高精度光电稳定平台的控制系统设计

摘要：高精度光电稳定平台主要由两轴转台、平台稳定控制系统、CCD及光纤陀螺组成，光电平台稳定控制系统利用CCD的脱靶量反馈的进行位置闭环，利用光纤陀螺的反馈进行速度闭环，隔离载体角运动对视轴的扰动，实现稳定跟踪，从而实现了高精度的测量。本文采用了DSP28335 设计了视轴稳定的硬件系统，分析了视轴稳定的控制原理，并建立了视轴稳定控制系统的数学模型。

关键词：光纤陀螺 视轴稳定 DSP 28335

中图分类号：TJ83 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00

1引言

光电稳定平台用于车载、舰载及空载等光电成像设备对运动目标进行精密跟踪和测量，主要作用实现对载体相对惯性空间的干扰有效隔离，在此基础上对目标的位置进行精确的跟踪测量。光电稳定平台的核心是陀螺稳定装置，主要功能是隔离载体角运动对视轴的扰动，使安装在载体上光学传感器的视轴在惯性空间内保持稳定，使光电成像设备能够获得清晰的成像、实现稳定跟踪进而实现高精度的测量。

高精度的光电稳定平台主要由双轴视轴稳定平台和视轴稳定控制系统组成。

2双轴陀螺稳定平台结构配置

双轴陀螺稳定平台的结构配置示意图如图1所示，由方位框架和俯仰框架组成，CCD相机固定在俯仰框上，视轴的方向为Y轴。俯仰框通过支撑轴X固定在方位框上，在支撑轴的一端装有测速元件光电编码器，在另一端装有力矩电机。两个单自由的速率陀螺和装在俯仰框上，主要测量陀螺稳定平台相对于惯性空间的角速率。

3 视轴稳定控制硬件设计

视轴稳定控制系统主要由伺服控制主板、电视图像跟踪器、电机驱动模块等几部分组成，系统原理框图如图2所示。

图2 视轴稳定控制系统原理图

本视轴控制系统的核心控制电路采用美国TI公司的DSP 28335芯片，该芯片属于浮点型的数字处理芯片，能够完成高实时性要求的运算，具有大容量的SRAM内存和FLASH程序存储器，FPGA芯片选用Cyclone公司的EP1C12Q240C8，它的功能主要用来完成整个视轴稳定控制系统的逻辑控制，完成A/D等芯片的选通、PWM调宽波的产生等功能，此芯片的应用使硬件的处理电路设计具有很高的灵活性。

4 视轴稳定控制系统控制原理

视轴稳定控制系统的控制原理框图如图3所示，由陀螺速度内环和位置环组成。陀螺速度内环由 框架负载、功率放大器、速率陀螺及速度调节器组成，位置环即跟踪环，由电视跟踪器、位置调节器、速度环以及编码器组成。陀螺速度内环的反馈元件为速度陀螺，用来测量框架的角速度，框架的角速度包含了设备跟踪目标时需要的角速度和载体运动的角速度两个方面，当陀螺检测到相应的角速度时，就会产生电压信号，电压信号与输入的目标位置的信号相比较，得到了位置环的输入信号，经过位置环的调节器运算，产生了控制电机运转的调宽波信号，从而使电机输出了力矩来抵抗由于载体运动产生的干扰力矩，从而实现视轴稳定。

5 视轴稳定控制系统的数学模型

根据视轴稳定控制系统的原理图，将各环节的传递函数带入到各个环节中，便可以得到到伺服系统的数学模型图4所示。

图4 视轴稳定控制系统的数学模型

在上图中，G1（s）为速度回路调节器，G2（s）为位置回路调节器，Kf为陀螺低通滤波器的比例系数，Tf为陀螺低通滤波器的时间常数。ωb为载体运动对视轴产生的影响，影响系统视轴稳定的干扰力矩的拉氏变换式为Md（s）。

6 结语

本文基于双轴光纤陀螺稳定平台，设计一套视轴稳定控制系统，控制系统硬件采用DSP 28335 +FPGA 的核心控制电路，使控制系统具有高实时性和高精度的运算能力，同时，本文通过对视轴稳定控制系统的原理分析，建立了控制系统的数学模型。

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