全自動(dòng)自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀軸系精密伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

張志利，王東波，劉春桐

(第二炮兵工程學(xué)院202室，陜西 西安 710025)

0 引言

國(guó)內(nèi)外對(duì)于經(jīng)緯儀的操作自動(dòng)化和提高測(cè)量精度等方面進(jìn)行了很多研究[1-4]。但大多集中在自動(dòng)調(diào)焦，自動(dòng)調(diào)平對(duì)心等，且研究對(duì)象多為大型光電經(jīng)緯儀。在經(jīng)緯儀照準(zhǔn)目標(biāo)方面，目前國(guó)內(nèi)外均未見能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)的電子經(jīng)緯儀。

針對(duì)傳統(tǒng)電子經(jīng)緯儀軸系手動(dòng)操作的操作時(shí)間長(zhǎng)、受人為因素影響大等問題進(jìn)行了長(zhǎng)期研究和深入分析，擬在傳統(tǒng)電子經(jīng)緯儀基礎(chǔ)上進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)具有目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別和照準(zhǔn)、高精度二維測(cè)角等功能的激光全自動(dòng)自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀。為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)經(jīng)緯儀的自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)功能，將視頻圖像測(cè)量與電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，在DT202C型電子經(jīng)緯儀軸系結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)精密伺服控制系統(tǒng)，最終通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試伺服系統(tǒng)能達(dá)到全自動(dòng)經(jīng)緯儀的設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)組成及其工作原理

系統(tǒng)主要由控制計(jì)算機(jī)，電子經(jīng)緯儀、以及加裝在電子經(jīng)緯儀中的軸系電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路板，直流力矩電機(jī)和面陣CCD相機(jī)組成。系統(tǒng)首先改裝了電子經(jīng)緯儀光學(xué)系統(tǒng)，安裝了面陣CCD相機(jī)以實(shí)時(shí)接收采集到的視頻圖像。而后由上位機(jī)通過亞像素定位技術(shù)進(jìn)行數(shù)字圖像處理，得出目標(biāo)中心在水平和俯仰方向上偏離CCD中心的像素?cái)?shù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)記錄下來，利用針孔模型[5]計(jì)算角度偏差。以此偏差信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)由上位機(jī)輸入到運(yùn)動(dòng)控制芯片dsPIC30F6012A中，由控制芯片依據(jù)所采用的積分分離式PID算法運(yùn)算后控制直流力矩電機(jī)以減小角度偏差直至消除?？刂朴?jì)算機(jī)的作用為接收?qǐng)D像信號(hào)并進(jìn)行圖像處理，控制芯片的作用為運(yùn)算控制算法得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

目標(biāo)識(shí)別和照準(zhǔn)可分為3個(gè)過程:目標(biāo)搜索過程、目標(biāo)照準(zhǔn)過程和測(cè)量過程。利用數(shù)字圖像處理的方法，對(duì)控制計(jì)算機(jī)采集到的電子經(jīng)緯儀視場(chǎng)圖像進(jìn)行識(shí)別處理，電子經(jīng)緯儀視場(chǎng)內(nèi)如果沒有目標(biāo)，則先進(jìn)行目標(biāo)搜索;一旦在視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)目標(biāo)圖像，即刻進(jìn)入目標(biāo)照準(zhǔn)和測(cè)量過程。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入電子經(jīng)緯儀視場(chǎng)后，控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行分割處理，采用亞像素細(xì)分的方法，計(jì)算出目標(biāo)圖像的精確中心位置與標(biāo)定的CCD相機(jī)中心的偏差，分別控制電子經(jīng)緯儀橫軸和縱軸伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)照準(zhǔn)目標(biāo)。其自動(dòng)測(cè)量過程如圖1所示。

2 光學(xué)系統(tǒng)改造

為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀自動(dòng)測(cè)量的功能，需要對(duì)其光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改造。文中主要在J2電子經(jīng)緯儀光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，取消目鏡，加裝CCD組件，設(shè)計(jì)專用接口，通過控制計(jì)算機(jī)提取CCD圖像進(jìn)行水平和垂直角度測(cè)量。改造后的電子經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 電機(jī)控制硬件電路設(shè)計(jì)

電機(jī)控制硬件電路主結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要電路有:光電隔離電路、H橋功率驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與信號(hào)放大電路等。系統(tǒng)所采用的dsPIC30F6012A芯片是將高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的控制芯片[6]。它主要用于接收上位機(jī)送來的輸入信號(hào)，然后將此信號(hào)在控制器中根據(jù)積分分離PID算法進(jìn)行運(yùn)算，得到對(duì)直流力矩電機(jī)的PWM，DIR，BRAKE控制信號(hào)，并將控制信號(hào)送給直流力矩電機(jī)。

圖3 電機(jī)控制硬件電路主結(jié)構(gòu)圖

3.1 光電隔離電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，光電隔離電路將驅(qū)動(dòng)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)控制電路電氣隔離，減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生電機(jī)邏輯控制信號(hào)，分別控制H橋的上下臂。系統(tǒng)采用芯片TPL117作為光電耦合器。

3.2 H橋功率驅(qū)動(dòng)電路

采用4個(gè)相同的N溝道功率MOSFET的雙極型H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性。還可以方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。

3.3 邏輯驅(qū)動(dòng)與放大電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯及放大電路主要實(shí)現(xiàn)外部控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)H橋控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換及放大。控制信號(hào)DIR、PWM、BRAKE經(jīng)光電隔離電路后，由門電路進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生4個(gè)控制信號(hào)M1′、M2′、M3′、M4′，然后經(jīng)三極管放大，產(chǎn)生控制 H 橋的 4個(gè)信號(hào)M1、M2、M3、M4。其電路如圖4所示。其中Vh是Vm經(jīng)電荷泵提升的電壓，Vm為電機(jī)電源電壓。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要由PC機(jī)上的串口軟件設(shè)計(jì)和主控制器上的軟件設(shè)計(jì)2部分組成。PC機(jī)上的串口軟件主要作用是發(fā)送輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)有的串口調(diào)試助手V2.2[7]。主控制器上軟件主要包括串口接收識(shí)別程序和主控制程序。

在位置調(diào)節(jié)中，采用積分分離PID算法。其基本思想[8]是:當(dāng)系統(tǒng)偏差較大(如電機(jī)處于啟動(dòng)、制動(dòng)或大幅度增減)時(shí)，去掉積分環(huán)節(jié)，以快速減少偏差;當(dāng)偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可消除穩(wěn)態(tài)誤差，又可避免飽和超調(diào)。假設(shè)e(k)為偏差值，u(k)為按照一定算法運(yùn)算后的控制輸出量，ε為人為設(shè)定閾值(ε＞0)，則

主程序流程圖如圖5所示。主要完成dsPIC30F6012A芯片的端口配置、初始化控制寄存器、配置A/D轉(zhuǎn)換和PWM波、初始化軟件中所需控制變量、設(shè)置中斷服務(wù)優(yōu)先級(jí)及中斷源等。

圖5 主程序流程圖

中斷調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖6所示，主要完成位置調(diào)節(jié)的積分分離PID算法控制以提高控制精度，速度調(diào)節(jié)是輔助位置環(huán)控制以提高響應(yīng)速度。

在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，開發(fā)環(huán)境采用的是MPLAB IDE 6.50，并用Microchip C30C語言編譯器進(jìn)行編譯，使用MPLAB ICD 2進(jìn)行調(diào)試和編程。

圖6 中斷調(diào)節(jié)子程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)緯儀的一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差是描述儀器各單項(xiàng)誤差綜合作用后儀器的測(cè)量準(zhǔn)確性[9]，也是衡量經(jīng)緯儀精度的重要技術(shù)指標(biāo)之一。該實(shí)驗(yàn)依據(jù)JJG414—2003《光學(xué)經(jīng)緯儀檢定規(guī)程》要求對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)偏差采用多目標(biāo)法在室內(nèi)進(jìn)行檢定。檢定方法是:在水平面內(nèi)布置5個(gè)目標(biāo)(平行光管)，檢定時(shí)，將經(jīng)緯儀安置在檢定臺(tái)上并精確整平。項(xiàng)目前期已加裝CCD相機(jī)并以此接收目標(biāo)發(fā)出的光信號(hào)。首先以正鏡位置照準(zhǔn)目標(biāo)1并按下“置零”，而后依次驅(qū)動(dòng)電機(jī)按目標(biāo)1至目標(biāo)5的順序測(cè)量角度并記錄，最后再照準(zhǔn)目標(biāo)1回零讀數(shù)。將經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡翻轉(zhuǎn)180°，以倒鏡位置逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，分別照準(zhǔn)目標(biāo)1，5，4，3，2，1分別讀數(shù)，此為一測(cè)回，共進(jìn)行4個(gè)測(cè)回。為降低誤差影響，每測(cè)回起始角按180°/4=45°的角度變化值增加。

設(shè)在[10]第i測(cè)回觀測(cè)中，目標(biāo)j相對(duì)于目標(biāo)1的角度值為αij，則

式中:Lij，Rij為目標(biāo) j在第 i測(cè)回的盤左、盤右讀數(shù);Li1，Ri1為目標(biāo)1在第i測(cè)回的盤左、盤右讀數(shù)。

αij的殘差為

一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差為

式中:m為測(cè)回?cái)?shù);在實(shí)驗(yàn)中m=4;n為目標(biāo)個(gè)數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中n=5。

實(shí)測(cè)結(jié)果記錄見表1。

表1 每測(cè)回各目標(biāo)水平方向?qū)崪y(cè)值

將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)～(3)中求得一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差Uc=±2.377″。蘇州一光DT202C型電子經(jīng)緯儀的標(biāo)稱精度為±2″，即在理想實(shí)驗(yàn)條件下一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差Uc=±2″。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與DT202C型電子經(jīng)緯儀的標(biāo)稱精度誤差為0.377″，小于JJG414—2003光學(xué)經(jīng)緯儀檢定規(guī)程中限差1.6″的要求，說明誤差在允許范圍之內(nèi)。即加裝電機(jī)后的電子經(jīng)緯儀能實(shí)現(xiàn)軸系自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)且能保持其原有測(cè)量精度。

在實(shí)驗(yàn)中誤差的主要來源[11]有:平行光管設(shè)計(jì)理論誤差，平行光管的視差，經(jīng)緯儀標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置穩(wěn)定性及重復(fù)性誤差，經(jīng)緯儀安置誤差，望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)誤差和經(jīng)緯儀讀數(shù)重復(fù)性誤差等。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)由加裝的CCD相機(jī)采集圖像，經(jīng)圖像處理后得到角度偏差并以此信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將視頻圖像測(cè)量與電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電子經(jīng)緯儀的自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:儀器在實(shí)現(xiàn)了軸系自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)功能的同時(shí)能保持其原有測(cè)量精度，縮短了操作時(shí)間，提高了自動(dòng)化、智能化水平。

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