交會測量敏感器脈沖編碼激光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔家瑞， 許 震， 李 擎， 李希勝， 楊 旭

(北京科技大學(xué) a. 自動化學(xué)院； b. 工業(yè)過程知識自動化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

0 引 言

交會測量敏感器為空間交會對接的關(guān)鍵技術(shù)，用于高精度測量從150 m開始到兩對接機(jī)構(gòu)相互接觸這段距離范圍內(nèi)，目標(biāo)飛行器和追蹤器的相對位置、速度、姿態(tài)角和姿態(tài)角速度等。主要有主動式和被動式兩種。主動式是指目標(biāo)飛行器主動連續(xù)發(fā)射激光，追蹤器通過捕捉目標(biāo)飛行器的特征光點(diǎn)計(jì)算相對位置。被動式是指目標(biāo)飛行器不需要發(fā)射激光，只需要安裝一個(gè)角反射鏡(合作目標(biāo))，由追蹤器發(fā)射激光，并捕捉角反射鏡反射回來的特征光點(diǎn)計(jì)算相對位置[1-2]。主動式相對于被動式具有功耗大、負(fù)荷重等缺點(diǎn)，目前，絕大多數(shù)采用被動式[3]。

典型的被動式敏感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、激光控制系統(tǒng)、CCD像機(jī)和機(jī)載計(jì)算機(jī)組成。其工作原理如下：激光控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)送連續(xù)激光，然后，激光通過光學(xué)分束鏡反射到目標(biāo)航天器上，由目標(biāo)航天器的合作目標(biāo)反射回來，透過光學(xué)分束鏡直接進(jìn)入CCD像機(jī)成像，并由機(jī)載計(jì)算機(jī)通過求解兩航天器間的相對位姿[4]。

本文考慮到連續(xù)激光容易受太陽光和恒星光干擾和進(jìn)一步降低敏感器功耗的問題，采用對激光器發(fā)光過程進(jìn)行編碼的方式，研制了用于被動式交會對接敏感器的脈沖編碼激光控制系統(tǒng)，并通過不同頻率下的脈沖發(fā)光實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。

1 脈沖編碼激光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

脈沖編碼激光控制系統(tǒng)主要包括微控制器模塊、二次電源模塊、溫度控制模塊、恒流控制模塊、基準(zhǔn)電源模塊、脈沖編碼模塊和通信模塊。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 脈沖編碼激光控制系統(tǒng)整體框圖

整個(gè)系統(tǒng)以微控制器為核心，由微控制器按照設(shè)定的脈沖編碼格式控制激光器工作在脈沖模式，并保證激光器的工作溫度和電流持續(xù)穩(wěn)定。與此同時(shí)，微控制器將激光器工作模式通過通信模塊傳輸給機(jī)載計(jì)算機(jī)，保證CCD像機(jī)圖像采集時(shí)序與激光器脈沖編碼時(shí)序同步。

1.1 溫度控制模塊

激光器工作溫度是影響其特性的重要參數(shù)之一[5-6]。溫度控制模塊采用微控制器的A/D和D/A實(shí)現(xiàn)對激光器工作溫度的實(shí)時(shí)采集與設(shè)定，并通過閉環(huán)形式控制溫度控制模塊的啟停。溫度控制模塊原理如圖2所示。激光器的工作溫度和TEC兩端最大電壓通過微控制器D/A來設(shè)置。微控制器通過D/A轉(zhuǎn)換，將機(jī)載計(jì)算機(jī)設(shè)置的激光器溫度和TEC兩端最大電壓轉(zhuǎn)換為模擬信號，分別輸入到LD溫度控制芯片的TEMPSP和TECCRT腳。設(shè)置電壓與溫度的關(guān)系為

T=6U+15

(1)

式中:T為目標(biāo)溫度;U為設(shè)置電壓。

圖2 溫度控制模塊原理圖

TEC兩端最大電壓為

Utec_max=2.5×10K/(10K+R3)

(2)

該模塊能為熱電制冷器提供1.65 A的驅(qū)動電流，可以獲得超過90%的效率，設(shè)置溫度范圍在15～35 ℃。根據(jù)芯片datasheet的資料，在-40～125 ℃的工作溫度范圍內(nèi)，溫度穩(wěn)定性最高可達(dá)0.01 ℃，在工作溫度范圍內(nèi)25 ℃溫差穩(wěn)定時(shí)間可以控制在20 s。

TEMP_AD和VTEC_AD腳分別用來監(jiān)測激光器的實(shí)際溫度和TEC兩端的電壓。若監(jiān)測到激光器溫度不滿足(25±5) ℃，則微控制器將啟動TEC來制冷或制熱；若監(jiān)測到TEC兩端電壓>2.5 V，則關(guān)閉溫度控制芯片，防止激光器的損壞。

本設(shè)計(jì)中，溫度設(shè)置為25 ℃，TEC兩端最大電壓為2 V。

1.2 恒流控制模塊

激光器工作電流的穩(wěn)定性直接影響其波峰的波長位置[7-8]，需要與濾光片配合使用。恒流控制模塊采用微控制器的A/D和D/A實(shí)現(xiàn)對激光器工作溫度的實(shí)時(shí)采集與設(shè)定，并通過數(shù)字端口實(shí)現(xiàn)恒流控制模塊按編碼脈沖輸出電流。恒流控制模塊原理圖如圖3所示。激光器的電流通過微控制器D/A來設(shè)置。隨著設(shè)置電壓的變化，恒流控制芯片的輸出電流也會線性改變，從而驅(qū)動激光器工作，電壓與電流的關(guān)系為

I=2Ulis/2.5

(3)

恒流控制芯片本身具有電流監(jiān)測能力，因此，不需要單獨(dú)的電流監(jiān)測模塊，只需利用微控制器A/D采集芯片輸出，即可獲得激光器實(shí)際工作電流。監(jiān)測電壓與實(shí)際電流的關(guān)系為

Ulio=2.5I/2

(4)

圖3 恒流控制模塊原理圖

該電路能為激光器提供最大約2 A的驅(qū)動電流，效率大于90%，啟動時(shí)間為4 ms。根據(jù)芯片datasheet

的資料，該芯片輸出電流的穩(wěn)定度可達(dá)0.05%，調(diào)節(jié)精度可達(dá)±0.2%。并且，芯片內(nèi)置了保護(hù)電路，當(dāng)溫度異?；蛘唠娏鬟^大時(shí)，芯片會自動關(guān)閉，直到異常狀態(tài)消失。

為了更好地保護(hù)激光器，設(shè)計(jì)了過流保護(hù)和過壓邏輯。LIO_AD用于監(jiān)測激光器的實(shí)際電流，當(dāng)電流過大時(shí)，微控制器控制SDN_D腳，關(guān)閉恒流控制芯片，LIGD_AD用于監(jiān)測激光器的供電電壓，當(dāng)電壓過大時(shí)，微控制器控制SDN_D腳，關(guān)閉恒流控制芯片，從而起到了保護(hù)激光器的作用。

本設(shè)計(jì)中，電流保護(hù)閾值為600 mA，電壓為2 V。

1.3 二次電源模塊

二次電源模塊[9-10]主要為敏感器提供各種電壓等級的電壓源和電流源，原理圖如圖4所示。

圖4 二次電源模塊原理圖

由于機(jī)載電源的規(guī)格為直流(27±3)V，因此，設(shè)計(jì)了24～30 V的寬電源輸入范圍的二次電源模塊，輸出為5 V和3.3 V。

該電源模塊首先將輸入電壓通過DC/DC模塊轉(zhuǎn)換為5 V電源，然后再通過LDO轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要的3.3 V。DC/DC模塊的輸出電流可達(dá)3 A，兩個(gè)可以輸出6 A的電流，通過LDO后，有5路3.3 V電源，VDD、VDD1和VDD4可以提供最高1 A的電流，用來給微控制器和恒流控制模塊供電；VDD2和VDD3最高可以提供1.5 A的電流，用來給溫度控制模塊供電，能夠讓溫度控制芯片的輸出電流達(dá)到1.5 A < 1.65 A的最高電流，同時(shí)保護(hù)了激光器不受損壞。

輸入電壓通過了保險(xiǎn)絲和P6KE39C，同時(shí)保護(hù)了系統(tǒng)和母線電壓。保險(xiǎn)絲需要選用8～10 A的規(guī)格。

另外，為了保證電源的穩(wěn)定性，在每個(gè)芯片的電源處增加了濾波電容和旁路電容。

1.4 基準(zhǔn)電壓源模塊

基準(zhǔn)電壓源模塊主要為微控制器的A/D、D/A、溫度控制模塊和恒流控制模塊提供參考電壓，原理圖如圖5所示。

該電路提供2.048 V的參考電壓源，保證了激光器兩端的電壓不會超過2.5 V。在-40～125 ℃工作溫度范圍內(nèi)，該參考電壓源的精度最高可達(dá)0.05%。

圖5 基準(zhǔn)電壓源模塊原理圖

1.5 通信模塊

該模塊通過RS-232和RS-422與機(jī)載計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備，原理圖如圖6所示。

通過RS-232與機(jī)載計(jì)算機(jī)通信時(shí)，主要功能為接收機(jī)載計(jì)算機(jī)的命令，通知機(jī)載計(jì)算機(jī)捕獲圖像，并且將激光器的相關(guān)信息，如電壓、電流、溫度等發(fā)送給機(jī)載計(jì)算機(jī)。

1.6 微控制器模塊

微控制器選用了Atmel公司的8位精簡指令集系統(tǒng)的AVR 系列芯片[11-12]。模塊主要包括最小系統(tǒng)電路和外置看門狗電路，原理圖如圖7所示。

圖6 通信模塊原理圖

圖7 微控制器模塊原理圖

該模塊首先通過RS-232與機(jī)載計(jì)算機(jī)通信，接收機(jī)載計(jì)算機(jī)的命令，然后控制激光器發(fā)出脈沖編碼的激光，通知機(jī)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行同步，并且將激光器的相關(guān)信息，如電壓、電流、溫度等發(fā)送給機(jī)載計(jì)算機(jī)。由于該微控制器集成了12位A/D和D/A，因此節(jié)省了成本和電路的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，該模塊要監(jiān)測激光器的電壓、電流和溫度，保護(hù)激光器不受損壞。

另外，上電和程序跑飛時(shí)，微控制器的狀態(tài)是不確定的，無法進(jìn)行系統(tǒng)控制工作。因此需要一個(gè)非屏蔽外部復(fù)位信號[13-14]，將微控制器置入一個(gè)已知的狀態(tài)。為了使系統(tǒng)被復(fù)位信號正確的初始化，復(fù)位信號的脈沖寬度必須至少200 ms。設(shè)計(jì)中采用一片安森美公司的微控制器監(jiān)控電路CAT1832。主要完成以下功能：① 電路上電及異常時(shí)產(chǎn)生一個(gè)長達(dá)250 ms的復(fù)位信號。② 當(dāng)其看門狗輸入端1.2 s仍無變化時(shí)，其看門狗輸出端將變低。這樣當(dāng)CPU程序異常跑飛時(shí)，CAT1832將對其復(fù)位。③ 實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位(地面試驗(yàn)用)，產(chǎn)生至少250 ms的低電平復(fù)位脈沖。④ CAT1832復(fù)位信號和手動復(fù)位都能使CPU復(fù)位。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用有限狀態(tài)機(jī)模型[15]，利用信號流圖的形式來描述。系統(tǒng)軟件的信號流圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件信號流圖

由信號流圖確定的核心任務(wù)主要有：

(1) 通信模塊通過圖8中(11)到達(dá)微控制器，微控制器通過(12)恒流控制模塊，恒流控制模塊通過(13)控制激光器，這時(shí)微控制器通過(13)啟動脈沖編碼模塊，脈沖編碼模塊通過(14)控制機(jī)載計(jì)算機(jī)，激光器通過(14)發(fā)出脈沖式激光，激光照射到目標(biāo)上，目標(biāo)通過(15)將激光反射到CCD相機(jī)上，機(jī)載計(jì)算機(jī)通過(15*)控制CCD相機(jī)進(jìn)行曝光，同時(shí)通過(16*)啟動圖像采集電路采集圖像，圖像數(shù)據(jù)通過(16)進(jìn)入圖像采集電路，再通過(17)進(jìn)入機(jī)載計(jì)算機(jī)， 機(jī)載計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，輸出到相關(guān)的顯示設(shè)備上，同時(shí)通過(19)傳輸給微控制器，由微控制器通過(18)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，并存儲到Flash上，至此，該條信號流完成；該條信號流主要完成通過通信模塊控制敏感器相關(guān)動作。

(2) 通信模塊通過(41)到達(dá)微控制器，微控制器通過(42)到達(dá)Flash，再通過(43)返回到微控制器，最后，通過(44)進(jìn)入到通信模塊，該條信號流主要完成對敏感器保存的數(shù)據(jù)和相關(guān)日志進(jìn)行讀取和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置等功能。

(3) 激光器溫度控制信號流。首先激光器溫度通過(21)進(jìn)入溫度采集模塊，溫度采集模塊轉(zhuǎn)成數(shù)字信號后通過(22)送入微控制器，微控制器處理后通過(23)進(jìn)入溫度控制模塊，最后通過(24)控制激光器溫度。

(4) 激光器脈沖編碼恒流控制信號流。首先激光器實(shí)際電流值通過(31)進(jìn)入激光器電流采集模塊，轉(zhuǎn)成數(shù)字信號后通過(32)送入微控制器，微控制器處理后通過(33)進(jìn)入恒流控制模塊，最后通過(34)控制激光器電流大小及開關(guān)狀態(tài)。

3 脈沖編碼設(shè)計(jì)

脈沖編碼[4,16]的設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)功耗要求、抗干擾性要求、機(jī)載計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和激光器的響應(yīng)速度等。雖然激光器響應(yīng)的最快頻率可達(dá)50 Hz(由恒流控制芯片的脈沖響應(yīng)時(shí)間決定)，但是受到CCD像機(jī)響應(yīng)速度和穩(wěn)定度的影響，最高的脈沖周期為160 ms。計(jì)算方法如下：

CCD像機(jī)采集1幀圖像(1 280×960)的時(shí)間為60 ms，為了保證圖像的穩(wěn)定，需要留出上升和下降時(shí)間，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，上升和下降時(shí)間都為6 ms，因此，保證圖像正確采集的圖像最小保持時(shí)間為60+6×2=72 ms，考慮裕量，設(shè)定上升時(shí)間和下降時(shí)間為10 ms，這樣，采集1幀圖像的時(shí)間為60+10×2=80 ms，所以脈沖編碼的周期為80×2=160 ms，考慮到系統(tǒng)的自身延時(shí)，最高的脈沖周期可達(dá)200 ms(5 Hz)。

本方案脈沖周期默認(rèn)為1 Hz，占空比默認(rèn)為0.5。編碼控制時(shí)序圖如圖9所示。

圖9 脈沖編碼控制時(shí)序圖

3.1 5 Hz脈沖編碼設(shè)計(jì)

5 Hz編碼時(shí)，占空比最低為80 ms/200 ms=0.4，最高為1，考慮到機(jī)載計(jì)算機(jī)圖像處理的方便性，需要在激光關(guān)閉的時(shí)候采集背景圖，最高占空比為120 ms/200 ms=0.6。因此，采用5 Hz編碼時(shí)，占空比的取值范圍為0.4～0.6。本方案占空比可選，占空比默認(rèn)為0.5。

3.2 1 Hz脈沖編碼設(shè)計(jì)

1 Hz編碼時(shí)，占空比最低為80 ms/1 000 ms=0.08，最高為1(連續(xù)發(fā)光)，考慮到機(jī)載計(jì)算機(jī)圖像處理的方便性，最高占空比為920 ms/1 000 ms=0.92。因此，采用1 Hz編碼時(shí)，占空比的取值范圍為：0.08～0.92。本方案占空比可選，占空比默認(rèn)為0.5。

4 實(shí)驗(yàn)測試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用Tektronix TDS3023B型號示波器對1 Hz和5 Hz條件下的激光脈沖波形、激光脈沖上升時(shí)間以及系統(tǒng)控制信號與激光脈沖間的傳輸延遲時(shí)間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。研制的脈沖編碼激光控制系統(tǒng)實(shí)物如圖10所示。

4.1 1 Hz激光實(shí)驗(yàn)

(1) 激光脈沖波形實(shí)驗(yàn)。對1 Hz脈沖周期的檢測，測得的波形如圖11所示。由圖11可知，每個(gè)周期的長度為(0.992 9±2.309 4×10-4)s，相應(yīng)的頻率為(1.007 1±2.342 1×10-4)Hz；高電平的幅值為(0.485 7±0.014 9)V；低電平的幅值為(0.001 9±0.012 1)V。具體統(tǒng)計(jì)信息分比如表1～3所示。

(a) 由原始數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)繪制后的結(jié)果

(b) 示波器波形截圖照片

123平均標(biāo)準(zhǔn)差周期/ms992.8993.2992.8992.90.230 9頻率/Hz1.007 31.006 81.007 31.007 12.342 1E-004

表2 脈沖幅值表

表3 低電平的均值及方差表

(2) 激光脈沖上升時(shí)間實(shí)驗(yàn)。將上升時(shí)間tr定義為脈沖由高電平的10%上升到90%所需要的時(shí)間。高電平為0.485 7 V。實(shí)際拍攝的脈沖上升沿波形如圖12所示。

圖12 激光脈沖上升沿波形照片

采用階次為50的多項(xiàng)式擬合方法，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。擬合結(jié)果如圖13所示。

圖13 激光脈沖上升沿?cái)M合曲線

上升沿實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了5組，得到脈沖上升時(shí)間約為(44.96±7.563 2)μs。各組數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 激光脈沖上升時(shí)間表

(3) 傳輸延遲時(shí)間檢測。傳輸延遲時(shí)間指由控制電壓給出到激光器開始發(fā)光所經(jīng)歷的時(shí)間。由原始數(shù)據(jù)繪制的波形和示波器波形照片如圖14所示。

(a) 傳輸延時(shí)原始數(shù)據(jù)及擬合曲線(b) 傳輸延時(shí)示波器波形照片

圖14 傳輸延時(shí)數(shù)據(jù)波形

將激光脈沖上升到50%最大值的時(shí)刻與控制電壓上升到50%最大值的時(shí)刻的差值定義為延遲時(shí)間, 共采集了3組數(shù)據(jù)，得到傳輸延遲時(shí)間為(5.8±0.1)ms，各組數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 傳輸延遲時(shí)間表

4.2 5 Hz激光實(shí)驗(yàn)

(1) 5 Hz激光脈沖波形實(shí)驗(yàn)。5 Hz脈沖波形實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。共采集了4個(gè)完整的周期，每個(gè)周期的長度為(0.198 6±5.773 5×10-5)s，相應(yīng)的頻率為(5.034 0±0.001 5)Hz；波形中包含有5個(gè)高電平和4個(gè)低電平，幅值分別為(0.457 8±0.016 8)V和(1.4±11.6)mV。具體統(tǒng)計(jì)信息分比如表6～8所示。

(2) 5 Hz激光脈沖傳輸延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)。延遲時(shí)間采用與1 Hz實(shí)驗(yàn)時(shí)相同的定義。其中，激光脈沖最大值時(shí)對應(yīng)的電壓約為0.457 8 V。由原始數(shù)據(jù)繪制的波形和示波器波形照片如圖16所示。

(a) 由原始數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)繪制后的結(jié)果(b) 示波器波形截圖照片

圖15 5 Hz頻率時(shí)的波形圖

表6 波形周期時(shí)間表

表7 脈沖幅值表

表8 低電平的均值及方差表

(a) 傳輸延時(shí)原始數(shù)據(jù)及擬合曲線(b) 傳輸延時(shí)示波器波形照片

圖16 傳輸延時(shí)數(shù)據(jù)波形

由傳輸延遲定義得出5 Hz條件下的傳輸延遲時(shí)間約為5.9 ms。

5 結(jié) 語

研制了用于被動式交會對接敏感器的脈沖編碼激光控制系統(tǒng)。在1 Hz和5 Hz脈沖頻率下，激光脈沖的波形質(zhì)量、上升時(shí)間和傳輸延時(shí)均具有較好的特性，基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的敏感器在室外強(qiáng)光背景下有效測量測量距離達(dá)到了160 m，而且可以很好的濾除太陽光的干擾。