基于雙DSP與FPGA的穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)

扈宏杰，梁 洋

（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191）

HU Hong?jie，LIANG Yang

（College of Automation Science and Electrical Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

基于雙DSP與FPGA的穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)

扈宏杰，梁 洋

（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191）

提出了一種采用雙DSP與FPGA構(gòu)成的3軸自穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、控制原理及軟件流程。詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的控制機(jī)制，主要包括對(duì)陀螺與碼盤信號(hào)的采集與處理、上下位機(jī)之間的CAN通訊以及DSP與FPGA之間的信息交互等內(nèi)容。最后給出了穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的控制結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了50 μrad以內(nèi)的穩(wěn)定精度控制和2個(gè)像素以內(nèi)的跟蹤精度控制，完成了系統(tǒng)隔離載體擾動(dòng)、高精度跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)的功能。

雙DSP與FPGA；穩(wěn)定精度；跟蹤精度

穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)集慣性導(dǎo)航、微慣性傳感器、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理、精密機(jī)械動(dòng)力學(xué)建模仿真和設(shè)計(jì)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、圖像處理和光學(xué)儀器應(yīng)用等多項(xiàng)技術(shù)于一身，是以機(jī)電一體化、目標(biāo)識(shí)別自動(dòng)控制技術(shù)為主體，多個(gè)學(xué)科有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物［1-2］。其主要功能是隔離載體（導(dǎo)彈、飛機(jī)、戰(zhàn)車、艦船）擾動(dòng)，完成對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的高精度跟蹤。在航空偵察攝影觀測(cè)設(shè)備、機(jī)載目標(biāo)指示器、空間遙感探測(cè)和海底聲納探測(cè)等領(lǐng)域，穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)都得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

本文以機(jī)載3軸穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為背景，為了滿足現(xiàn)代系統(tǒng)小型化、集成化的需求［4-7］，采用了基于雙DSP與FPGA的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文中從系統(tǒng)構(gòu)成、控制原理及軟件流程3個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，說(shuō)明了采用雙DSP與FPGA結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的控制機(jī)制，給出了系統(tǒng)的控制結(jié)果。

1 系統(tǒng)總體概述

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)中穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。紅外熱像儀采集動(dòng)態(tài)目標(biāo)信息，經(jīng)過(guò)視頻處理單元處理，將圖像傳送至顯示界面顯示，操作人員根據(jù)圖像進(jìn)行判斷，通過(guò)控制面板下達(dá)掃描、引導(dǎo)或者跟蹤等指令，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)上位機(jī)下達(dá)的指令，完成相應(yīng)的指令操作。其中，視軸穩(wěn)定是通過(guò)速率陀螺采集載體擾動(dòng)信息，構(gòu)成視軸穩(wěn)定內(nèi)回路實(shí)現(xiàn)的；動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤是由圖像跟蹤器得到目標(biāo)脫靶量信息，組成自動(dòng)跟蹤回路，完成空間閉環(huán)實(shí)現(xiàn)。

圖1 穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 The stable platform system structure diagram

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Block diagram of control system

1.2 系統(tǒng)控制原理

穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的系統(tǒng)控制框圖如圖2所示，圖2中θd為目標(biāo)空間位置，θL為視軸實(shí)際指向位置，Δs為脫靶量信息，ωr為跟蹤控制器輸出的指令速度，ωd為載體的擾動(dòng)速率，ωL為平臺(tái)空間速度。平臺(tái)控制采用位置環(huán)與速度環(huán)組合的雙閉環(huán)典型控制結(jié)構(gòu)，其中位置環(huán)的主要功能是保證高精度跟蹤，故稱為跟蹤回路，速度環(huán)的主要功能是保證視軸穩(wěn)定，故稱為穩(wěn)定回路。位置閉環(huán)的偏差信號(hào)為從紅外熱像儀采集的圖像中提取出的脫靶量信息，跟蹤控制器為傳統(tǒng)的PD控制器；速度環(huán)指令信號(hào)為跟蹤控制器輸出，反饋信號(hào)為載體擾動(dòng)速率與電機(jī)轉(zhuǎn)速合成的空間速度，穩(wěn)定控制器為PID控制器，其輸出的控制信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后直接作用于平臺(tái)，完成整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。此外，在系統(tǒng)的控制內(nèi)環(huán)中還引入了補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償環(huán)節(jié)包括速度補(bǔ)償與加速度補(bǔ)償，其中，速度補(bǔ)償可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加速度補(bǔ)償對(duì)電機(jī)死區(qū)具有很好的抑制作用，可以提高系統(tǒng)剛度，引入補(bǔ)償環(huán)節(jié)有助于進(jìn)一步改善系統(tǒng)的控制效果。跟蹤回路、穩(wěn)定回路與補(bǔ)償環(huán)節(jié)共同作用，保證了控制系統(tǒng)的控制性能。

1.3 控制系統(tǒng)軟件流程

控制系統(tǒng)的采樣周期與控制周期都是1 ms，系統(tǒng)控制流程如圖3所示。進(jìn)入時(shí)間中斷之后，首先讀取碼盤與陀螺數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得碼盤轉(zhuǎn)角以及陀螺與碼盤的濾波速度，然后進(jìn)行模式判斷，如果工作在跟蹤模式，則讀取此時(shí)的脫靶量信息，完成系統(tǒng)空間閉環(huán)控制，如果工作在其他模式，則直接根據(jù)碼盤信息進(jìn)行控制閉環(huán)，將所得的控制結(jié)果輸出后結(jié)束本次中斷，等待定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到達(dá)后開(kāi)啟下次中斷。

圖3 1ms中斷控制流程圖Fig.3 Control flow graph with interrupt of 1 ms

2 雙DSP與FPGA組合結(jié)構(gòu)控制機(jī)制

本系統(tǒng)中采用雙DSP與FPGA組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)控制，其中DSP芯片采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335，該芯片為浮點(diǎn)型DSP，主頻最高可達(dá)150 MHz，并且內(nèi)部集成了CAN接口、SPI接口、PWM接口等諸多外設(shè)接口，非常適合于控制領(lǐng)域。FPGA芯片采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列芯片EP1C12Q240，該芯片內(nèi)部集成12 060個(gè)邏輯單元，173個(gè)I/O引腳，滿足本系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)接口示意圖如圖4所示。

DSP2的主要功能是與上位機(jī)進(jìn)行通訊，與DSP1進(jìn)行信息交互以及完成對(duì)橫滾電機(jī)的控制；DSP1的主要任務(wù)是根據(jù)DSP2傳達(dá)的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作、完成對(duì)方位與俯仰電機(jī)的控制；FPGA的主要功能是采集3自由度速率陀螺信號(hào)與3軸碼盤信號(hào)，完成2片DSP之間的信息交互。

圖4 系統(tǒng)接口示意圖Fig.4 System interface diagram

上位機(jī)指令通過(guò)CAN總線傳輸?shù)剿欧刂茩C(jī)構(gòu)，本系統(tǒng)中CAN總線的通訊速率設(shè)置為1 Mb/s，采用11位標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)識(shí)符，數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，保證了數(shù)據(jù)與指令交互的實(shí)時(shí)性。

對(duì)于采集碼盤信號(hào)，有以下兩種方案：

1）由FPGA以較高的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)多次采集，DSP需要數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)讀信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)處于可讀狀態(tài)時(shí)（讀信號(hào)引腳置低）讀取碼盤數(shù)據(jù)，此種方式是以FPGA讀取為主的讀取方式，故DSP為被動(dòng)讀取方式；

2）采集方式是進(jìn)入時(shí)間中斷時(shí)，DSP芯片將讀信號(hào)引腳置高，當(dāng)FPGA檢測(cè)到上升沿時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，DSP芯片等待足夠的采集時(shí)間后將引腳置低并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，相對(duì)于之前被動(dòng)式的讀取方式，此種方式可認(rèn)為是DSP主動(dòng)讀取方式。

兩種讀取方式中，第1種讀取方式要求FPGA在讀取數(shù)據(jù)時(shí)有較高的波特率，實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制周期內(nèi)數(shù)據(jù)的多次采集，采集次數(shù)越多，所采集數(shù)據(jù)就接近于DSP采樣時(shí)刻的碼盤數(shù)值，對(duì)于較高波特率的采集系統(tǒng)可以采取此種方法；主動(dòng)式讀取方式在1個(gè)控制周期內(nèi)FPGA芯片只需對(duì)碼盤信號(hào)進(jìn)行1次采集，而且采集波特率不需要很高，DSP獲得的數(shù)據(jù)是讀取引腳置高后固定時(shí)間的數(shù)值，這樣可以保證采集的數(shù)據(jù)在每個(gè)采樣周期內(nèi)為同一時(shí)刻的碼盤數(shù)值，保證了控制的準(zhǔn)確性。相對(duì)于被動(dòng)式讀取方式，主動(dòng)式讀取方式具有操作簡(jiǎn)單，F(xiàn)PGA的資源開(kāi)銷小以及不受碼盤信號(hào)采集波特率限制等優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)中采用主動(dòng)式讀取方式。

2片DSP之間的信息交互與指令傳遞通過(guò)FPGA完成，DSP的數(shù)據(jù)總線與地址總線分別與FPGA相連，由于是異步通信機(jī)制，2個(gè)DSP之間進(jìn)行信息交互時(shí)需要硬件握手。具體實(shí)現(xiàn)如下：當(dāng)進(jìn)行寫操作時(shí)，DSP首先將用于硬件握手的引腳置高，為防止此時(shí)另1個(gè)DSP正在讀取數(shù)據(jù)，延時(shí)等待讀取指令的最大時(shí)間，等待結(jié)束后，將數(shù)據(jù)通過(guò)總線寫入FPGA芯片中，寫操作完畢后將相應(yīng)的引腳置低，完成此次寫操作；當(dāng)進(jìn)行讀操作時(shí)，DSP芯片首先判斷用于硬件握手的引腳狀態(tài)，如果為低，則直接通過(guò)總線讀取FPGA芯片中相應(yīng)數(shù)據(jù)，如果為高，說(shuō)明此時(shí)另1個(gè)DSP芯片的寫操作正在進(jìn)行，則等待，直至引腳狀態(tài)為低時(shí)，讀取數(shù)據(jù)。此種讀寫機(jī)制有效防止了讀寫過(guò)程中的沖突，保證了數(shù)據(jù)傳遞的正確性。

圖5 圓周掃描電機(jī)控制曲線圖Fig.5 Motor control curves of circular scanning

3 控制結(jié)果

穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的主要功能是對(duì)一定區(qū)域進(jìn)行掃描搜索，當(dāng)搜索到目標(biāo)后立即轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。系統(tǒng)的最終控制效果受到機(jī)械諧振、負(fù)載彈性形變、摩擦阻尼、電機(jī)死區(qū)以及其它諸多因素的影響。本設(shè)計(jì)中穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了較高的控制精度，穩(wěn)定精度達(dá)到了50 μrad以內(nèi)，對(duì)于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤精度達(dá)到了2個(gè)像素以內(nèi)（1個(gè)像素為0.004 12°），滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖5為圓周掃描的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與差分速度曲線。從曲線中可以看出，系統(tǒng)在圓周掃描過(guò)程中掃描速度平穩(wěn)，為圖像處理單元捕獲目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤提供了前提。跟蹤性能測(cè)試采用跟蹤動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，靶標(biāo)做橢圓運(yùn)動(dòng)，其在2個(gè)自由度上的脫靶量曲線如圖6所示。圖7為穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)捕獲與跟蹤過(guò)程中脫靶量變化曲線，從曲線中可以看出，系統(tǒng)具有較快的捕獲過(guò)渡過(guò)程與較高的跟蹤精度，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)穩(wěn)定、高精度跟蹤的功能。

圖6 未跟蹤狀態(tài)脫靶量變化曲線圖Fig.6 Miss distance change curves without tracking

圖7 捕獲與跟蹤過(guò)程脫靶量變化曲線圖Fig.7 Miss distance change curves during acquisition and tracking

4 結(jié)論

本文討論了基于雙DSP與FPGA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、控制原理以及軟件流程，詳細(xì)介紹了采用雙DSP與FPGA組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制機(jī)制，具體包括系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊方式、碼盤與陀螺信號(hào)的采集與處理、控制器之間信息交互的實(shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容，最后給出了穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的實(shí)際控制結(jié)果。

本文的研究結(jié)果表明，基于雙DSP與FPGA的穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)跟蹤能力，實(shí)現(xiàn)了50 μrad以內(nèi)的穩(wěn)定精度控制及2個(gè)像素以內(nèi)的跟蹤精度控制，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)穩(wěn)定、高精度跟蹤的功能。

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Stable Tracking Platform System Based on Dual DSP and FPGA

Proposed a three?axis self?stabilizing tracking control system which was composed by dual DSP and FPGA.Introduced the system structure，control theory and software processes.A description of the control mechanism of the system was discussed in detail，including the gyro and encoder signal acquisition and processing，CAN communication between the PC and lower processor，information exchange between the DSP and the FPGA.The control result given at last indicates that the stable tracking platform realized the functions of isolating carrier disturbance and tracking dynamic targets precisely，and accomplished the accuracy of 50 μrad in stability and two pixels in tracking.

dual DSP and FPGA；stable accuracy；tracking accuracy

TP273

A

HU Hong?jie，LIANG Yang

（College of Automation Science and Electrical Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

2014-10-20

修改稿日期：2015-04-21

扈宏杰（1962-），男，博士，副教授，Email：hhj@buaa.edu.cn