功率较小的直流减速电机,降低了驱动部分的能源损耗。利用齿轮传动,增大了传递动力,提高了精度。传动装置连接在转动架下(太阳能电池板之下),受到较好的保护,提高了传动装置的寿命。在转角控制方面,高度角变化范围可达90°,周角变化范围可达200°,拓宽了在其他方面的应用。采用蜗杆和齿轮传动机构跟踪,具有传动平稳及精度高等优势[5],能够在降低太阳能发电成本方面产生积极的作用。

2 实验结果及分析

将光电探测器、控制电路、机械传动机构三部分进行整合后调试,实验室测量结果完全符合预期效果。本系统可以同时对高度角和方位角上的阳光进行检测,输出信号,驱动机械传动机构,使得太阳能电池板能始终面对太阳,跟踪精度可以达到1度,而且运行可靠,结构简单,没有累计误差,成本低廉,不需要人工进行定期的调节。

3 结论

本文开发了一种由光电探测器、控制电路和机械传动机构三部分组成的光电式太阳跟踪系统。实验和运行的结果表明,在太阳光辐射总量一定的情况下,可增加太阳能电池板发电总量,提高发电效率。本系统设备简易,操作方便,太阳能利用率高,能长期自动运行在免维护的状态下,因此具有广阔的应用前景。

摘要：本文设计了一种由光电探测器、控制电路、机械传动机构三部分组成的光电式太阳跟踪系统。通过光电技术现实了太阳光角度数据的实时采集,太阳能电池板转动由控制电路驱动,确保其能够全天候跟踪太阳。通过实验室测试,达到预期设计目标。由于制造运行成本较低,跟踪精度较高,该系统具有广阔的应用前景。

关键词：控制电路,光电探测器,自动跟踪

参考文献

[1]卞新高,杨缝缝,辛秋霞.一种大范围太阳光线自动跟踪方法[J].太阳能学报,2010.31(10):1298-1302.

[2]王尚文,高伟,黄树红.混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[J].可再生能源,2007,25(6):10-13.

[3]刘四洋,伍春生,彭燕昌.主动式双轴太阳跟踪控制器[J].可再生能源,2007,25(6):69-72.

[4]崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].第1版,北京:化学工业出版社,2007:18.

光电跟踪伺服系统 篇6

光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素[1].速度稳定回路是跟踪系统的关键环节, 其性能对系统的跟踪精度有较大的影响, 因此建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 取得了被控对象较为精确的数学模型.

1 系统组成及控制原理

系统为安装于移动载体上的光电跟踪系统, 为克服载体运动及空气扰动力矩[2], 系统采用整体稳定的双轴陀螺稳定平台结构.系统由光电探测器、转塔、图像处理计算机、中心控制计算机和信号解调与功放电路5部分组成.光电探测器和陀螺安装在转塔的俯仰环架上, 图像处理计算机主要负责图像采集、目标识别和目标提取, 并将目标的偏差信息发送给中心控制计算机, 经中心控制计算机解算后, 完成对转塔的伺服跟踪控制.系统结构原理示意图如图1所示.

系统可工作在扫描、随动、半自动跟踪、自动跟踪等多种模式下, 不同的工作模式, 控制系统回路结构也不完全相同.在跟踪模式下, 控制回路原理框图如图2所示. 由速度稳定回路组成系统控制内环, 由跟踪回路构成系统控制外环, 组成双闭环控制系统.

2 速度稳定回路模型的建立

根据系统原理框图, 虚线框部分为系统的速度稳定回路, 由校正环节、PWM功放环节、电机及负载、陀螺4个部分组成.在跟踪状态下, 速度稳定环和跟踪环对载体角运动均具有隔离作用, 但跟踪环的采样频率较低, 且跟踪传感器存在延迟环节, 因此, 跟踪回路带宽较窄, 对载体角运动的隔离作用较弱, 系统中主要起隔离作用的是速率稳定环[3].速度稳定回路各环节的模型如下:

(1) 速度稳定回路校正放大环节GTVC (s) , 其结构和参数在速度稳定回路设计时确定.

(2) PWM功放环节GPWM (s) 由两部分组成, 一部分是比例环节, 另一部分是延迟环节

GH (s) =Ke-TPWMs (1)

(3) 被控对象是由电机及负载组成的跟踪环架, 其传递函数为

$G{}_{{\rm O}BJ}(s)=\frac{1/{\rm K}{}_e}{({\rm T}{}_{m}s+1)({\rm T}{}_{e}S+1)}(2)$

(4) 速率陀螺的输出为与速度信号成正比的电压信号, 比例因子为

Klf=146.02 (mv/°/s)

传递函数为

Ggyro (s) =Klf (3)

3 跟踪环架频率特性的工程测试

频率特性法是控制系统设计常用的方法, 在分析跟踪环架频率特性的基础上, 建立跟踪环架的数学模型, 依据控制系统性能指标, 绘制期望的频率特性, 设计出校正环节, 使系统达到良好的动态特性和稳态性能. 光电跟踪架的开环频率特性测试原理框图如图3所示.

(1) 由信号发生器产生频率可调、幅值相位固定的正弦信号, 一路经AD转换后送给伺服控制器, 另一路送给示波器;

(2) 伺服控制器根据所采集的正弦信号的符号和数值分别产生控制转轴转动的控制信号, 使转塔框架作正弦摆动, 所摆频率与正弦激励信号相同, 转塔框架摆动的速度由陀螺测量得到, 即将陀螺的输出信号送与示波器显示;

(3) 记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压幅值和输出电压幅值, 经计算可得被测系统的对数幅频特性曲线;记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压和输出电压的相位差, 经计算可得被测系统的对数相频特性曲线.

按照以上步骤, 对方位跟踪环架进行了测试, 绘出相应的频率特性曲线如图4所示.

4 数据分析与结果仿真

利用MATLAB中的多项式拟合命令[a, s]=polyfit (x, y, n) , 对测试数据进行拟合, 由于多项式的拟合目标是形如y (s) =f (a, x) =a1xn+a2xn-1+…+anx+an+1的n阶多项式模型, 不能

直接用于对频率特性的幅频特性进行拟合, 通过函数变化, 变为可以简单有效处理的线性最小二乘问题[4].被控对象的传递函数为

$G(s)=\frac{ke{}^{-{\rm T}{}_{{\rm P}W{\rm M}}s}}{\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1}s+1\right)\left(\frac{1}{{\rm T}{}_2}s+1\right)}(4)$

两边取幅值, 则有

$\begin{array}{l}|G(j\omega )|=\frac{|ke{}^{-i{\rm T}{}_{{\rm P}W{\rm M}}\omega }|}{\left|\left(j\frac{1}{{\rm T}{}_1}\omega +1\right)\left(j\frac{1}{{\rm T}{}_2}\omega +1\right)\right|}=\\ \frac{|{\rm K}|}{\sqrt{(\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1}\omega \right){}^2+1\left(\left(\frac{1}{{\rm T}{}_2}\omega \right){}^2+1\right)}}(5)\end{array}$

变换后为

$\begin{array}{l}\frac{1}{|G(j\omega )|{}^2}=\frac{1+\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)\omega {}^2+\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}(\omega {}^2){}^2}{{\rm K}}=\\ \frac{1}{{\rm K}}+\frac{1}{{\rm K}}\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)\omega {}^2+\frac{1}{{\rm K}}\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}(\omega {}^2){}^2(6)\end{array}$

令$x=\omega {}^2‚y=\frac{1}{|G(j\omega )|{}^2}$, 则式 (6) 变为

$y=\frac{1}{k}\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}x{}^2+\frac{1}{{\rm K}}\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)x+\frac{1}{{\rm K}}(7)$

这样就可直接用二阶多项式进行拟合, 经拟合并计算得

$\{\begin{array}{l}{\rm K}\approx 18\\ {\rm T}{}_1\approx 5.6\\ {\rm T}{}_2\approx 280\end{array}$

得到被测对象对应的最小相角系统为

$G{}_1(s)=\frac{18}{\left(\frac{1}{5.6}s+1\right)\left(\frac{1}{280}s+1\right)}(8)$

延迟环节参数TPWM的确定, ∠G (s) 和∠G1 (s) 的相位差为∠G1 (s) -∠G (s) =TPWMω, 根据相位差的对应关系, 可以求出TPWM=0.005s.

则求得速度稳定回路控制对象的传递函数为

$G(s)=\frac{18e{}^{-0.0055s}}{\left(\frac{1}{5.6}s+1\right)\left(\frac{1}{280}s+1\right)}(9)$

比较试验曲线和拟合传递函数的曲线如图5所 示. 拟合曲线和试验曲线误差分布图如图6所示. 从中可以看出, 经最小二乘法拟合的理论曲线, 在较宽的频率范围内与试验真值保持了良好的一致性.

5 结 束 语

光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素.建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 得到被控对象较为精确的数学模型, 通过仿真可看出试验曲线和拟合曲线在较宽的频率范围内一致.通过建立的控制对象数学模型, 可以更好地根据方位轴系的稳定性能和动态性能要求, 精确的设计校正环节, 从而提高系统的跟踪控制精度.运用该方法也可以对俯仰跟踪环架进行建模, 设计校正环节.此方法还可以对各个闭环跟踪控制回路进行分析, 测试闭环跟踪控制系统的性能指标, 在工程上具有较好的实用性.

参考文献

[1]马佳光.捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题[J].光学工程, 1989, 16 (3) :1-42.

[2]张景旭, 王洋.动载体光学图像视轴稳定技术[J].光电技术应用, 2007, 22 (1) :4-7.

[3]王连明.机载光电平台的稳定与跟踪伺服控制技术研究[D].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2002:29-42.

光电跟踪伺服系统 篇7

直流力矩电机具有输出转矩大、可直接驱动负载的特点,在光电跟踪伺服系统中得到了广泛的应用;但力矩电机存在着力矩波动,它直接影响着高精度光电跟踪伺服系统的跟踪性能,特别是低速平稳性。

在传统的工程设计上,大多忽略扰动力矩的影响,并将直流电机驱动的光电跟踪系统简化为一个二阶系统,再进行控制器设计,如常采用的PID控制、超前滞后控制等,这种方法结构简单、易于工程实现,但是侧重对输入信号的跟踪能力,而对扰动量的抑制考虑不足,导致在实际应用时,系统受力矩扰动影响,产生速度波动,跟踪不平稳。针对力矩波动的影响及抑制问题,国内外很多学者作了大量研究。文献[1]证明提高控制带宽可以提高伺服系统对力矩扰动的抑制能力,但控制带宽受限于系统机械谐振频率和电机加速能力,无法做到很高;也有学者提出在常规位置—速度双闭环控制的基础上,再增加一个电流环[2,3]或者加速度环[4],以达到对力矩扰动的抑制。在具体实现上,该方法还需要额外的传感器以及相关硬件电路支持;在控制算法的研究方面,文献[5]针对周期性力矩波动,引入重复学习控制,获得了一定的效果;文献[6]在保留传统超前滞后控制的基础上,通过引入自适应前馈控制,对周期性力矩波动抑制达到了很好的效果,但该方法依赖扰动信号模型,且未考虑未建模特性和其他扰动的影响。另外,也有将神经网络预测控制[7]、扰动观测器控制[8]等用于光电跟踪系统扰动力矩的控制,但工作主要还是在仿真分析,未有实际应用。

针对上述问题,本文引入一种简化的自抗扰控制策略,在保留传统的位置—速度双闭环控制结构的基础上,将该算法实现在速度环,它不需要额外的硬件系统改动,而是通过算法特有的扩张状态观测器从速度信号中估计出扰动量,并进行抑制。该算法不依赖对象模型,具有很强的鲁棒性和易实现性,对周期性力矩波动以及其他非周期性扰动具有很强的抑制能力,文中通过时域和频域的仿真分析和实验验证证明了该方法的有效性。

1 问题描述

首先建立直流电机驱动的光电跟踪系统的数学模型,一般具有如下表示形式:

式中:i(t)为电枢电流,ω(t)为电机转速,u(t)为输入控制电压,R为电机电枢电阻,L为电机电感,Tm(t)代表电磁力矩,Td(t)代表扰动力矩,Km为力矩系数,Kb为反电动势系数,n为粘性系数,J为转动惯量。

由式(1)可以看出,作用在负载端的力矩既有电磁力矩,又有扰动力矩,其中直流力矩电机的力矩波动就是Td的一种表示形式。

直流电机力矩波动主要来自两个方面:一个是由电流换向引起的力矩波动,另一个是因齿槽效应、磁路不对称、极弧系数等引起的磁阻力矩波动。其中,磁阻力矩波动是影响力矩波动的主要因素[9]。

力矩波动与转子和定子的空间相对位置直接相关,在电机的转动过程中,力矩波动会呈现一定的频率变化,该频率与电机本身的定子极对数、转子槽数、换向片数以及电机的转动速度直接相关,其中,由磁路不对称造成的力矩波动,一个转动周期内波动频率为极对数的两倍;而由齿槽效应和换向电流引起的力矩波动,在一个周期内波动频率等于转子槽数和换向片数,由于直流电机转子槽数等于换向片数,因此,二者共同叠加。

理想情况下,当电机匀速转动时,力矩波动可以等效为固定周期的正弦信号模型,其幅度反映力矩波动的强度,而频率和电机转速、电机转子槽数和定子极对数直接相关,其表达式为[6]

式中:A1和A2为力矩波动的幅度,NR为转子槽数,NP为定子极对数,ω为电机转速(单位:°/s),t为时间,1和2相位角。

2 控制器设计

自抗扰控制器的核心是扩张状态观测器,它可以对控系统中含有的模型不确定性以及外部扰动进行实时观测,并通过控制器加以补偿。

典型的二阶自抗扰控制器如图1所示,主要由非线性跟踪微分器(NTD)、扩张状态观测器(ESO)和非线性比例微分控制器(NPD)三部分构成[10,11]。NTD的作用是控制过渡过程,以减少控制过程输出的超调量;ESO是一种状态观测器,根据系统阶数,它可以给出输入信号的估计值、输入信号的n阶近似导数以及系统的扰动量,其中扰动估计值作为顺馈信号作用到控制器输出端;控制器NPD用来改善系统动态过程及稳定性。

考虑到常规的ADRC控制器引入了非线性特性,并且参数众多、调整复杂,不便于工程实现。为此,本系统引入一种线性ADRC控制策略,其实现过程如下:

首先对式(2)表示的光电跟踪系统的数学模型进行整理,转化为输入量为电压u(t)和扰动量Td(t)、输出量为转速ω(t)的表示形式,有

式中:a1=(Ln+JR)/JL,a0=(KMKB+n R)/JL,b0=KM/JL,c1=1/J,c0=R/JL。

1)ESO的确定。式(3)表示的是一个二阶系统,那么首先确定ADRC控制器中采用二阶ESO。在式(3)中引入虚拟控制量b,并对其进行整理,有

ESO是将系统自身已知或未知的动力学特性以及外界扰动,作为一种状态进行观测,其优势就体现在对自身参数的变化以及外界干扰,均具有较强的鲁棒性。对于直流电机调速系统,电机的输出速度ω是可测量信号,那么在二阶ESO中,引入状态变量z3号,对式(3)中的进行估计,其状态方程如下所示:

式中:z1为速度信号的估计值,z2为加速度信号的估计值,u为系统控制量,L1、L2和L3为可调参数。

式(4)表示的是一种线性结构的ESO,相比非线性结构,减小了参数调整个数,降低了系统复杂度。对于增益L1、L2和L3的选择,通过引入参数ωo来确定,其计算公式如下所示[12]。ωo的大小反映了观测器的带宽,其值越大,观测器估计输入信号的能力就越强,但实际系统常常含有噪声,过高的ωo值对噪声抑制不利,因此要合理选择。

2)将非线性NPD控制器变为一种线性比例微分控制器(简称PD控制器),线性控制律如下所示:

式中:r为给定输入信号,kp为比例系数,kd为微分系数。

在控制器输入端,取消NTD模块,而对于控制过程的调节主要靠kp和kd的调节来保证。为方便控制器设计,引入两个参数ωc和ξ,它们和kp和kd的关系如下所示[13]:

式中:ωc表征控制系统的控制带宽,ξ为阻尼因子。

常规ADRC控制器通过增加一个NTD模块来安排过渡过程来解决快速性与超调之间的矛盾。本文通过阻尼因子ξ的调节,可以实现同样的目的,并且大大简化了控制器的结构。一般来说,ωc越大,系统响应越快;如果要求系统超调量小,可以选取较大的ξ值,而要求系统快速响应,可以选取相对较小的ξ值。

3)控制量u的选取。将状态变量z3叠加到控制量中去实现前馈控制,其中虚拟控制量b为可调参数。物理意义上,b值相当于补偿因子,减小b值相当于加强补偿作用效果,但这不利于噪声的抑制,因此要在实际应用中合理确定。

综上,简化后的ADRC控制框图如图2所示,总共包含ωo、ωc、ξ和b四个调节参数。对于直流电机调速系统,图中的作用量具有如下物理意义:r为给定速度,u为控制量,w为系统扰动,y为电机输出速度,z1为电机速度的估计值,z2为电机加速度的估计值,z3为系统扰动的估计值。

改进后的自抗扰控制器形成一个完整的闭环系统,其输入量为给定转速,输出量为电机实际转速,该系统很容易和位置环串联,构成双闭环控制系统。

3 仿真分析

在MATLAB的SIMULINK环境下,建立了控制系统仿真模型,以分析ADRC控制器的性能及作用效果。仿真参数如下:转动惯量J=13 kg·m2,电机反电动势系数KB=6.42 V·s/rad,力矩系数Km=8.75 N·m/A,电机转子槽数为157,定子级数13对,电机电枢回路电阻R=8.6Ω,电枢电感L=0.021 H,力矩波动小于3%,仿真时采用0.002固定步长、ODE3(Euler)算法,初始状态为零。整个系统的Simulink仿真模型如图3所示。

首先针对无力矩扰动的情况下进行控制器设计,分别设计了ADRC控制器和PI控制器,并进行对比分析。在阶跃输入信号作用下,分别对两种控制器的参数进行了整定。选择PI控制器的校正传递函数如式(10)所示。对于ADRC控制器,选取ωo=500,ωc=100,b=0.5,ξ=1.5。

图4是系统的单位速度阶跃响应曲线。从图中可以看出:采用PI控制器和ADRC控制器的输出响应上升时间大体一致,但ADRC控制器的超调量比PI控制器的稍微大一些。

对于力矩波动的建模,考虑到实验电机的转子槽数远大于定子极对数,且电机工作速度较低,运动行程较短,因此,力矩波动主要表现为齿槽效应和换向电流引起的力矩波动。在力矩波动的仿真分析中,忽略由磁路不对称造成的力矩波动,根据式(2)给出的力矩波动方程,以及仿真实验系统的参数,取ω=1.0,A1=0.2,A2=0,NR=157,φ1=0,将力矩波动建模为w=0.2sin(2π·0.436t)。

图5是在等速输出下系统采用两种控制器的速度波动曲线。对仿真数据进行统计,结果表明:采用PI控制器时,受力矩波动的影响,速度输出表现为周性期波动;采用ADRC控制器后,速度误差的峰值由1.1%降低到0.059%,速度误差的均方根值由0.75%降低到0.04%,速度平稳性得到显著提高。仿真结果说明ADRC控制器能够有效补偿由力矩波动造成的速度波动,提高速度平稳性。

已有对自抗扰控制器的分析多是基于时域进行的,本文引入频域分析方法。考虑到上述控制系统均是基于线性定常系统设计,因此,频域分析方法是可行的。对速度环而言,我们关注的是速度闭环频率特性和扰动误差抑制特性。在图3中,取输入端为A,输出端为D,分别绘制两种不同控制器下的系统闭环频率特性曲线,如图6所示。从图中可以看出,采用PID控制器和ADRC控制器的闭环系统,具有几乎相同的-3 d B闭环控制带宽,它们分别是44.8 rad/s和41.1 rad/s,这也是二者在进行速度阶跃响应比较时,具有大致相同的上升时间的原因。

在图3中,取输入端为C,输出端为B和E,绘制系统的频率特性曲线,获得的便是系统的扰动误差抑制BODE图,其结果如图7所示。从图中的幅度特性可以看出,在高频段,二者基本重合,但在中低频段,ADRC控制器对扰动的抑制能力要明显优于PID控制器,特别是在周期性力矩波动作用的频率点0.436Hz及其以下频段,ADRC控制器对扰动的抑制能力要优于PID控制器将近25 d B,这和时域的仿真结果也是完全吻合的。

上述仿真分析结果说明:ADRC控制器通过扩张状态观测器ESO观测出系统中的扰动,然后将该扰动前馈到系统控制量中去,构成一种近似的按扰动补偿的复合校正系统,它可以在不提高系统闭环控制带宽的前提下,有效提高控制系统对扰动力矩的抑制能力。

4 实验验证

在某实际望远镜上进行了实验验证,系统结构如图8所示。整个实验装置由直流力矩电机驱动,全数字伺服控制器通过PWM功率放大器驱动电机转动,其中伺服控制器以基于PC104总线的嵌入式计算机为控制核心,完成系统闭环控制。被控对象的具体参数与仿真分析中给出的参数一致。实验系统采用雷尼绍增量式光电编码器作为位置反馈装置,码盘刻线47 200,细分盒对编码器输出的正余弦信号进行了1 000细分,对应位置分辨力为0.027 4″,控制系统采样周期为2 ms,速度信号通过位置差分算法提取,对应速度分辨力为0.003 8º/s。

本实验系统分别选用PID控制器和ADRC控制器进行了对比,控制器参数与仿真分析中所用一致。图9是实测的1º/s速度阶跃响应曲线,两种控制器的输出响应大体一致,并且实测结果与仿真结果基本一致。

图10和图11分别是采用PI控制器和ADRC控制器获得的速度误差曲线。取系统的稳态数据进行分析,统计结果如表格1所示,结果表明:采用ADRC控制器后,速度误差的峰值由1.88%降低到0.65%,速度误差的均方根值由0.8%降低到0.2%,速度平稳性得到了有效提高。

对稳态数据进行功率谱分析,如图12所示,从图中可以明显看到力矩波动产生的0.43 Hz频率尖峰,相对PI控制器,ADRC控制器将该频率处的作用强度从-37 d B抑制到-58 d B,提高了21 d B,这与前面的仿真分析相一致。

综合以上实验数据,我们可以得出如下结论:

1)对比仿真分析与实际测试,实际测试中ADRC控制器对速度平稳性的改善和仿真结果有一定的差距,这主要是因为仿真分析中,只考虑了周期性力矩波动,而实际系统中还存在摩擦、噪声等因素的影响。

2)在仿真分析中,尽管我们使用了周期性力矩扰动模型,但ADRC控制器并不依赖扰动信号模型,它对扰动的抑制能力可以通过频域分析来描述,它对落在扰动抑制带宽以内的周期性、非周期性扰动均具有很好的抑制能力。

5 结论

光电跟踪伺服系统 篇8

为更好地实现精确的跟踪伺服系统,本设计中使用MSP430单片机完成对目标定位跟踪的PID闭环控制,采用S066A的国产四象限探测对目标进行识别跟踪定位。MSP430单片机是美国TI(德州仪器)公司近年推出的16位高性能混合信号处理器。由于它具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点,因此在许多领域内都得到了广泛的应用[2]。S066A国产四象限探测器光谱响应范围在400~1 100 nm,它的峰值波长为940 nm,它具有较高的灵敏度和精确度,广泛运用于位置检测,光学定位,距离探测等方面。

本课题研究的意义在于一方面对四象限探测器件以及新式低功耗高集成的微处理器的使用和推广;另一方面探索一种新的机械对准结构设计以及为低成本跟踪系统的研制提供一种可行性方案。

1 总体设计方案

整个系统的设计如图1所示,主要由机械传动设计和系统电路设计两部分组成。

机械部分中目标实时位置信号发生源采用四象限探测器对目标进行定位,并输出包含目标位置信息的4路电信号,电机传动跟踪定位则是根据四路位置信号来驱动探测器所在的定位面板对目标进行搜索和锁定。机械部分将探测和定位集为一体,目标可见即可识,电机与定位面板的传动以角位移为变量进行快速方便的传动。系统电路设计部分中MSP430F169片内集成了多个功能模块。

本设计利用其作为处理核心,其片内A/D模块实现模拟信号与数字信号的转换。一方面Timer对时钟进行分频从而提高时钟频率,使A/D获得更快的采样率或转换速度,以保证A/D转换的精度;另一方面Timer的输出端单元可作为PWM信号发生器根据片内编程进行PID高速运算处理所得结果产生PWM输出控制信号,设置简单方便简化了电路的设计,进而降低了系统设计的复杂性。接收前端的位置信号使用低偏置,高精密度放大器对信号进行调整,利用滤波器对位置信号进行优化,以满足更好的精度和定位要求。在控制信号输出端采用现有的电机驱动芯片确保电机的稳定运行。基于总体设计方案,本文将其划分为4个不同但又彼此相互作用的4个方面来实现该研究。具体包括硬件电路设计、机械模拟模型设计、PID算法设计以及软件编程。

2 硬件模块设计

2.1硬件电路设计原理

依据总体设计方案,硬件电路主要由电源模块、四象限信号放大处理模块、系统控制模块、电机驱动模块以及相关辅助模块构成(见图2)。

四象限探测器可探测波长范围(380~1 100 nm),其原理是将光照强度转换为电流信号。但由于其输出电流信号较小,四象限探测器的预处理模块电路实现将电流信号经放大和运算处理,并将电流转化为单片机A/D能够采集到电压范围0~2.5 V。采样的数字信号经单片机内的数字滤波和算法的运算,进而控制PWM波的占空比来调节电机的速度。

2.2机械模拟机构实验设计原理

模拟机构设计灵感源于地动仪的设计原理,采用两个不同的轴来调节两个不同但相关的平面实现四象限探测器的大范围搜寻目标的目的,模型图如图4所示。其中下平板主要用于带动上平板实现大范围搜寻目标,上平板及其配置设备实现精确定位和跟踪功能。研究中利用皮筋的弹性以及牵引丝线柔软且形变相对较小的优势,实现搜索平面的任意角度转动。并利用废弃的中心笔管代替齿轮实现轴的小摩擦先转动。使得模型轻小便捷,制作简单方便,并且变废为宝。

四象限放大处理电路如图3所示。

3 软件编程

软件编程部分主要包括目标的粗搜寻和目标的精定位及跟踪两个部分。编程中载入自动搜索程序搜寻目标光源,对目标进行三维维的空间片区性搜索,并载入判别搜到目标程序,具体通过A/D采集到的电压范围判别是否搜到目标。目标一旦搜到,即载入坐标运算程序,计算当前四象限面板与目标位置的归一化坐标差值,进而调用算法程序,将的调节量转化为PWM波的输出持续时间和占空比,通过调用控制电机转动圈数程序对目标进行追踪。通道误差计算程序如图5所示。

4 PID控制算法设计

PID算法主要有位置式算法和增量式算法两类。一般增量式算法适用于控制精度要求不高的系统中,位置式适用于控制精度要求较高的控制系统中[4]。

由于位置式控制算法会出现积分饱和问题[5]。工程中通常采用的消除积分饱和问题的方法有限制PI调节器输出的方法、积分分离法和欲限削弱积分法。由于限制PI调节器输出法有可能在正常操作中不能消除系统的余差,而积分法可以在小偏差时利用积分作用消除偏差。因此本文选用位置式算法的改进形式,即积分分离法[5,6,7,8]。

采用的PID控制算法的公式如下式(1)所示:

PID算法程序流程图如图6所示。研究中控制参数的确定采用先选定控制度,依据不同的控制度预设控制参数通过实验输出波形,调整控制参数取值,从而达到研究期望的控制精度。

5 测试结果及分析

实验中采用波长为650 nm激光作为目标物,实验过程中先调用目标搜寻程序,大范围搜寻目标,一旦探测到目标,四象限探测器即会有较大电流输出。通过磁性判断转入目标精定位及追踪程序。利用PID算法配合调节电机转动,使光斑移至四象限光敏面中心。实验结果如图7所示。

本设计采用性能优越的MSP430F169作为控制核心。使用MSP430内部的A/D模块以及定时器模块能够实现精准的多路数据采集。外围电路的设计,利用RC滤波器,减小了噪声对信号的影响,同时利用相位补偿技术消除了自激干扰,使信号稳定输出。软件编程部分采用位置式PID算式,当达到设定的门限值之后再加入积分运算,这样就能够避免积分饱和问题,使跟踪设备平缓地到达指定位置。

6 结语

本研究设计中采用性能优越的MSP430F169作为控制核心。通过四象限光电探测器将光照强度转化成电流信号,经过四象限信号处理电路转化成MSP430F169单片机ADC能够采集到的电压范围,利用PID算法及相关转化控制两路PWM波输出控制电机转动,实现目标定位跟踪。通过使用激光器将定位和追踪过程直观显示,便于直接观察。使用MSP430内部A/D模块和时钟模块能够快速实现精准的PID误差信号与PWM波占空比的转换。本研究的意义并不仅在于其具体研究结果及利用价值,是通过实验研究丰富了小组成员的专业知识且使得大家的动手解决问题的能力得到了很好的提升,极大地培养了小组成员的工程意识。

参考文献

[1]俞金寿,蒋慰孙.过程控制工程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[2]谢兴红,林凡强,吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[3]彭华,郭建强,高晓蓉,等.基于MSP430单片机的USB接口固件编程的研究[J].信息技术,2012(7):115-120.

[4]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[5]司栋森,李增智,王晓旭.采用四象限探测器的智能跟踪定位算法[J].西安交通大学学报,2012(4):13-17.

[6]李玲琪,李诚,周航.实用PID控制算法的改进及其编程技巧[J].黑龙江电子技术,1998(3):27-29.

[7]梅田,郭建强,高晓蓉,等.MSP430控制的恒温晶体振荡器[J].信息技术,2011(11):88-92.

[8]卢亚平.基于C语言的数字PID控制算法及实现[J].科技创新导报,2010(3):24-25.

光电跟踪伺服系统 篇9

1 光电跟踪系统的具体组成与工作原理

1.1 光电跟踪系统的具体组成

光电跟踪系统的组成包含多个部门, 就独立功能上看, 可分为电视跟踪仪、红外跟踪仪、激光距测仪三个部分。从功能模块方面而言, 可分为信息处理单元、转台与测角单元、传感器模块等几个部分。激光测距主机、红外热像仪属于传感器模块, 信息处理单元包括信息管理机、伺服控制、图像跟踪处理器、激光信息处理机、传感器模块等单元。

1.2 工作原理

光电跟踪系统属于火控系统中的一部分, 该系统能够将打击目标信息提供给火系统, 且信息提供的可靠性、精准度较高, 一旦处于正常工作流程中, 就能够单独工作, 也能够接收到火控台指令。火控台发出指令, 且被光电跟踪系统接收后, 信息管理机会解释指令, 通过处理信息后, 将信息送至伺服控制。在信息处理期间, 红外热像仪、电视摄像仪会通过双通道来探测目标, 此时会有双路图像视频信号产生, 并将该信号发送至跟踪处理器。操作人员要对比分析传感器工作状态, 并根据其工作状态, 选择其中置信度较高的一个作为主传感器。

红外图像、电视跟踪处理器能够实时处理视频图像信号, 捕获目标后, 需明确光电跟踪系统瞄准线方向, 同时确定俯仰角坐标偏差, 将上述信息提供给信息管理机, 信息经处理之后, 由驱动伺服对其进行控制。伺服控制还需对控转台进行控制, 使瞄准线与目标间的误差减少, 达到闭环跟踪的目的。光电跟踪系统确定跟踪目标后, 要利用激光测距仪对目标距离进行测量, 将目标距离信息发送至信息管理机。信息管理机获取信息后, 要融合处理伺服信息、距离数据、目标方位角度等信息。

2 光电跟踪系统信息处理技术工作原理

光电跟踪系统信息处理技术包含多个组成部分, 其中包括红外图像跟踪处理器、电视、信息管理机、伺服控制等信息处理单元。信息管理机要确保火控台、光电跟踪系统的信息交换, 同时还要处理光电跟踪系统中包含的信息, 保证单元间的信息相互融合。图像跟踪处理器需要处理红外线跟踪仪图像、电视跟踪仪图像。激光信息处理机负责处理激光测距仪所测量的数据, 伺服控制系统要对伺服机动系统进行调度。

2.1 激光信息处理机

对于激光测距仪而言, 激光信息处理机具有非常重要的作用, 该仪器要为红外跟踪仪、电视跟踪仪稳定跟踪目标, 其目标监测背景非常复杂, 需要在复杂环境下完成测距工作。通过跟踪、搜索主回波脉冲信号, 对其给予分离、引导、滤波。时延测量电路需精密测量主回波时延, 当时延数据被获取后, 需将其提供给单片机, 单片机要转换时间距离, 修正其中的误差。完成数据修正工作后, 需将数据信息提供给信息管理机。

2.2 红外图像跟踪处理、电视跟踪处理技术

红外图像跟踪处理、电视跟踪处理器属于红外跟踪仪、电视跟踪仪的核心部分, 可结合自动控制、人工智能、信息处理、模式识别等多个部分, 促使图像自动识别目标系统的形成, 将目标位置信息提取出来, 对运动目标自动跟踪。图像跟踪处理器具备数据综合、目标识别、目标检测等多个功能, 可对目标偏离光轴方位角进行测量, 并计算高低角的具体值。

就红外图像、电视跟踪处理器的功能而言, 包含匹配相关、跟踪控制、智能决策、特征抽取、目标分割五个功能。所谓特征抽取, 就是指将被识别对象特征提取出来, 便于输入计算机内进行处理, 描述被识别对象。在跟踪期间, 伴随跟踪环境的不断变化, 可将目标特征相关性计算出来, 对跟踪状态、跟踪模式自动选择, 确保系统跟踪的稳定性。跟踪控制可将跟踪目标的滤波、角误差信息计算出来, 使跟踪的稳定性、精准度提升, 除此之外, 还需给予记忆跟踪。匹配相关要充分发挥图像相关技术的作用, 将图像目标配准点计算出来, 在近距离目标跟踪、复杂目标跟踪环境下能够被应用。

2.3 激光信息处理中的核心技术

在跟踪系统设计中, 抑制干扰的最基本方法就是距离跟踪回路, 就火控系统而言, 其所应用激光测距仪大多都为低空目标、近程测距, 在该区域中, 近地面反射杂波、大气气溶胶散射、大气散射等, 可经光电探测器, 进至接收通道中, 接收器噪声控制电路无法彻底抑制噪声, 有部分噪声进至主回波通道内, 对真实目标测距产生了较大影响。为此, 必须于噪音中, 将真实目标信息提取出来, 尽量提高目标距离测量的准确性, 通过对距离跟踪回路进行有效设计, 可将这一问题解决。

2.4 伺服控制

伺服控制可引导红外图像、电视跟踪处理器的运行, 一旦对目标搜索成功后, 可给予智能化图像处理, 在满足图像跟踪的条件下, 利用图像跟踪处理器, 可获得光轴角误差, 当系统跟踪误差低于一定值, 且符合激光测距条件时, 便能够对激光测距进行发射。伺服控制获取瞄准线偏差量值后, 需对其进行处理、解释, 然后将其转变为模拟信号, 提供至伺服转台电路, 驱动伺服执行机构需实施搜索、归零、跟踪等功能。伺服控制具备多种功能, 例如要对火控台指令信息进行接收, 并且结算信息处理机所提供的数据, 还需将目标角位置误差输出, 提供至伺服控制电路等。

3 结束语

目前, 我国对光电跟踪系统信息处理技术的研究不断深入, 人们已经意识到了该技术的应用价值。本文首先分析了光电跟踪系统的具体组成与工作原理, 然后对光电跟踪系统信息处理技术工作原理进行了详细探讨, 便于人们对光电跟踪系统信息处理技术的了解程度增强, 有利于为日后该技术的应用提供依据。

参考文献

[1]严洁.光电跟踪系统信息处理技术研究[D].西安电子科技大学, 2006.

[2]官伯林.三轴光电跟踪系统跟踪策略和控制研究[D].西安电子科技大学, 2012.

[3]刘国华.光电跟踪系统信息处理技术研究[J].科技创新导报, 2010, 08:2-3.

[4]包启亮.光电跟踪系统高精度控制技术[D].电子科技大学, 2004.

[5]翟园林.轻型通用光电跟踪平台跟踪控制系统设计[D].中国科学院研究生院 (长春光学精密机械与物理研究所) , 2012.