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

黃會生，樊利民

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

在民用市場，國內(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，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信等，因此無法采用諸如FPGA這樣的芯片去處理運(yùn)動信號，成了性能無法提升的瓶頸，不能很好地滿足市場需求。

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，通過編程，僅需設(shè)計(jì)相對簡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。但目前國內(nèi)應(yīng)用這一控制器來實(shí)現(xiàn)機(jī)載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺的廠家比較少，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。

1 吊艙及陀螺穩(wěn)定平臺

吊艙是指懸掛在運(yùn)動載體（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)械振動對光電傳感器指向的影響[1]。吊艙系統(tǒng)由陀螺穩(wěn)定平臺伺服平臺、電視跟蹤系統(tǒng)、座艙顯示和控制系統(tǒng)、紅外測量系統(tǒng)、激光測距儀和GPS定位于測距數(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[2]。

陀螺穩(wěn)定平臺系統(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)飛行過程中由于搖擺帶來的干擾力矩。這里設(shè)計(jì)的平臺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，用來感應(yīng)干擾力矩。陀螺輸出信號經(jīng)過放大濾波后，送到Elmo伺服控制器，由控制器智能處理陀螺信號。信號處理完畢之后，由控制器的輸出部分，驅(qū)動直流伺服電機(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)動控制；3）限位信號輸入；4）錯誤指示電路；5）LOCK 電路；6）串口通信。

圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖[3]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of total system design

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 陀螺信號處理電路

由于俄羅斯的Fizoptika VG941-3AS光纖陀螺輸出信號非常微弱，輸出比例因子只有3.3 mV/deg/s[4]。對于這么微弱的信號，必須要先進(jìn)行小信號的放大電路處理，才能傳送到Elmo伺服控制器，進(jìn)行下一步的處理。這里要說明的一點(diǎn)是，并沒有對陀螺輸出信號進(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[5]，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，基本無規(guī)律可以遵循，每次開機(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)陀螺信號處理電路，一方面可以將陀螺的輸出信號按一定比例的放大，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)部的噪聲對整個(gè)系統(tǒng)的影響，另一方面通過外接一只可調(diào)電阻，實(shí)現(xiàn)每次開機(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，通過放大器4558[6]實(shí)現(xiàn)一個(gè)減法電路。在該減法電路中，用REF02CZ[7]產(chǎn)生5 V的電壓，然后通過電阻分壓得到2.5 V基準(zhǔn)電壓。圖2為陀螺信號處理電路（減法電路）原理圖。

圖2 陀螺信號處理電路原理圖Fig.2 Principle diagram of gyro signal processing circuit

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。TSM1212D[8]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)動信號處理電路

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)動信號、漂移信號的處理電路。這兩個(gè)信號是通過控制面板（HCU）上相應(yīng)的開關(guān)按鈕來控制。圖4為吊艙運(yùn)動信號處理電路原理圖。

圖3 電源電路原理圖Fig.3 Principle diagram of power circuit

圖4 吊艙運(yùn)動信號處理電路原理圖Fig.4 Principle diagram of motion signal processing circuit

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Elmo Whistle數(shù)字化智能驅(qū)動器的軟件結(jié)構(gòu)總體可分為2大部分：1）驅(qū)動器本身的程序，這個(gè)包括引導(dǎo)程序，固件和個(gè)性化的設(shè)置。這些程序可以通過官方網(wǎng)站下載，然后根據(jù)特定的驅(qū)動器型號進(jìn)行燒錄[9-11]；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。通過采集Elmo Whistle控制器的模擬輸入口由光纖陀螺反饋回來的電壓信號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）×S1；

3）比例因子 AG[2]=S2/2.5；

Elmo Whistle內(nèi)部有可調(diào)用函數(shù)，通過相應(yīng)的設(shè)置語句，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LOCK信號功能、限位信號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。

圖5 吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of pod gyro stabilization system

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)動做了相應(yīng)的嘗試。在原有的軟件模塊中，通過判斷輸入口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

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，應(yīng)用于目前的吊艙系統(tǒng)中，吊艙的穩(wěn)定性能達(dá)到50 μrad，俯仰轉(zhuǎn)動角度為-120°～+15°，方位轉(zhuǎn)動角度為 360°連續(xù)，最大轉(zhuǎn)動速度為 60（°）/s最大轉(zhuǎn)動加速度 200（°）/S2，功耗小于 240 W。

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