機(jī)載光學(xué)定位測(cè)量跟蹤器研究

竺春祥，鹿存躍，楊 明，黃整章

（上海交通大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系，上海 200240）

機(jī)載光學(xué)定位測(cè)量系統(tǒng)一般由基座、照準(zhǔn)架、伺服控制、攝像設(shè)備等部分組成[1－2]，主要安裝于汽車、飛機(jī)、船舶等多種載體上，通過(guò)可見光攝像機(jī)等有效載荷協(xié)同載機(jī)上其它電子設(shè)備完成對(duì)地目標(biāo)瞄準(zhǔn)、跟蹤、定位測(cè)量功能。本文所主要介紹的光學(xué)定位測(cè)量跟蹤器是安裝在無(wú)人機(jī)上，并與激光測(cè)距儀和GPS定位系統(tǒng)配合，以完成對(duì)如橋梁裂縫[3－4]等地面固定目標(biāo)的精確定位功能[5－7]。目前對(duì)跟蹤器的研究主要應(yīng)用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)配合減速機(jī)構(gòu)。跟蹤器電機(jī)多采用單路驅(qū)動(dòng)的方式，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、不易小型化等缺點(diǎn)。

本文利用超聲電機(jī)[8－9]和雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)構(gòu)建機(jī)載光學(xué)定位測(cè)量跟蹤器。系統(tǒng)包括兩個(gè)直徑為60 mm超聲電機(jī)組成的攝像支架、以高性能STM32F103ZET6為核心的雙路超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)了一種機(jī)載光學(xué)定位測(cè)量跟蹤器。該系統(tǒng)具有響應(yīng)快、精度高、易于小型化、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 跟蹤器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為跟蹤器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)由仰俯回轉(zhuǎn)框架、水平回轉(zhuǎn)框架和支承框架組成。仰俯回轉(zhuǎn)框架由一個(gè)帶編碼器的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)剛性聯(lián)軸器在一端與仰俯回轉(zhuǎn)框架相連。超聲波電機(jī)所帶編碼器精度為2 000線。高清變焦攝像頭安裝在仰俯回轉(zhuǎn)框架內(nèi)。在仰俯回轉(zhuǎn)框架的另一端安裝有一個(gè)精度為0．1°的編碼器，用于對(duì)帶編碼器的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)和定位精度進(jìn)行評(píng)測(cè)。另一組帶編碼器的超聲波電機(jī)安裝在支承框架上，通過(guò)剛性聯(lián)軸器與水平回轉(zhuǎn)框架相連，并帶動(dòng)其做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 跟蹤器硬件電路設(shè)計(jì)

圖1 跟蹤器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the tracker system

所研制的跟蹤器硬件電路框圖如圖2所示。主要由基于STM32F103ZET6的信號(hào)產(chǎn)生電路、雙超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。首先，上位機(jī)圖像處理軟件根據(jù)目標(biāo)位置確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度值，并將該值通過(guò)串口發(fā)送到基于STM32的雙路超聲電機(jī)控制器中，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)STM32對(duì)編碼器輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而對(duì)電機(jī)的起停和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)跟蹤。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路框圖Fig.2 Structure diagram of drive circuit

2.1 基于STM32F103ZET6芯片的信號(hào)產(chǎn)生電路

超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由32位ARM系列STM32F103ZE T6芯片來(lái)產(chǎn)生。該芯片以ARM Cortex-M3為核心，具有72 MHz主頻、512 KB Flash的代碼存儲(chǔ)空間和64 KB的SRAM。STM32F103ZET6芯片擁有面向電機(jī)控制的豐富外設(shè)。其中，高級(jí)控制定時(shí)器(TIM1和TIM8)和通用定時(shí)器(TIMx)是完全獨(dú)立的，它們不共享任何資源。本文使用高級(jí)控制定時(shí)器TIM1和TIM8分別產(chǎn)生兩對(duì)相差90°，帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM信號(hào)，且該死區(qū)大小可編程控制。由芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，兩個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器能產(chǎn)生6對(duì)互補(bǔ)PWM波。跟蹤器需要4對(duì)互補(bǔ)PWM波。因此，TIM1和TIM8可滿足要求。此外，TIM1和TIM8有多種工作模式，本系統(tǒng)使用其 Toggle模式，該模式可以控制一個(gè)輸出波形，或者指示一段給的時(shí)間已經(jīng)到時(shí)。通過(guò)配置各通道比較寄存器的內(nèi)容就可以產(chǎn)生不同相和不同頻的PWM波。

2.2 雙路超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖3為雙路超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路框圖。該電路由STM32接收上位機(jī)軟件發(fā)送的角度信息，產(chǎn)生8路互差 90°的同頻方波信號(hào)，每四路經(jīng)光耦隔離電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路和推挽逆變電路以及阻抗匹配電路后，最終得到四路相差 90°的高頻高壓的正弦信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

3 跟蹤器軟件設(shè)計(jì)

圖3 雙超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路框圖Fig.3 Diagram of double ultrasonic motor drive circuit

跟蹤器系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。該程序主要實(shí)現(xiàn)3部分功能：串口通訊；產(chǎn)生兩組超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；對(duì)編碼器的脈沖進(jìn)行捕獲和計(jì)數(shù)。首先，串口通訊給下位機(jī)發(fā)送水平方向和垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角,下位機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)STM32對(duì)編碼脈沖進(jìn)行捕獲計(jì)數(shù)，到達(dá)設(shè)定角度時(shí)停止電機(jī)。

圖4 下位機(jī)主程序流程圖Fig.4 Flow diagram of the main program

驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生通過(guò)配置TIM1和TIM8高級(jí)控制定時(shí)器工作在輸出比較模式。其產(chǎn)生信號(hào)的頻率通過(guò)下式得到：

式（1）中，SystemCoreClock 系統(tǒng)時(shí)鐘為 72 MHz，f為高級(jí)定時(shí)器TIMx所產(chǎn)生PWM信號(hào)的頻率。相位差通過(guò)配置通道1捕獲/比較寄存器 （TIMx_CCR1） 或通道 2捕獲/比較寄存器（TIMx_CCR2）的值實(shí)現(xiàn)。例如，當(dāng) TIMx_CCR1 的值為 861，若需要TIMx_CH2滯后TIMx_CH1 90°時(shí)，則TIMx_CCR2的值為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所研制的跟蹤器驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，電路可產(chǎn)生四路高頻高壓正弦信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)超聲電機(jī)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)高速運(yùn)行下的啟停特性，進(jìn)行了電機(jī)按設(shè)定角度啟停實(shí)驗(yàn)。在電機(jī)初始靜止的情況下，設(shè)定計(jì)數(shù)脈沖以50個(gè)為間距逐步遞增，同時(shí)用更高精度傳感器對(duì)其測(cè)試，得到的電機(jī)設(shè)定角與實(shí)際轉(zhuǎn)角曲線如圖6所示。測(cè)試的點(diǎn)均落在理論曲線附近且誤差不大于一個(gè)編碼脈沖即0.18°。結(jié)果表明，本系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于 3 ms，左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度 0°～360°，仰俯轉(zhuǎn)動(dòng)角度-20°～200°，左右轉(zhuǎn)動(dòng)速度 200 °/s，仰俯轉(zhuǎn)動(dòng)速度 200 °/s。 超聲電機(jī)最高轉(zhuǎn)速150 r/min，所測(cè)試的點(diǎn)均落在理論曲線附近且誤差不大于一個(gè)編碼脈沖即0.18°。

圖5 跟蹤器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖Fig.5 Physical map of tracker circuit

圖6 電機(jī)設(shè)定角與實(shí)際轉(zhuǎn)角曲線Fig.6 Curve of setting angle and actual angle of motor

5 結(jié)論

文中對(duì)一種機(jī)載光學(xué)定位測(cè)量跟蹤器進(jìn)行了研究。從硬件和軟件兩方面介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較精確的定位到相應(yīng)的角度。該系統(tǒng)較好的克服了目前由電磁電機(jī)構(gòu)建的跟蹤器的不足，可將其應(yīng)運(yùn)在機(jī)載車載的隨動(dòng)平臺(tái)搭建，監(jiān)控測(cè)量，地面固定目標(biāo)的定位測(cè)量等領(lǐng)域，具有廣泛應(yīng)用前景。

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