多功能通用平台系统工程介绍

1、第六章 多功能通用平台系统工程预研工作最后的成品是一个实验装置，不是一个完整的系统，它离真正的应用有一定的差距，除了第五章所述的几个问题之外，主要体现在：双轴稳定。由第二章可以得知，采用双轴平台时，因为在滚转方向的角运动没有被隔离，所以CCD相机的镜头随着基座的摇摆而滚动，其敏感的图象也是摇摆的，这样获取的图像仍然是不清晰的，在一些视线稳定应用领域，这是有局限性的。要克服这一点，就必须再加一个框架，设计三轴稳定平台。但是用户的要求是多种多样的，在有的应用领域双轴平台也足够。在多样化的应用条件下，如何在较短的时间内，提供满足不同应用领域的视线稳定系统，是摆在设计者面前的问题。在前面的工作基础之上

2、，笔者提出了一个工程项目上的解决方案多功能通用平台系统工程（Multi-Function Universal Platform System，MFUPS）。6.1 功能定位MFUPS将将是一套通用用的机电系统统。根据以前前的工作，估估计在整个工工程项目完成成之后，MFFUPS将具具有以下功能能有：采用模块化设计计方法，云台台可以拆卸，可可以根据实际际需要组成双双轴或三轴环环架系统。云台本体可以安安装在静基座座上，加上定定制的控制系系统装置后就就可作为静基基座的定向系系统和跟踪测测量云台。当在台体上安装装光纤陀螺仪仪，加上可选选的控制系统统装置后可以以作为高可靠靠的双轴或三三轴稳定平台台。可以安

3、放放在车辆、船船舶与空间飞飞行器上，用用于各种不同同规格、不同同重量负载的的稳定、隔振振和定向。当在台体上安装装CCD镜头头，加上定制制的伺服控制制系统装置与与CCD图像像检测系统就就可以作为视视频跟踪与测测量系统，如如经纬仪装置置。当在台体上安装装CCD镜头头与光纤陀螺螺仪，加上可可选的伺服控控制系统装置置与CCD图图像检测系统统，就可以作作为机载、车车载、船载的的CCD目标标跟踪与测量量系统。由以上可以看到到，MFUPPS是一个高高性能、多功功能的运动控控制系统，研研制成功后，它它将在军事、民民用领域中有有广泛的应用用前景。其主主要用途：静基座跟踪测量量装置，作为为高可靠性的的经纬仪；高精

4、度、高可靠靠双轴或三轴轴负载自适应应稳定平台；高可靠的坦克、武武装直升机瞄瞄准线稳定跟跟踪系统；高性能、高可靠靠的动基座电电视图像跟踪踪系统；天线指向稳定系系统。6.2 基本考考虑可以采用多种控控制方式：遥控方式（reemote contrrol）手柄控制方式(joysttick ccontrool)计算机控制方式式(compputer basedd conttrol)以上控制装置可可依据具体的的应用来由用用户定制。并并利用适当的的控制方法对对不同的负载载实现自适应应控制。可靠性保证：元件保证采用无刷直接驱驱动电机作为为执行电机，采采用无机械转转子的光纤陀陀螺作为稳定定的传感器。无无刷电机和光

5、光纤陀螺的平平均无故障时时间远比有刷刷电机和机械械陀螺要长，维维护也简单，对对工作环境的的要求低。结构设计保证可靠的安全保护护措施，采用用滑刷实现平平台外环连续续旋转，这样样可以从根本本上防止平台台在意外情况况下出现安全全事故。采用限位开关和和挡块结构实实现内环或滚滚转环的两级级安全保护。急停处理。当出出现事故时，采采用硬件方法法使系统自动动停止伺服，从从而使事故造造成的损坏降降低到最低程程度。容错的控制系统统设计和完善善的软件故障障诊断采用数字控制和和模拟控制相相结合的方法法，当一种控控制方法失效效或出现故障障时，另一种种控制仍然可可以使系统连连续工作。由由此带来的另另外一个好处处是：模拟控

6、控制可以使伺伺服系统达到到很高的刚度度保证控制的的平滑性，并并且一旦计算算机程序控制制失效（如计计算机死锁时时）时仍可有有效的实现系系统的安全控控制，而利用用数字控制则则可以对系统统进行可靠的的程序监控和和各种基于解解析冗余的容容错控制和故故障诊断算法法，从而降低低硬件冗余处处理电路带来来的额外成本本。采用软件和硬件件故障诊断相相结合的办法法，实现系统统的在线故障障诊断和处理理。集成化的解决方方式与模块化化、系列化的的处理相结合合实现系统的的通用化和多多功能。集成化的解决办办法：基于DSP/AASIC集成成化电子电路路实现云台运运动的精密规规划和高速控控制。这样可可以缩小电路路系统的体积积。采

7、用小体积驱动动器的无刷直直接驱动电机机作为系统的的执行器。采用双轴或三轴轴小体积光纤纤陀螺仪作为为平台稳定的的传感器。模块化处理：平台环架的模块块化处理：一一般来说，应应用于实际的的平台系统为为两轴或三轴轴的，为了面面向用户及时时推出用户需需要的平台系系统，采用模模块化处理，即即在两轴平台台的基础之上上，第三轴配配置是可以拆拆卸的。也就就是说：平台台既可以进行行三轴配置，又又可以作为两两轴配置。最最终将实现平平台的通用性性和多功能。控制装置的模块块化处理：采采用DSP/ASIC电电路作为底层层运动控制器器，IPC通通过远程串行行数字接口或或者专门遥控控电路作为远远距离监控和和数据处理。监监控计

8、算机、底底层控制电路路，遥控电路路、手柄控制制电路分别按按功能模块化化。系列化处理：模模块化解决一一定重量和尺尺寸档次下不不同功能（如如：动基座摄摄像机要求33轴稳定，激激光器、天线线要求双轴稳稳定）负载的的要求，为了了满足不同档档次尺寸和重重量的负载的的要求，需要要将产品系列列化，以适应应不同档次负负载的要求，以以保证平台结结构的紧凑。高动态性能以满满足重负载稳稳定刚度要求求。这由所选选的光纤陀螺螺的输出特性性保证。采用模拟输出光光纤陀螺，其其数字化电路路由用户定制制。这样可以以保证系统性性能的优化。6.3实体配置置根据不同级别别和应用场合合的要求，MMFUPS分分为三个主要要实体，每一一个

9、实体面向向一类具体的的应用，其基基本功能逐渐渐完善和全面面：1. 手柄控制制云台（用于于静基座跟踪踪架和定位定定向系统）云台系统的主主要部件有：环架三轴或者双轴环环架，模块化化体制，各个个环架可拆卸卸。主机（IPC）为性能可靠的小小体积工业用用PC机。主主机接收操作作者的指令（通通过手柄和键键盘），将其其送至运动控控制卡，实现现操作者对系系统的有效监监控和干预。同同时，主机接接收运动控制制卡传来的系系统的运行信信息，经过处处理后提供给给操作者，为为操作者的决决策提供依据据。精密运动控制卡卡控制电路核心为为高性能DSSP，为了缩缩小电路体积积，采用在系系统可编程逻逻辑器件作为为运动控制DDSP的

10、外设设和数字I/O扩展。采采用性能可靠靠的串行传输输方式（如RRS-2322/485接接口形式）。对对模拟接口电电路作特殊处处理，保证电电磁兼容性能能在允许的范范围之内。运动控制卡的任任务是接收从各个端口口（模拟端口口和数字端口口）传送来的的传感器数据据（如码盘、陀陀螺、接近开开关等）和系系统运行状态态信号，经过过分析和处理理后，做出决决策，送给各各类执行器（电电机和开关），从从而实现云台台平稳安全的的运动轨迹规规划和控制。通过遥控接口电电路或串行接接口电路接收收主机传送来来的指令，实实现人对系统统有效的运动动监控。同时时，将一些感感兴趣的数据据送至主机，供供主机作进一一步的处理。无刷直接驱动

11、电电机手柄及手柄接口口电路操作者可以通过过手柄，改变变云台的方位位，实现对云云台上的相机机手动定位定定向。2. 稳定平平台（用于动动基座跟踪架架或定位定向向系统）云台双轴或三轴光纤纤陀螺陀螺信号调调电电路基于稳定平台的的CCD电视视图像跟踪系系统（用于动动基座机动目目标的跟踪与与识别）图6-1 动基基座CCD目目标跟踪测量量系统Figure 6-1 CCCD taarget trackking & meassuremeent syystem with movinng basse-fouundatiion整个系统的结结构如图6-1所示。可可以看到，系系统由如下几几部分组成：三轴稳定平台CCD摄像

12、机CCD视频处理理系统6.4 主要技技术问题台体机械结构设设计台体的机械设计计将是MFUUPS的一个个难点。如何何在保证定位位精度的前提提下，达到平平台框架模块块化、三轴可可配置是系统统设计中的一一个技术问题题。模块化的的实现方法是是：根据系统统应用的场合合与系统的分分析各种误差差源，将对控控制系统精度度的要求、机机械设计和应应用的需求有有机的结合起起来，合理的的分配机械设设计、控制系系统、元器件件的误差要求求。在工程立立项后，可通通过合理调配配误差在机械械设计、控制制系统中的分分配，使系统统在各方面的的要求得到综综合的考虑，从从而实现模块块化的要求。运动控制电路设设计运动控制电路是是系统的核

13、心心电子装置，它它将完成系统统的各种运动动规划和控制制，对运动控控制电路的基基本要求是：体积小，集成化化程度高。可可以采用一体体化的嵌入式式DSP和可可编程ASIIC电路与采采用多层PCCB板体制来来实现。可靠性高，接口口方便。模块化设计，以以能及时满足足实际要求，配配上不同的功功能模块电路路，降低成品品成本。光纤陀螺仪输出出信号处理光纤陀螺仪可靠靠性极高，平平均无故障时时间要比机械械陀螺长100倍以上，但但是输出噪声声大，温度特特性差。因此此，利用其组组成数字控制制器之前，需需要对其作特特殊处理，也也就是说，一一是要补偿其其温度特性，二二是要采取一一定手段将其其降低噪声对对系统的影响响。负载

14、自适应的三三轴稳定MFUPS是在在负载大变动动的前提下，仍仍能保证负载载稳定的指标标要求。前面面已经提到，当当负载变动时时，引起系统统多方面的改改变：包括框框架转动惯量量、谐振频率率、摩擦非线线性特性。因因此，需要设设计后的控制制系统对这些些改变有很强强的自适应性性。CCD目标识别别在CCD电视图图像跟踪系统统中，需要对对截获的图像像信息进行处处理，从中提提取目标信号号，得到目标标的方位信息息，从而为目目标跟踪提供供依据。目前前，在简单背背景中的低速速目标的跟踪踪问题已经基基本成熟，在在复杂背景中中捕获固定目目标和低速运运动物体也可可以通过图像像匹配的方法法来解决。但但是对于复杂杂背景下的机机

15、动目标的识识别，需要更更深入的研究究的技术研究究。CCD机动目标标跟踪高机动目标跟踪踪的特点是：要求跟踪的的目标角速度度与角加速度度范围大，对对跟踪系统的的实时性要求求高。由于目目标的机动变变轨，而高分分辨率的CCCD相机视场场一般非常窄窄，因而很可可能由于图像像处理速度和和跟踪速度的的限制导致目目标的丢失。因因此，如何设设计跟踪算法法，保证精度度要求的同时时又尽可能的的保证跟踪的的实时性，是是需要处理的的又一大技术术问题。容错控制和故障障诊断容错控制和故障障诊断将作为为平台设计的的一个基本出出发点贯穿设设计的始终。由由于MFUPPS是一个安安全性要求很很高的精密运运动控制系统统，故在设计计中对其容错错性应该作最最慎重的考虑虑。如何设计计出良好的容容错控制系统统以及故障诊诊断处理程序序，保证系统统在各种环境境下正常运行行，是工程首首要需要考虑虑的技术问题题。6.5 本章小小结本章作为后续工工程的一个