摘要：由于穩像系統一般都只考慮隔離載體的角運動,因此穩像系統的設計主要采用光學和電子學結合的伺服控制方法。本文重點論述了車輛電子綜合系統中車長周視指揮鏡的伺服控制設計。本文通過對車載穩定平臺各部件的組成分析，得出影響穩像平臺穩定的幾個重要因素。并進行校正設計,通過實驗驗證了上述校正的可行性,完成了對車載穩定平臺伺服控制的設計。

關鍵詞：穩定平臺;角運動;伺服控制;位置控制

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

0引言

隨著光電監視、跟蹤、偵察系統使用要求的不斷提高,對光學圖像的穩定要求也日趨嚴格。圖像不穩定的實質是瞄準系統的光軸與目標之間有相對運動,包括平移和角運動。

圖像不穩定會使觀察者產生疲勞感,繼而容易導致誤判和漏判；對于目標自動識別與跟蹤系統會導致動態跟蹤誤差增大,降低跟蹤目標的能力。造成瞄準系統的光軸與目標之間的角運動有兩種情況:一種是目標的運動，另一個原因是載體的運動。通常瞄準時目標距離較遠,因目標運動而造成的相對運動較少；然而理論上載體自身的運動是以1:l的比例傳遞給系統的瞄準線,其造成的相對角速度很大。兩者相比，第一個因素可以忽略，所以，穩像系統一般都只考慮隔離載體角運動。現在使用的方法主要有光學的方法、光學和電子學結合的穩定平臺主動補償方法以及電子學穩像的方法。

穩定圖像的方式，大致可分為被動穩定和主動穩定。被動穩定的方法主要使用彈簧、阻尼系統，可以有效衰減高頻振動。主動穩定系統主要是應用車載技術進行閉環穩定控制，用于消除出低頻運動和振動的影響。在相當程度上來說，圖像穩定技術就是要隔離外部對成像系統、瞄準系統、定位系統的擾動。最直接的方法是將其架設在減震裝置上，如無角位移減震器，但是其缺點是減震器只能隔離載體的高頻低幅振動，并且經過減振以后的窄帶隨機振動都在系統的固有頻率附近，若諧振煩率在系統帶寬之內將使圖像產生抖動,所以必須提高系統的剛度保證系統諧振頻率遠大于系統的帶寬，觀察系統中的低頻振動會使圖像隨之顫動，解決的方法是采用光學穩定或電子學圖像處理穩定的方法。

1車載穩定平臺控制系統組成

穩定平臺控制系統按照穩定軸的數量可以分為單軸、雙軸、和三軸穩定平臺按照穩定的方式分為平臺式穩定、反射鏡穩定系統和有兩者組成的兩級穩定系統。

一級穩定得到了廣泛的應用,它是采用一個環架系統作為光電傳感器的光學平臺，在平臺上放置車載來測量平臺的運動,車載敏感姿態角的變化經過放大以后驅動環架的力矩電機，通過力矩電機驅動平臺使光電傳感器保持穩定。由于一級穩定兩軸穩定平臺固有的原理誤差，它不可能完全隔離載體的擾動力矩，導致瞄準線圍繞著光軸旋轉，當旋轉速度較大時會對像質造成嚴重影響。要完全隔離須采用三軸的車載穩定平臺或采用兩軸四環的穩定平臺，這兩種方法在原理上可以完全隔離載體的擾動。兩軸、三軸穩定技術在各國的機載偵察設備中得到了廣泛的應用,在導彈導引頭中一般采用兩軸穩定，如美國的幼畜戰術導彈，也有為進一步提高精度而采用三軸穩定的。本文采用的是兩軸一級整體穩定方式。

車載穩定平臺方位環的穩定由方位穩定回路來完成，回路由下列部件構成：

(l)敏感元件—車載儀;

(2)伺服電子線路—由濾波器、校正網絡、PWM驅動電路等組成;

(3)執行對象元件—直流力矩電機;

(4)控制對象—穩定平臺。

車載穩定平臺俯仰環的穩定也是由以上四部分組成。穩定平臺一般為兩個或三個穩定回路,每個穩定回路只有在解耦之后方能視為各自獨立的穩定回路。

2車載穩定平臺方位軸分析校正

在機載、彈載的車載穩定平臺中,外部的干擾是不可避免的。這些干擾或是不可測的或是隨機的,這些干擾使跟瞄、定位系統的視軸穩定精度和瞄精度降低，導致系統的性能變差。對于結構比較簡單的系統我們可以用超前滯后或PID校正控制規律設計一個補償器來抵消干擾升系統的影響。一級穩定的車載穩定平臺的速率環一般采用超前滯后校正的方法消除外部的干擾。

方位穩定系統對干擾的作用可看成是力平衡系統。對控制作用可看成是角速度跟蹤系統,通常采用經典控制理論來設計校正函數。一般在進行設計時，通常的步驟是先考慮采月超前校正，使系統滿足穩定性要求和動態精度要求，再考慮引入滯后效正，以滿足系統靜態力矩剛度軍求，并且要不影響系統的穩定性能。

測試車載穩定平臺的開環幅頻特性，測試時所用的輸入信號為：

由系統的開環幅頻特性可見系統在300rad/sec附近有一個較大的諧振峰，在對系統做校正的實驗中又發現系統在30rad/sec，60rad/sec及148rad/sec附近還有幾個小的諧振峰；這些諧振峰的存在對穩定平臺伺服系統性能起著重要的制約作用。

由系統的開環幅頻特性可知系統的開環傳遞函數為：

當考慮系統采用低通濾波器濾波、陷波器濾除系統的諧振，則系統的結構框圖如圖1所示。

圖1車載穩定平臺的控制系統框圖

車載所能夠敏感的最小速度為Vmin=0.007°/s,因此它限制了系統所能夠敏感的最小速度為:

Vmin=0.007°/s

實驗測得電機的啟動電壓為:

U=3V

車載的輸出斜率為:

kg=100mV/(1°/s)

系統速率環的反饋系數為:

β=0.9

功率級調寬波的增益為:

KPWM=5.4

因此可以計算出系統所需要的最小校正放大倍數為:

根據隔離度為1%時要求系統的開環放大倍數為100，則系統的期望開環放大倍數為4Odb。校正后的系統幅頻特性如圖2所示。

圖2校正后的系統幅頻特性

3邏輯控制電路

在車載穩定平臺設計中,穩像時我們將車載工作在開環狀態,但是車載在開機狀態時,要求其自身閉環,因此我們設計了如下電路。

方位由于是n*360°旋轉,穩像時車載開壞。當穩像電源打開時,穩像電源同時控制繼電器來使車載方位軸開環,并且將方位加矩信號加到車載方位力矩器高端。

俯仰軸由于工作在-10°--45°范圍內,有上、下限位控制。穩像工作時,車載的俯仰軸與方位工作方式一樣。因此,當反射鏡運動到上限位時,上限位開關閉合,同時控制繼電器將俯仰加矩信號的正電壓切斷,只允許俯仰加矩信號的負電壓通過。這同時為了保證在限位時的系統的可靠性,在上限位時,繼電器的另一繞組控制車載俯仰軸的開閉環,它使俯仰的力矩器高端和俯仰力反饋在正方向閉合。同樣,在下限位時的工作方式與上限位一樣。

4傳感器的選擇

在車載穩定平臺中，撓性速率車載的應用是比較少的。穩定軸上的常值干擾力矩會引起穩定裝置的角速率漂移是速率車載穩定裝置的重要特點。因此在選擇速率車載的時候，要求其漂移應該近可能的小，零位噪聲盡量低，重復性要好。速率陀螺的分辨率表征了車載儀敏感平臺的微小變化(角位移)的的能力，它將影響到平臺的穩定精度，選擇車載儀時必須保證其分辨率滿足要求。從光學結構上考慮也要求車載的重量輕、體積小，并且選擇兩自由度的撓性車載，以便安裝和修正。

本伺服系統使用的速率車載具有體積輕、重量輕，環境適應性強和綜合性能指標較高等優點。其主要的指標如下:

靈敏度：小于等于0.007°/s；

力矩器低端輸出標度因數：65mv士7mv；

測速范圍：0°/s—士80°/s；

綜合誤差小于：0.5%（F•S）；

交叉輸出小于：0.5%；

開環帶寬：80Hz；

表頭重量：259g。

實驗系統中所用的撓性車載輸出噪聲較大，解調輸出端噪聲有效值小于等于20mv，陷波輸出直流零位電壓小于等于200mv。而且在實驗中發現車載輸出噪聲過大是影響控制系統性能的一個重要因素。在以后的實驗中改進中有必要采取一定的措施來抑制車載噪聲，采取的方法可以考慮采用微弱信號檢測技術的提取信號，或采用Kalmna濾波的方法建立的數學模型，或采用近似非線形濾波技術辨識漂移模型，還有研究用神經網絡預報的方法補償車載漂移。另外，車載的靈敏閥值對系統誤差的影響無法克服，只能采用性能更好的車載減少這項誤差。撓性車載的受沖擊能力不行，在x、Y軸兩個方向的耐沖擊有8g，6ms。

5結論

實驗所用車載穩定平臺的機械諧振頻率過低在一定的程度上限制了系統的帶寬和伺服性能的提高，引進高階校正方法對系統穩定精度的提高具有重要的意義，采用高階校正算法校正后的系統在高頻段和低頻段的性能都有了很好的改善。在系統的帶寬雖然沒有明顯的提高，但是系統的響應能力有很大提高。

6參考文獻

[1]嚴學高.機器人原理[M].南京:東南大學出版社,1992.

[2]JackRH.MeasuringrobotrepeatabilityaapplicationofISOandANSIstandards[J].AdvancedRobotics,1996,10(5):503-520.

[3]周希章、周全等.如何正確選用電動機[M].北京,機械工業出版社,2004

[4]張桂香,機電類專業畢業設計指南[M].北京,機械工業出版社,2005

[5]劉晟,陳杰,龔志豪,等.基于動態查詢表的模糊控制策略及其應用[J].北京理工大學學報,2002,(3):48-50.

[6]劉全周,謝剛,謝克明,等.基于GA修正因子自調整模糊控制系統研究[J].太原理工大學學報,2003,(1):20-22.

[7]蔡自興.機器人學[M].北京:清華大學出版社,2000.