CN115903923A - 一种光电转台伺服控制*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电转台伺服控制***，该***中各转轴闭环控制***的位置环控制器对输入的位置环控制量进行处理得到速度环控制量；A逻辑运算单元根据速度环控制量、角速度反馈值、速度滞后补偿值计算速度环PI控制器输入量，经速度环PI控制器输出电流环控制量；B逻辑运算单元根据电流环控制量、电流补偿电压量、采样电压计算电流环PI控制器输入量，经电流环PI控制器输出PWM波用于驱动转轴。本发明在不影响***带宽的情况下提高了***的抗干扰能力和伺服跟踪精度，可适用于两轴两框架、单轴及三轴两框架光电平台伺服控制。

Description

一种光电转台伺服控制***

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种光电转台伺服控制***。

背景技术

近年来随着光电信息技术和传感器技术的发展，光电转台被广泛应用于工商业重要领域。光电转台作为高精度传感器的封装设备及集成载体，利用其高精度图像和遥感探测传感器实现对小视场目标的搜索、跟踪及定位。

两轴两框架光电转台通常安装在地面运动载体上，其基本构架是一套双轴精密伺服转台，光电转台上安装可见光相机、红外热像仪和激光测距机等光电传感器，基于伺服视轴稳定技术搜索或跟踪地面或空中的目标。光电转台大多采用地平式结构，即俯仰—方位模式，其中方位底座固定在载体上，俯仰框架固定在方位框架上。光电转台通过方位底座刚性安装在车体上，而安装光电转台的地面运动载体要经常工作在山路等道路崎岖的环境中，所以光电转台在工作过程中经常要承受车辆颠簸所产生的冲击震动，此外两轴两框架光电转台的台体直接暴露在外部环境中，风阻力直接作用也存在较大的干扰力矩，这都会对目标伺服跟踪的效果造成影响。

为实现两轴两框架光电转台的高精度稳定跟踪控制，减轻车辆颠簸产生的震动冲击和其他各种阻力对转台的干扰，需设计合适的两轴两框架光电转台伺服控制***、采用合理的两轴两框架光电转台伺服控制方法来解决震动冲击和其他各种阻力对转台的影响，从而使控制效果达到最优，以满足两轴两框架光电转台的稳定控制与高精度稳定跟踪控制等性能需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光电转台伺服控制***，该***可解决车辆颠簸产生的震动冲击和其他各种阻力对光电转台产生干扰的问题，满足稳定控制与高精度稳定跟踪控制需求。

为了解决上述技术问题，本发明的光电转台伺服控制***，其各转轴闭环控制***包括位置环控制器，A逻辑运算单元，速度环PI控制器，速度滞后补偿单元，B逻辑运算单元，电流环PI控制器，电流补偿单元；位置环控制器对输入的位置环控制量进行处理得到速度环控制量ω₀；A逻辑运算单元根据公式ω_in＝ω₀-ω_f+ω_b计算得到速度环PI控制器输入量ω_in，经速度环PI控制器输出电流环控制量U₀；其中ω_f为角速度反馈值，ω_b为速度滞后补偿单元给出的速度滞后补偿值；B逻辑运算单元根据公式U_in＝U₀+U_b-U_c计算得到电流环PI控制器输入量U_in，经电流环PI控制器输出PWM波U_out用于驱动转轴；其中U_b为电流补偿单元给出的电流补偿电压量，U_c为采样电压。

进一步，所述各转轴闭环控制***中还包括跟踪判断单元，跟踪判断单元判断当前跟踪状态，若当前目标脱靶量大于设定的脱靶量阈值，则认为当前跟踪状态为线性区跟踪，将设定的固定角速度值作为位置环控制量；否则认为当前跟踪状态为非线性区跟踪，计算目标脱靶量与实际角度值之差作为位置环控制量；目标脱靶量由光电转台上的***给出。

所述的位置环控制器传递函数P(s)如下：

其中，Kv是设计品质因数；Tau1是稳定裕度；Tau2是相交频率；s为拉普拉斯算子。

所述角速度反馈值ω_f由光电转台上的三轴陀螺仪给出；速度滞后补偿单元采集三轴陀螺仪给出的角速度反馈值ω_f并进行处理得到速度滞后补偿值ω_b；速度滞后补偿单元传递函数G_bω(s)如下：

其中，K_f为速度滞后补偿比例系数，T_f为速度滞后补偿滤波系数。

所述速度环PI控制器传递函数G_ω(s)如下：

其中Ka为速度环比例系数，Kb为速度环积分系数，s为拉普拉斯算子。

进一步，所述转轴闭环控制***还包括隔离模块和驱动模块；电流环PI控制器输出的PWM波经隔离模块和驱动模块隔离放大后输出PWM驱动电压以驱动电机运转。

所述采样电压U_c通过下述方法得到：电流检测元件检测驱动模块输出端电流并输出电压检测值；B逻辑运算单元对电流检测元件输出的电压检测值进行采样并进行滤波处理得到采样电压U_c；所述电流补偿单元采集电流环PI控制器输出端PWM波并进行处理得到电流补偿电压量U_b；所述电流补偿单元的传递函数D_b(s)如下：

D_b(s)＝G_p(s)(1-e^-τs)。

所述电流环PI控制器传递函数D(s)如下：

其中Km为电流环PI控制器比例系数，Kn为电流环PI控制器积分系数。

进一步，所述转轴闭环控制***还包括可编程逻辑器件；电流环PI控制器输出的PWM波U_out、外部转向信号及外部刹车信号经可编程逻辑器件逻辑运算后送至隔离模块和驱动模块隔离并放大后输出PWM驱动电压U_d，用于驱动电机从而驱动转轴转动；可编程逻辑器件对PWM波U_out和刹车信号进行与运算，若有刹车信号输出，则可编程逻辑器件不输出PWM波U_out；若无刹车信号输出，则对PWM波和刹车信号与运算后的信号与转向信号进行与逻辑运算，输出正向PWM波或反向PWM波。

所述光电转台为两轴两框架光电转台，其伺服控制***还包括俯仰伺服控制器、方位伺服控制器、俯仰编码器、方位编码器、***、三轴陀螺仪；转轴为俯仰轴和方位轴；俯仰轴闭环控制***中的位置环控制器、A逻辑运算单元、速度环PI控制器、速度滞后补偿单元、B逻辑运算单元、电流环PI控制器和电流补偿单元均为俯仰伺服控制器中的逻辑单元；方位轴闭环控制***中的位置环控制器、A逻辑运算单元、速度环PI控制器和速度滞后补偿单元为俯仰伺服控制器内的逻辑单元，B逻辑运算单元，电流环PI控制器，电流补偿单元为方位伺服控制器中的逻辑单元；俯仰电机驱动俯仰轴转动，其实际角度值由俯仰编码器给出；方位电机驱动方位轴转动，其实际角度值由方位编码器给出。

所述三轴陀螺仪反馈的角速度分为方位、俯仰和横滚三个方向，当俯仰实际角度值在60°到120°之间时采用横滚角速度值作为方位角速度值。

有益效果：本发明中转轴伺服控制采用了速度补偿算法，在不影响***带宽的情况下，提高了***的抗干扰能力和伺服跟踪精度；此外设计数字电流环能够克服反电动势引起的扰动，同时采用电流补偿算法解决了数字电流环时序上存在采样延时的问题，提高了***的快速性及稳定性；方位位置环跟踪闭环和速度闭环处理在俯仰伺服控制器中执行，减小了方位速度环延时，从而提高了方位框架的稳定精度。此外采用三轴陀螺仪对方位轴和俯仰轴角速度进行反馈，弥补了方位框架在俯仰框架垂直向下时丧失稳态的缺陷，使两轴两框架光电转台具有两自由度稳定功能。本发明可适用于两轴两框架光电转台伺服控制，也可以适用于单轴伺服控制及三轴两框架光电平台伺服控制。

附图说明

图1为一种两轴两框架光电转台控制***的结构示意图；

图2为一种两轴两框架光电转台控制***的电气接线图；

图3为转轴闭环控制***逻辑框图；

图4为两轴两框架光电转台伺服控制***数字电流环硬件电路原理图。

图中，11、俯仰框架，12、方位框架，13、方位底座，21、俯仰伺服控制器，211.跟踪判断单元，212.A逻辑运算单元，213.速度滞后补偿单元，214.B逻辑运算单元，215.电流补偿单元，216.被控***，22、方位伺服控制器，31、俯仰编码器，32、方位编码器，41、俯仰电机，42、方位电机，51、可见光相机，52、红外热像仪，53、激光测距机，6、电源模块，7、导电环，8、***，9、三轴陀螺仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

下面以两轴两框架光电转台转轴伺服控制为例，对本发明加以详细说明。

如图1所示，两轴两框架光电转台伺服控制***包括俯仰框架11、方位框架12、方位底座13、俯仰伺服控制器21、方位伺服控制器22、俯仰编码器31、方位编码器32、俯仰电机41、方位电机42、可见光相机51、红外热像仪52、激光测距机53、电源模块6、导电环7、***8和三轴陀螺仪9。

所述的方位底座13与载体刚性连接；方位电机42固定在方位底座13顶部的安装孔内且其转轴与方位框架11的转轴固定连接；方位编码器32安装在方位电机42外侧，用于测量方位实际角度值；方位电机42采用空心轴电机，导电环7安装在空心轴内，供电线和通讯线由导电环7通孔穿过，用于连接方位底座与俯仰框架内部电子元件及设备；使得在有导线穿轴的情况下方位框架可以360°转动且没有线扰，提高了方位伺服的控制性能；电源模块6和方位伺服控制器22固定在方位底座13内部；电源模块6给俯仰伺服控制器21、方位伺服控制器22、俯仰编码器31、方位编码器32、俯仰电机41、方位电机42、可见光相机51、红外热像仪52、激光测距机53、***8和三轴陀螺仪9供电。

所述的俯仰框架11设置在方位框架12内，俯仰电机41安装在方位框架12的一侧轴孔内，且其转轴与俯仰框架11的俯仰轴固定连接；俯仰编码器31安装在俯仰电机41外侧，用于测量俯仰实际角度值。

所述的三轴陀螺仪9安装在俯仰框架11内，检测并输出方位轴和俯仰轴的惯性空间速度；***8安装在俯仰框架11内，接收可见光相机51和红外热像仪52输出的图像以及外部控制角度值，输出目标脱靶量(包括方位目标脱靶量和俯仰目标脱靶量)。

所述的可见光相机51、红外热像仪52和激光测距53机均安装在俯仰框架11内，分别输出可见光图像、红外图像及对所摄目标进行测距得到的测距值。

所述的俯仰伺服控制器21和方位伺服控制器22均采用MCU(微控制单元)。

以俯仰轴闭环控制***为例，如图3所示，该***由俯仰伺服控制器21中各逻辑单元构成，包括跟踪判断单元211，位置环控制器，A逻辑运算单元212，速度环PI控制器，速度滞后补偿单元213，B逻辑运算单元214，电流环PI控制器，电流补偿单元215，被控***。

俯仰轴闭环控制***执行所设计的俯仰控制算法中的位置环跟踪闭环控制算法得到俯仰框架11的速度环控制量，速度环控制量经俯仰控制算法中的速度环闭环控制算法得到俯仰框架11的电流环控制量，电流环控制量经俯仰控制算法中的电流环闭环控制算法得到用于驱动俯仰框架11的PWM波，PWM波经硬件驱动模块功率放大后驱动俯仰框架11运动实现目标快速稳定跟随。具体过程如下：

(1.1)获取目标脱靶量，进行位置环跟踪闭环处理，获得速度环控制量；

俯仰伺服控制器中的跟踪判断单元每10ms与***8通讯一次，读取目标脱靶量；

跟踪判断单元判断当前跟踪状态，若当前目标脱靶量大于设定的脱靶量阈值，则认为当前跟踪状态为线性区跟踪，将根据可见光相机51或红外热像仪52焦距值给定的固定角速度值10°/s作为位置环控制量进行位置环跟踪；否则认为当前跟踪状态为非线性区跟踪，跟踪判断单元将目标脱靶量与实际角度值之差作为位置环控制量，位置环控制器对位置环控制量进行超前—滞后校正处理，进行位置环跟踪，输出速度环控制量ω₀；位置环控制器传递函数P(s)如下：

其中，Kv是设计品质因数，为经验值，一般取300；

Tau1是稳定裕度，为位置环控制器仿真MATLAB曲线-20dB与-40dB交点；

Tau2是相交频率，为位置环控制器仿真MATLAB曲线***模型与二阶***传递函数1/s²交点频率；

s为拉普拉斯算子；

(1.2)获取角速度反馈值及速度滞后补偿值，结合(1.1)中获得的速度环控制量ω₀进行速度环闭环处理，获得电流环控制量U₀；

A逻辑运算单元每1ms与三轴陀螺仪9通讯一次，读取角速度值并进行滤波处理得到角速度反馈值ω_f；

速度滞后补偿单元采集三轴陀螺仪9给出的角速度反馈值ω_f并进行处理得到速度滞后补偿值ω_b；；速度滞后补偿单元传递函数G_bω(s)如下：

其中，K_f为速度滞后补偿比例系数，T_f为速度滞后补偿滤波系数，两个系数均为经验调试参数，调试方法为本领域公知技术；增大K_f或减小T_f都会提高跟踪精度，但两者都会使相位裕度减小，***稳定性变差；故在选择这两个参数的时候应该在***稳定性和跟踪精度之间进行权衡。

速度滞后补偿比例系数K_f取值范围在0-1之间，速度滞后补偿滤波系数T_f取值范围在0-0.5之间，设计中为保证跟踪精度，同时使***具备可靠的相角裕度，一般取速度滞后补偿比例系数K_f为0.8，速度滞后补偿滤波系数T_f为0.3。

所述的A逻辑运算单元根据下述公式计算得到速度环PI控制器输入量ω_in，经速度环PI控制器输出电流环控制量U₀；

ω_in＝ω₀-ω_f+ω_b

速度环PI控制器传递函数G_ω(s)如下：

其中Ka为速度环比例系数，Kb为速度环积分系数，均为经验调试参数，如何设置具体数值为所属领域技术人员公知技术；s为拉普拉斯算子。

(1.3)获取采样电压及电流补偿电压量，结合(1.2)中获得的俯仰电流环控制量U₀进行电流环闭环处理，获得PWM波U_out；

电流检测元件检测被控***PWM驱动电压输出端电流并输出电压检测值；B逻辑运算单元以1MHz的频率对电流检测元件输出的电压检测值进行采样并进行滤波处理得到采样电压U_c；电流补偿单元对电流环PI控制器输出的PWM波进行处理得到电流补偿电压量U_b；

电流补偿单元的传递函数D_b(s)如下：

D_b(s)＝G_p(s)(1-e^-τs)

其中Gp(s)为被控***传递函数；

B逻辑运算单元根据下述公式计算得到电流环PI控制器输入量U_in，经电流环PI控制器输出PWM波U_out；

U_in＝U₀+U_b-U_c

所述电流环PI控制器传递函数D(s)如下：

其中Km为电流环PI控制器比例系数，Kn为电流环PI控制器积分系数，均为经验调试参数，如何设置具体数值为所属领域技术人员公知技术；s为拉普拉斯算子。

(1.4)所述被控***包括可编程逻辑器件(CPLD)、隔离模块、驱动模块及电机；电流环PI控制器输出的PWM波U_out、外部转向信号及外部刹车信号经CPLD逻辑运算后送至隔离模块和驱动模块隔离并功率放大后输出俯仰电机41和方位电机42的PWM驱动电压U_d；CPLD逻辑运算是对PWM波U_out和刹车信号进行与运算，若有刹车信号输出，则CPLD不输出PWM波；PWM波U_out和刹车信号与运算后的信号与转向信号进行与逻辑运算，输出正向PWM波或反向PWM波。

PWM驱动电压U_d的一次积分值即为角速度反馈值ω_f，二次积分值即为实际角度值。

PWM驱动电压U_d表达式如下：

其中Gp(s)为被控***单元传递函数，e^-τs为***延时传递函数，其中τ为***延时，s为拉普拉斯算子。

其中Gp(s)为被控***传递函数，被控***传递函数获得方法为本领域公知的方法，不同的设备被控***传递函数各不相同；e^-τs为***延时传递函数，其中τ为***延时，s为拉普拉斯算子。

所述方位轴闭环控制***的组成与俯仰轴闭环控制***相同，不同的是方位轴闭环控制***中的位置环跟踪闭环控制和速度环闭环控制部分由俯仰伺服控制器执行，方位伺服控制器的B逻辑运算单元以1ms周期接收俯仰伺服控制器给出的电流环控制量，经电流环闭环控制得到方位框架12的PWM波。即方位轴闭环控制***中的跟踪判断单元、位置环控制器、A逻辑运算单元、速度环PI控制器和速度滞后补偿单元为俯仰伺服控制器内的逻辑单元；B逻辑运算单元214，电流环PI控制器，电流补偿单元215为方位伺服控制器22中的逻辑单元。

所述方位位置环跟踪闭环和速度闭环处理在俯仰伺服控制器中执行，可以以减小方位速度环延时，提高方位速度环带宽。

所述脱靶量阈值优选100个像素值。

所述三轴陀螺仪9反馈的角速度分为方位、俯仰和横滚三个方向，当俯仰实际角度值在60°到120°之间时采用横滚角速度作为平台方位角速度值进行数据处理。

进一步，所述的俯仰伺服控制器21和方位伺服控制器22的硬件驱动模块均采用数字电流环驱动电路，MCU均为基于Cortex-M4架构的STM32F4系列芯片。

进一步，所述的俯仰编码器31和方位编码器32均为离轴绝对式磁旋转编码器。

进一步，所述的俯仰电机41和方位电机42均为直流有刷力矩电机。

进一步，所述的电源模块6输入为18—36V宽压，输出为24V、12V和5V电压。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电转台伺服控制***，其特征在于：该***中各转轴闭环控制***包括位置环控制器，A逻辑运算单元(212)，速度环PI控制器，速度滞后补偿单元(213)，B逻辑运算单元(214)，电流环PI控制器，电流补偿单元(215)；位置环控制器对输入的位置环控制量进行处理得到速度环控制量ω₀；A逻辑运算单元根据公式ω_in＝ω₀-ω_f+ω_b计算得到速度环PI控制器输入量ω_in，经速度环PI控制器输出电流环控制量U₀；其中ω_f为角速度反馈值，ω_b为速度滞后补偿单元(213)给出的速度滞后补偿值；B逻辑运算单元根据公式U_in＝U₀+U_b-U_c计算得到电流环PI控制器输入量U_in，经电流环PI控制器输出PWM波U_out用于驱动转轴；其中U_b为电流补偿单元(215)给出的电流补偿电压量，U_c为采样电压。

2.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述各转轴闭环控制***中还包括跟踪判断单元，跟踪判断单元判断当前跟踪状态，若当前目标脱靶量大于设定的脱靶量阈值，则认为当前跟踪状态为线性区跟踪，将设定的固定角速度值作为位置环控制量；否则认为当前跟踪状态为非线性区跟踪，计算目标脱靶量与实际角度值之差作为位置环控制量；目标脱靶量由光电转台上的***(8)给出。

3.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述的位置环控制器传递函数P(s)如下：

其中，Kv是设计品质因数；Tau1是稳定裕度；Tau2是相交频率；s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述角速度反馈值ω_f由光电转台上的三轴陀螺仪(9)给出；速度滞后补偿单元采集三轴陀螺仪给出的角速度反馈值ω_f并进行处理得到速度滞后补偿值ω_b；速度滞后补偿单元传递函数G_bω(s)如下：

其中，K_f为速度滞后补偿比例系数，T_f为速度滞后补偿滤波系数。

5.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述速度环PI控制器传递函数G_ω(s)如下：

其中Ka为速度环比例系数，Kb为速度环积分系数，s为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述转轴闭环控制***还包括隔离模块和驱动模块；电流环PI控制器输出的PWM波经隔离模块和驱动模块隔离放大后输出PWM驱动电压以驱动电机运转。

7.根据权利要求6所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述采样电压U_c通过下述方法得到：电流检测元件检测驱动模块输出端电流并输出电压检测值；B逻辑运算单元对电流检测元件输出的电压检测值进行采样并进行滤波处理得到采样电压U_c；所述电流补偿单元采集电流环PI控制器输出端PWM波并进行处理得到电流补偿电压量U_b；所述电流补偿单元的传递函数D_b(s)如下：

D_b(s)＝G_p(s)(1-e^-τs)。

8.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述电流环PI控制器传递函数D(s)如下：

其中Km为电流环PI控制器比例系数，Kn为电流环PI控制器积分系数。

9.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述转轴闭环控制***还包括可编程逻辑器件；电流环PI控制器输出的PWM波U_out、外部转向信号及外部刹车信号经可编程逻辑器件逻辑运算后送至隔离模块和驱动模块隔离并放大后输出PWM驱动电压U_d，用于驱动电机从而驱动转轴转动；可编程逻辑器件对PWM波U_out和刹车信号进行与运算，若有刹车信号输出，则可编程逻辑器件不输出PWM波U_out；若无刹车信号输出，则对PWM波和刹车信号与运算后的信号与转向信号进行与逻辑运算，输出正向PWM波或反向PWM波。

10.根据权利要求1所述的光电转台伺服控制***，其特征在于：所述光电转台为两轴两框架光电转台，其伺服控制***还包括俯仰伺服控制器(21)、方位伺服控制器(22)、俯仰编码器(31)、方位编码器(32)、***(8)、三轴陀螺仪(9)；转轴为俯仰轴和方位轴；俯仰轴闭环控制***中的位置环控制器、A逻辑运算单元(212)、速度环PI控制器、速度滞后补偿单元(213)、B逻辑运算单元(214)、电流环PI控制器和电流补偿单元(215)均为俯仰伺服控制器(21)中的逻辑单元；方位轴闭环控制***中的位置环控制器、A逻辑运算单元、速度环PI控制器和速度滞后补偿单元为俯仰伺服控制器内的逻辑单元，B逻辑运算单元(214)，电流环PI控制器，电流补偿单元(215)为方位伺服控制器(22)中的逻辑单元；俯仰电机(41)驱动俯仰轴转动，其实际角度值由俯仰编码器(31)给出；方位电机(42)驱动方位轴转动，其实际角度值由方位编码器(32)给出。

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