車載穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的設(shè)計

范峰巖

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團，山西 太原 030024)

1 概述

車載穩(wěn)定平臺是加裝于運動載體上的光電設(shè)備的重要組成部分，它是一個機電控制系統(tǒng)，其作用是隔離載體的角運動，防止因載體在運動過程中產(chǎn)生的抖動和滾動，而丟失目標，使光電探測器件能按預(yù)定的方式搜索目標和實時對準目標[1]。

載車的運動使自動平臺在空間六個自由度上都有速度和加速度產(chǎn)生，這對自動平臺的角度測量和實時補償能力提出了非?？量痰囊?。運動中，車體的側(cè)傾、俯仰和橫擺運動都會對車載光電設(shè)備(CCD、激光雷達、夜視儀、觀瞄設(shè)備)的視線造成擾動，此時獲取的外部環(huán)境信息量突變性大，具有不連續(xù)性，必須經(jīng)過復雜的姿態(tài)矩陣變換后才能對其進行處理和識別[2,3]。為了消除上述影響，通常在車體與傳感器之間安裝可有效隔離載體運動的穩(wěn)定平臺來實現(xiàn)視線穩(wěn)定，使傳感器視線在大地坐標系中保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)車載傳感器系統(tǒng)對目標的可靠、高精度跟蹤與測量。

2 工作原理

2.1 邏輯關(guān)系

自動調(diào)平系統(tǒng)分成三個部分：控制部分、檢測部分和執(zhí)行部分。三個部分構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)，其相互之間的邏輯關(guān)系見圖1。

控制部分接收外部控制命令和檢測部分反饋的信號，向執(zhí)行部分輸出控制信號，控制器、驅(qū)動器屬于此部分。執(zhí)行部分接收控制部分的控制信號，產(chǎn)生指定的動作，電機、蝸輪蝸桿減速器、絲杠撐腿屬于此部分。檢測部分測得傾斜角、位置量等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為電信號后向控制部分輸出，傾角傳感器，撐腿中的位置傳感器和壓力傳感器均屬于此部分。

圖1 自動調(diào)平系統(tǒng)邏輯關(guān)系簡圖

2.2 支撐方式

如圖2可知，臺面的支承采用四點支承，1，2，3，4分別表示支腿的編號。每個支腿都采用螺旋升降機及相應(yīng)傳動機構(gòu)組成，通過電機驅(qū)動螺旋升降機,經(jīng)由蝸輪蝸桿的傳動，讓其電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹊闹本€運動，從而到達支腿的上升和下降的目的。這種方式必然會產(chǎn)生所謂超靜定問題，即四支撐腿中會有一支“虛腿”不受力或受力很小。為解決這個問題，通常采用監(jiān)測撐腿承重的方法。即在撐腿中加裝壓力傳感器，調(diào)平過程中不斷比較四支撐腿的受力，調(diào)平完成時應(yīng)保證各自受力的均衡。

為方便算法設(shè)計，四支撐腿的安裝應(yīng)形成一個長方形，傾角傳感器的兩個檢測方向分別與該長方形的兩條相鄰邊平行。

2.3 調(diào)平過程

車輛到達目的地并開始架設(shè)后，操作人員接通電源并按下啟動按鈕?？刂破魇盏絾又噶詈?，首先讀取傾角傳感器的信號，判斷當前平臺是否滿足水平精度要求。如果不滿足，則判斷四個撐腿中哪個最高，然后驅(qū)動其它三個撐腿向其靠近。同時不斷讀取傾角傳感器信號，與要求的水平精度進行比較。水平精度達到要求范圍后，調(diào)平停止，撐腿鎖定。設(shè)備工作過程中，傾角傳感器繼續(xù)監(jiān)測平臺水平，一旦發(fā)現(xiàn)水平丟失，控制器即產(chǎn)生報警信號。操作人員可將撐腿解鎖，再次啟動調(diào)平過程，此時一般經(jīng)過微調(diào)即可恢復水平。圖3為自動調(diào)平過程流程圖(假設(shè)撐腿1為最高)。

圖2 調(diào)平系統(tǒng)簡化示意圖

圖3 自動調(diào)平過程流程圖

3 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

平臺簡圖4顯示，支腿安裝在臺面的四角，上端與平臺臺面連接，下端支撐在安裝面上，通過四臺步進電機的帶動，使得螺旋升降機上升或者下降。當運載車到達指定地點后，通過消虛腿和調(diào)平策略的控制，使得臺面滿足設(shè)備的工作條件。每條支腿的組成部分主要是支撐座、聯(lián)軸器、步進電機(含驅(qū)動器)、螺旋升降機、絲杠、底座、限位開關(guān)、手動轉(zhuǎn)輪等。

根據(jù)設(shè)備的載重、臺面質(zhì)量等數(shù)據(jù)，支腿的升降裝置選用市場上成熟產(chǎn)品螺旋升降機，目前的加工設(shè)備和組裝工藝能夠保證該產(chǎn)品具備抗沖擊能力，高強度，低噪音，體積緊湊的特點；以及方案所要求的自鎖性，同步性，精度定位，速度控制，推力控制等性能[3，4]。

圖4 平臺簡圖

電機的旋轉(zhuǎn)動力開始從底座的旋轉(zhuǎn)軸輸入，此時驅(qū)動螺旋升降機內(nèi)部的蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿驅(qū)動具有齒輪的蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿配合具有減速功能，增大了旋轉(zhuǎn)力矩。蝸輪旋轉(zhuǎn)后，接著跟蝸輪同軸的絲杠也就一起旋轉(zhuǎn)，絲杠外部配有旋轉(zhuǎn)螺母，如果此時限制螺母位置，使其不能旋轉(zhuǎn)，當絲杠被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，螺母便會在絲杠上沿軸向運動，此時便可以實現(xiàn)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線升降運動，從而能為平臺四條支腿的升降提供強勁推力[5]。

4 平臺電路設(shè)計

4.1 控制部分

控制部分包括操控面板、控制器、驅(qū)動器、對外接口等。

操控面板由開關(guān)、按鈕、指示報警裝置、串行通訊口等組成。操作人員操作開關(guān)、按鈕發(fā)出指令，指令通過串行通訊口傳給控制器。指示報警裝置用于指示系統(tǒng)當前狀態(tài)，發(fā)出錯誤警示[2]。

控制器由DSP及其外圍電路、輸入輸出接口、電源等組成。輸入輸出接口包括串行通訊口、A/D接口、D/A接口等。DSP通過串行通訊接口與操控面板和對外接口通訊；通過A/D輸入口采集撐腿發(fā)來的壓力和位置信號[4]；通過控制算法計算撐腿運動速度和運動量；通過D/A接口向驅(qū)動發(fā)出模擬控制信號。

驅(qū)動器由DSP控制模塊、輸入接口、驅(qū)動電路、采樣電路、電源等組成。DSP控制模塊通過輸入接口接收控制器送來的控制信號，通過采樣電路采集電機狀態(tài)信號，通過特定的控制算法計算控制量并向驅(qū)動電路輸出[2]。驅(qū)動電路將輸入的交流電進行逆變，根據(jù)控制模塊的控制信號，將需要的控制量向電機輸出。

4.2 執(zhí)行部分

執(zhí)行部分包括電機帶減速器、螺旋升降機、撐腿。

電機和減速器在驅(qū)動器的驅(qū)動下產(chǎn)生需要的力矩和轉(zhuǎn)速。

撐腿是整個系統(tǒng)的執(zhí)行終端，包括螺旋升降機、螺母、絲杠、球頭支座等。螺旋升降機將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換直線升降運動。球頭支座可以適應(yīng)撐腿在升降過程中的角度變化。

4.3 檢測部分

檢測部分包括雙軸傾角傳感器、撐腿中的壓力傳感器和位置傳感器。

傾角傳感器安裝在平臺之上，可以同時檢測橫軸和縱軸兩個相互垂直的方向上的平臺傾斜角度，并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。壓力傳感器檢測撐腿所受壓力，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出[1，4]。位置傳感器檢測撐腿螺桿位置并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

5 軟件設(shè)計

自動調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是指控制器中DSP的編程，自動調(diào)平系統(tǒng)軟件主要完成接收、處理操控面板、上位機(或遙控器)的指令，采集傾角傳感器、壓力傳感器、位置傳感器等的信號，根據(jù)控制算法計算輸出控制量，監(jiān)控系統(tǒng)各部分狀態(tài)，處理各種意外情況和故障等任務(wù)[5]。

5.1 初始化模塊

系統(tǒng)上電后，首先應(yīng)檢測并初始化各個組成部分的狀態(tài)，確保隨后調(diào)平任務(wù)的順利進行。具體內(nèi)容包括：讀取各傳感器信號，與操控面板、對外接口交換數(shù)據(jù)，通過D/A接口向執(zhí)行部分送“零”信號(使執(zhí)行部分靜止)[4]。如果接收到的數(shù)據(jù)有誤，還應(yīng)向故障處理模塊發(fā)送錯誤報告。

5.2 串行通訊模塊

通過DSP本身的串行通訊接口接收操控面板和對外接口的數(shù)據(jù)，并將其傳送給其它模塊。具體內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)發(fā)送等。

5.3 信號采集模塊

通過DSP的A/D輸入接口采集各傳感器的信號，將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值后傳送給其它模塊。具體包括數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

5.4 控制計算模塊

控制算法可采用數(shù)字PID控制器，這種算法可以很好地協(xié)調(diào)精度和穩(wěn)定性之間的矛盾。自動調(diào)平系統(tǒng)要求快速、平穩(wěn)和精確地到達指定位置，這樣在大幅度位置增減設(shè)定時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會造成PID運算積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)的較大超調(diào)，甚至引起振蕩[3，5]。為此應(yīng)采用積分分離控制算法，即：當被控量與設(shè)定值偏差較大，且為增速過程時，取消積分控制，直接控制系統(tǒng)以最大加速度運轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)速；當被控量與設(shè)定值偏差較大，且為減速過程時，取消積分控制，直接控制系統(tǒng)以最大減速度運轉(zhuǎn)到偏差設(shè)定值；當偏差在設(shè)定值范圍內(nèi)時，采用數(shù)字PID控制，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性和精確性[3]。

5.5 故障處理模塊

系統(tǒng)運行過程中，可能會發(fā)生一些無法預(yù)料的事故，比如：水平丟失，器件故障，人工誤操作等，一個合格的自動調(diào)平系統(tǒng)應(yīng)該能夠隨時監(jiān)測和處理這些事故。也就是說，調(diào)平完成后，雖然撐腿鎖定，執(zhí)行部分不再運動，但控制部分必須繼續(xù)工作，定時向其它各部分發(fā)送監(jiān)測命令，采集并處理各部分反饋的數(shù)據(jù)，判斷是否發(fā)生故障，以及故障的位置，并通過操控面板向操作人員報警。

6 結(jié)束語

經(jīng)過仿真試驗,該穩(wěn)定平臺滿足設(shè)計要求,并且較好地解決了調(diào)平過程中的鎖定、虛腿,大大提高了車載光電設(shè)備的穩(wěn)定性、機動性。平臺四條的支腿結(jié)構(gòu)設(shè)計和聯(lián)接方式是保證平臺工作性能優(yōu)良的重要因素，需要分析支腿的受力情況以及形變規(guī)律，通過提高傳動軸系精度和裝配工藝，為平臺的結(jié)構(gòu)改進提供方向。