基于FPGA的車載光電系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制與實(shí)現(xiàn)

李寶珺，茹志兵，郭新勝，黨 力，韓 偉

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065）

0 引言

在現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)中，對全天候、多功能光電火控系統(tǒng)的戰(zhàn)場感知能力和目標(biāo)精確打擊的軍事需求進(jìn)一步增加［1］。但搭載系統(tǒng)的坦克、裝甲偵察車等地面作戰(zhàn)車輛在運(yùn)動中總是處于搖擺、顛簸狀態(tài)，為提高系統(tǒng)目標(biāo)精確打擊能力，要求光電觀瞄系統(tǒng)不論在手動操控模式還是自動跟蹤模式下，能保證觀察者清楚地觀察、瞄準(zhǔn)，精確打擊戰(zhàn)場目標(biāo)。為此，光電觀瞄系統(tǒng)通常與穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔、控制手柄組合，形成具有穩(wěn)像功能的、可操控的光電觀瞄裝置。裝置中具有較高獨(dú)立穩(wěn)定精度的轉(zhuǎn)塔消除了車體橫搖、縱顛、側(cè)傾等對瞄準(zhǔn)線的擾動，保持系統(tǒng)圖像穩(wěn)定，以保證瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定性。而操控手柄通過對慣性傳感器速率閉環(huán)控制，可快速、精確地跟蹤、瞄準(zhǔn)打擊目標(biāo)。

當(dāng)車輛快速機(jī)動時(shí)，其搭載的某型光電觀瞄系統(tǒng)的控制手柄輸出的驅(qū)動信號在不經(jīng)過任何電路處理送給系統(tǒng)時(shí)，小角速率（小于0.15 mil/s）精確控制的能力是非常差的，會造成射擊命中率不高。嚴(yán)重時(shí)，甚至出現(xiàn)無法準(zhǔn)確進(jìn)行瞄準(zhǔn)控制的情況。因此，一定要通過必要的輸出特性曲線修正電路改進(jìn)小角速率操控使用性能。

1 光電瞄準(zhǔn)控制曲線修正方法

根據(jù)光電觀瞄系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角速率控制曲線（瞄準(zhǔn)控制特性曲線）的提取、修正主要有兩種方法:

1）當(dāng)系統(tǒng)姿態(tài)發(fā)生變化，作為姿態(tài)量反饋器件的慣性傳感器（系統(tǒng)采用光纖陀螺）會有相應(yīng)角速率輸出，形成與輸出角速率有關(guān)的瞄準(zhǔn)線移動角速率控制曲線，通過修正此曲線完成瞄準(zhǔn)控制特性的修正。

2）光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角度與控制手柄的輸出電壓有關(guān)。當(dāng)控制手柄輸出一定大小的電壓驅(qū)動穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔時(shí)，轉(zhuǎn)塔的陀螺轉(zhuǎn)子會以一定角速率偏轉(zhuǎn)，形成與控制手柄輸出電壓有關(guān)的瞄準(zhǔn)線移動角速率控制曲線，通過修正此曲線完成瞄準(zhǔn)控制特性的修正。

1.1 基于光纖陀螺的光電瞄準(zhǔn)控制特性修正

光纖陀螺是角速率光纖傳感器［2］，在測量物體的姿態(tài)角和角速度上有著廣泛的應(yīng)用。其工作原理是基于薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)，即同一光源在一個(gè)閉合光路中的任意一點(diǎn)發(fā)出兩束特征相同、傳播方向相反的光，匯合在同一點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生干涉。若存在一個(gè)角速度，圍繞垂直于閉合光路所在平面的軸線轉(zhuǎn)動，則沿不同方向傳播的光束會產(chǎn)生一個(gè)光程差，該差值與角速度成正比，可根據(jù)相位差的大小以及它與光程差的關(guān)系，計(jì)算角速度并輸出［3］。相位差ΔΦs與光纖環(huán)圈的旋轉(zhuǎn)角速率Ω有如下關(guān)系［4］:

式（1）中，ΔΦs是Sagnac相位差，L是光纖長度，D是光纖環(huán)圈直徑，是光源平均波長，c是真空中光速。由式（1）可知，Sagnac相位差和光纖環(huán)圈旋轉(zhuǎn)角速率成正比，檢測相位差即可得到對應(yīng)的輸出角速率。光電觀瞄系統(tǒng)正常工作時(shí)，安裝在系統(tǒng)中的光纖陀螺能夠?qū)崟r(shí)感知穩(wěn)定平臺相對于慣性空間的角位移。系統(tǒng)陀螺工作閉環(huán)控制方式來采集角速率，工作原理框圖見圖1。

當(dāng)有外加擾動量時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定平臺內(nèi)的框面與水平、俯仰面出現(xiàn)偏角，光纖陀螺中的轉(zhuǎn)子與殼體之間產(chǎn)生相對偏差，其敏感軸感應(yīng)到有角速率變化，相應(yīng)傳感器產(chǎn)生信號并輸出。校正電路接收后，將產(chǎn)生控制量補(bǔ)償擾動力矩，保持平臺的穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)搭載其上的光學(xué)系統(tǒng)瞄線的穩(wěn)定。因此，可對光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角速率與陀螺輸出角速率建立數(shù)學(xué)關(guān)系。通過修正角速率輸出特性，完成光電瞄準(zhǔn)控制特性修正。

修正的原理就是減小光纖陀螺速率漂移和噪音對角速度估計(jì)誤差的影響。即通過與其他不受漂移影響，且準(zhǔn)確度和可靠性較高的傳感器結(jié)合起來使用。在提供高精度的角速率信息同時(shí)，又可提高測量準(zhǔn)確度，滿足高精度光電轉(zhuǎn)臺動態(tài)測角系統(tǒng)對測角準(zhǔn)確度和測角精度的要求。

圖1 光纖陀螺閉環(huán)工作方式原理框圖

1.2 基于控制手柄的光電瞄準(zhǔn)控制特性修正

控制手柄在車載光電觀瞄系統(tǒng)中是車輛乘員瞄準(zhǔn)鎖定目標(biāo)的關(guān)鍵部件，系統(tǒng)可通過控制手柄完成穩(wěn)定平臺水平、俯仰向的轉(zhuǎn)動控制。當(dāng)控制手柄的輸出電壓驅(qū)動陀螺做相應(yīng)角度的偏轉(zhuǎn)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線會隨其做相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動。因此，光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線移動角速率與控制手柄的輸出電壓可建立一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即輸出一個(gè)固定電壓值，驅(qū)動穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔陀螺轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)360°，計(jì)量相應(yīng)完成時(shí)間，兩者做除可計(jì)算出角速度值，完成相應(yīng)驅(qū)動電壓值與角速率之間的數(shù)學(xué)模型，建立輸出特性曲線，通過修正此特性曲線完成光電瞄準(zhǔn)控制特性修正。

2 光電瞄準(zhǔn)控制特性修正方案選擇與修正模型

2.1 光電瞄準(zhǔn)控制特性修正方案選擇

光纖陀螺是一種高精度角速率陀螺儀，用于穩(wěn)定平臺直接進(jìn)行高精度的角速率測量，是很有吸引力的［5-6］。其具有很高的帶寬和角速度測量精度，以輕易達(dá)到極高的角分辨率。然而，也存在明顯缺點(diǎn)，其輸出不僅受到不相關(guān)隨機(jī)噪音的影響，還受到時(shí)變擾動（隨機(jī)漂移）的影響。當(dāng)利用光纖陀螺的輸出角速率進(jìn)行轉(zhuǎn)角控制時(shí)，隨機(jī)速率漂移在積分中會造成角度誤差隨時(shí)間積累，不利于長時(shí)間的測角應(yīng)用［7-8］及高精度轉(zhuǎn)角控制。

但控制手柄輸出電壓——角速率數(shù)學(xué)模型不存在其上述影響。先修正控制手柄電壓輸入/輸出特性，再通過一定算法疊加至陀螺輸出角速率特性，進(jìn)行控制反饋，形成光電觀瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制可行性方案。因此，采用此方案以達(dá)到系統(tǒng)技術(shù)要求。系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性修正工作原理框圖見圖2。

圖2 基于控制手柄的控制特性修正原理框圖

2.2 瞄準(zhǔn)控制特性修正模型

根據(jù)系統(tǒng)所用控制手柄的工作原理，其輸出電壓是一個(gè)連續(xù)的、模擬的電壓信號，其與光學(xué)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的轉(zhuǎn)動角速度構(gòu)成斜率為1的線性關(guān)系，見圖3中“實(shí)線”。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，雖然控制手柄輸出一個(gè)較小電壓來驅(qū)動光學(xué)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線轉(zhuǎn)動，但瞄準(zhǔn)線會產(chǎn)生較大角速度的移動，不利于車輛靜止或運(yùn)動狀態(tài)下控制瞄準(zhǔn)線對移動目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)。

因此，根據(jù)操控需要，對不同的角速度下的輸出特性要滿足圖3中“虛線”（預(yù)期值），曲線斜率是分段不同，當(dāng)驅(qū)動電壓在（0 V，5 V］內(nèi)，斜率值在（0，0.5］內(nèi)；當(dāng)驅(qū)動電壓在（5 V，10 V］內(nèi)，斜率值在（0.5，1］內(nèi)；當(dāng)驅(qū)動電壓在（10 V，15 V］內(nèi)，斜率值在（1，1.5］內(nèi)；根據(jù)操控指標(biāo)要求完成參數(shù)設(shè)置。

圖3 控制手柄的輸出特性曲線修正前后（預(yù)期）

圖3“虛線”的數(shù)學(xué)模型建立如下:

式（2）中，y是經(jīng)過修正后的輸出特性，x是控制手柄的輸出電壓，θ是控制手柄的扭轉(zhuǎn)角度，k1，k2，k3是特性修正的系數(shù)。

2.3 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路工作原理

系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性非線性修正電路對式（2）的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系是不易實(shí)現(xiàn)的，但可利用存儲器函數(shù)變換技術(shù)。其基本原理是:將存儲器的地址A作為輸入量，與地址A相對應(yīng)存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)作為輸出量D，輸入量A與輸出量D存在一一對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系構(gòu)成一種函數(shù)關(guān)系。即在向各個(gè)存儲單元寫入數(shù)據(jù)時(shí)遵循D=F（A）映射關(guān)系，這樣可使一般的存儲器具有函數(shù)變換功能［9］。修正電路利用此技術(shù)原理將系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性由線性轉(zhuǎn)換為非線性。系統(tǒng)瞄準(zhǔn)控制特性修正電路設(shè)計(jì)方式是將系統(tǒng)可能得到的數(shù)據(jù)所對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)事先存入存儲單元，使復(fù)雜函數(shù)關(guān)系運(yùn)算變成一個(gè)查表操作，忽略復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的估計(jì)不準(zhǔn)確帶來的精度問題。

3 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路的硬件設(shè)計(jì)

修正電路的主控制器是Atmel公司的AT89C2051單片機(jī)。用于數(shù)據(jù)存儲處理的FPGA是Altera公司的CyclonII系列中的EP2C5T144。為提高轉(zhuǎn)換精度，A/D采用12 bit轉(zhuǎn)換芯片。修正電路使用運(yùn)放進(jìn)行A/D前級輸入電壓匹配，用以處理控制手柄輸出的模擬驅(qū)動電壓。A/D將處理后的驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將此作為FPGA中ROM的訪問地址。而ROM中各個(gè)地址對應(yīng)的存儲單元里預(yù)先存入電壓伏值經(jīng)圖3中“虛線”函數(shù)關(guān)系的反函數(shù)D（x）=Φ（V）（Φ代表斜率不同的各段函數(shù)的反函數(shù)）變換后的數(shù)字信號（即修正后的電壓值），通過訪問地址就可從對應(yīng)的ROM存儲單元讀出修正后的數(shù)字信號，作為瞄準(zhǔn)控制修正值。例如，控制手柄輸出7.5 V，經(jīng)運(yùn)放和A/D變換后為12位數(shù)據(jù)，再將這12位數(shù)據(jù)作為地址送入地址線，并在此地址對應(yīng)的單元寫入1.2 V對應(yīng)數(shù)字信號，那么只要控制手柄輸出電壓為7.5 V，就會自動從FPGA的數(shù)據(jù)線輸出1.2 V。修正后的數(shù)字特性疊加陀螺輸出角速率特性后，完成后級控制反饋。瞄準(zhǔn)控制特性修正電路原理圖見下頁圖4。

4 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括:時(shí)序控制程序、FPGA程序開發(fā)。時(shí)序控制程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)程與調(diào)度管理，完成A/D轉(zhuǎn)換、ROM讀取的時(shí)序控制。主控制器主程序工作流程如圖5所示。

FPGA實(shí)現(xiàn)控制核心處理電路工作。程序通過QuartusII軟件進(jìn)行編寫，使用VHDL語言及利用器件內(nèi)含的寄存器單元進(jìn)行控制功能編寫，是整個(gè)修正電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。主要內(nèi)容為選擇、設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器以及狀態(tài)寄存器。因A/D電壓轉(zhuǎn)換精度（12 bit），所以設(shè)計(jì)7FF的數(shù)據(jù)寄存器來保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過解析地址信息選擇寄存器，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)讀寄存器的操作。軟件設(shè)計(jì)見圖6。

圖4 瞄準(zhǔn)控制特性修正電路硬件原理圖

圖5 主控制器主程序工作流程圖（時(shí)序控制）

5 測試數(shù)據(jù)與分析

將瞄準(zhǔn)控制特性修正電路用于某型光電觀瞄系統(tǒng)，采集控制手柄輸出電壓修正前、后的電壓值進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)見下頁表1、下頁圖7、圖8。

圖6 FPGA軟件設(shè)計(jì)原理圖

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)，描繪控制手柄輸出電壓與瞄準(zhǔn)線跟蹤角速度的局部、低速狀態(tài)下的數(shù)學(xué)關(guān)系如圖9所示，修正值滿足系統(tǒng)操控要求的預(yù)期指標(biāo)。

6 結(jié)論

在瞄線控制修正電路設(shè)計(jì)中利用存儲器函數(shù)變換技術(shù)，使瞄線控制特性的修正變得更加靈活，解決了以前必須先建立復(fù)雜數(shù)學(xué)模型、再使用高性能計(jì)算機(jī)才能解決的問題，提高了控制系統(tǒng)中數(shù)字電路的性價(jià)比。但需指出的是，上述修正方案是在逐點(diǎn)數(shù)據(jù)變換基礎(chǔ)上完成的，需要設(shè)置很多點(diǎn)來轉(zhuǎn)換，并在兩點(diǎn)之間采用數(shù)據(jù)平滑處理，使得輸出保證始終連續(xù)、不跳躍。

表1 控制手柄輸出電壓修正前后對比表

圖7 控制手柄輸出電壓修正前的輸出特性曲線

圖8 控制手柄輸出電壓修正后的輸出特性曲線

圖9 輸出電壓修正后與瞄準(zhǔn)線角速度的曲線

此控制特性修正技術(shù)已在某型坦克的光電觀瞄系統(tǒng)上應(yīng)用，通過改善系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔上姿態(tài)慣性器件角速率反饋控制量，完成瞄準(zhǔn)精確控制。當(dāng)坦克車輛快速機(jī)動時(shí)，車上光電觀瞄系統(tǒng)在手動操控模式下，瞄準(zhǔn)線可以根據(jù)工況以小于0.15 mil/s的角速率精確控制，在實(shí)彈射擊試驗(yàn)中得到非常滿意的人機(jī)交互體驗(yàn)。