基于Elmo數(shù)字伺服控制器的機(jī)載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)

在民用市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)載吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)大多采用模擬伺服控制器，存在多方面的缺陷，比如：體積大，笨重，容易產(chǎn)生漂移，不易調(diào)整，伺服控制效果不好，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信等，因此無(wú)法采用諸如FPGA這樣的芯片去處理運(yùn)動(dòng)信號(hào)，成了性能無(wú)法提升的瓶頸，不能很好地滿足市場(chǎng)需求。
    Elmo公司的Whistle系列數(shù)字伺服控制器，體積小、重量輕、提供數(shù)字輸入與輸出接口，提供RS232與CAN總線2種通信方式，可編程。采用Elmo Whistle數(shù)字伺服控制器，通過(guò)編程，僅需設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的一部分外圍電路，就能實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的功能，體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。但目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用這一控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的廠家比較少，因此可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)非常有限。本文通過(guò)仔細(xì)研讀Elmo相關(guān)文檔，設(shè)計(jì)出了符合性能指標(biāo)的機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。

1 吊艙及陀螺穩(wěn)定平臺(tái)
    吊艙是指懸掛在運(yùn)動(dòng)載體(如飛機(jī)、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。它的作用主要是隔離載機(jī)的姿態(tài)變化和機(jī)械振動(dòng)對(duì)光電傳感器指向的影響。吊艙系統(tǒng)由陀螺穩(wěn)定平臺(tái)伺服平臺(tái)、電視跟蹤系統(tǒng)、座艙顯示和控制系統(tǒng)、紅外測(cè)量系統(tǒng)、激光測(cè)距儀和GPS定位于測(cè)距數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)、吊艙環(huán)控系統(tǒng)等7部分組成。
    陀螺穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)主要用于穩(wěn)定機(jī)載吊艙上TV和紅外攝像機(jī)的視軸穩(wěn)定，消除直升飛機(jī)飛行過(guò)程中由于搖擺帶來(lái)的干擾力矩。這里設(shè)計(jì)的平臺(tái)屬于二軸四框架系統(tǒng)，分為方位軸和俯仰軸。在每一個(gè)軸上安裝一個(gè)單自由度的光纖陀螺，用來(lái)感應(yīng)干擾力矩。陀螺輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后，送到Elmo伺服控制器，由控制器智能處理陀螺信號(hào)。信號(hào)處理完畢之后，由控制器的輸出部分，驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
    此文設(shè)計(jì)的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)主要是要保證各個(gè)光傳感器的視軸穩(wěn)定。結(jié)合整個(gè)吊艙系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)以下6個(gè)功能：
    1)現(xiàn)吊艙的穩(wěn)定控制；2)實(shí)現(xiàn)吊艙的運(yùn)動(dòng)控制；3)限位信號(hào)輸入；4)錯(cuò)誤指示電路；5)LOCK電路；6)串口通信。
    圖l為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

2．2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．2．1 陀螺信號(hào)處理電路
    由于俄羅斯的Fizoptika VG94l-3AS光纖陀螺輸出信號(hào)非常微弱，輸出比例因子只有3．3 mV／deg／s。對(duì)于這么微弱的信號(hào)，必須要先進(jìn)行小信號(hào)的放大電路處理，才能傳送到Elmo伺服控制器，進(jìn)行下一步的處理。這里要說(shuō)明的一點(diǎn)是，并沒(méi)有對(duì)陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理，原因在于Elmo伺服控制內(nèi)部已經(jīng)有了數(shù)字濾波電路，可以在調(diào)試時(shí)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，以達(dá)到濾波目的。
    Elmo數(shù)字伺服控制器原本有2個(gè)模擬輸入口的，可直接將光纖陀螺的輸出信號(hào)接入數(shù)字伺服控制器，但由于陀螺的隨機(jī)漂移大，基本無(wú)規(guī)律可以遵循，每次開(kāi)機(jī)，給陀螺供電時(shí)，陀螺的隨機(jī)輸出是不一樣的。所以，應(yīng)設(shè)計(jì)陀螺信號(hào)處理電路，一方面可以將陀螺的輸出信號(hào)按一定比例的放大，然后輸入到Elmo數(shù)字伺服控制中，減少程序中的比例因子，進(jìn)而減少Elmo數(shù)字伺服控制器內(nèi)部的噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，另一方面通過(guò)外接一只可調(diào)電阻，實(shí)現(xiàn)每次開(kāi)機(jī)的漂移量補(bǔ)償，從而使吊艙保持平穩(wěn)狀態(tài)。
    Fizoptika VG941-3A光纖陀螺在載體靜止時(shí)，輸出電壓為2．5 V。因此要保證載體靜止時(shí)，輸入到Elmo數(shù)字伺服控制模擬輸入口的電壓為0 V，必須用一個(gè)精準(zhǔn)電壓芯片產(chǎn)生2．5 V的電壓，通過(guò)放大器4558實(shí)現(xiàn)一個(gè)減法電路。在該減法電路中，用REF02CZ產(chǎn)生5 V的電壓，然后通過(guò)電阻分壓得到2．5 V基準(zhǔn)電壓。圖2為陀螺信號(hào)處理電路(減法電路)原理圖。

2．2．2 電源電路設(shè)計(jì)
    這里的電源電路設(shè)計(jì)主要的目的是給各芯片提供基準(zhǔn)電壓。TSMl212D用于產(chǎn)生±12 V基準(zhǔn)電源，給放大器4558和REF02CZ提供基準(zhǔn)電壓，而REF02CZ用于產(chǎn)生+5 V基準(zhǔn)電壓，給放大器提供參考電壓。圖3為電源電路原理圖。

2．2．3 吊艙運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理電路
    吊艙系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)基本的陀螺穩(wěn)定功能外，還必須具備巡航、跟蹤等功能。因此，整個(gè)吊艙系統(tǒng)還有轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)、漂移信號(hào)的處理電路。這兩個(gè)信號(hào)是通過(guò)控制面板(HCU)上相應(yīng)的開(kāi)關(guān)按鈕來(lái)控制。圖4為吊艙運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理電路原理圖。

2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    Elmo Whistle數(shù)字化智能驅(qū)動(dòng)器的軟件結(jié)構(gòu)總體可分為2大部分：1)驅(qū)動(dòng)器本身的程序，這個(gè)包括引導(dǎo)程序，固件和個(gè)性化的設(shè)置。這些程序可以通過(guò)官方網(wǎng)站下載，然后根據(jù)特定的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)進(jìn)行燒錄；2)用戶自己的程序，以實(shí)現(xiàn)用戶自行設(shè)計(jì)的功能。
    在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，主要完成陀螺穩(wěn)定的功能。通過(guò)采集Elmo Whistle控制器的模擬輸入口由光纖陀螺反饋回來(lái)的電壓信號(hào)AN[1]，在程序設(shè)定相應(yīng)的跟隨比例AG[2]，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的陀螺穩(wěn)定功能。這里的關(guān)鍵是參數(shù)AG[2]的確定。這個(gè)參數(shù)首先有一個(gè)估算的過(guò)程，估算完成后，可以在稍后的調(diào)試環(huán)節(jié)中進(jìn)行微調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的陀螺穩(wěn)定功能。參數(shù)AG[2]可以按以下方法估算：
    1)在Smart Terminal界面中，將輸入AN[1]設(shè)定為1 V，測(cè)量此時(shí)吊艙的轉(zhuǎn)速，設(shè)為N，并在Smart Terminal界面中查看電機(jī)的轉(zhuǎn)速為S1，單位為count／s；
     2)光纖陀螺最大感應(yīng)輸出電壓為2．5 V，此時(shí)對(duì)應(yīng)吊艙的速度應(yīng)為M，M的值在吊艙設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)設(shè)定，為60(°)／s；此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為S2，則S2的值為：S2=(60／N)xS1；
    3)比例因子AG[2]=S2／2.5；
    Elmo Whistle內(nèi)部有可調(diào)用函數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的設(shè)置語(yǔ)句，控制器就可以根據(jù)判斷6個(gè)數(shù)字輸入口的狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的內(nèi)部函數(shù)。在本系統(tǒng)中，體現(xiàn)為L(zhǎng)OCK信號(hào)功能、限位信號(hào)功能以及指示輸出等。圖5為陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的部分軟件流程圖。

    為了真正實(shí)現(xiàn)機(jī)載吊艙的數(shù)字化，在實(shí)現(xiàn)以上功能之外，本系統(tǒng)還就指令控制吊艙運(yùn)動(dòng)做了相應(yīng)的嘗試。在原有的軟件模塊中，通過(guò)判斷輸入口3的狀態(tài)．增加了一個(gè)串口通信模塊。如果檢測(cè)到控制器數(shù)字輸入口3為低電平，則觸發(fā)串口通信模塊子程序，向控制器發(fā)送控制狀態(tài)字，實(shí)現(xiàn)指令控制吊艙功能。當(dāng)然，這個(gè)功能也可以通過(guò)PC機(jī)向控制器發(fā)送相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    配合Elmo公司的Studio界面和Recorder軟件，可以分析機(jī)載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺(tái)是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，并且在有必要的時(shí)候修改系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和程序中的參數(shù)，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。
    本系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)出的機(jī)載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，應(yīng)用于目前的吊艙系統(tǒng)中，吊艙的穩(wěn)定性能達(dá)到50μrad，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-120°～+15°，方位轉(zhuǎn)動(dòng)角度為360°連續(xù)，最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度為60(°)／s最大轉(zhuǎn)動(dòng)加速度200(°)／S2，功耗小于240 W。