基于FPGA的無(wú)人機(jī)光電吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
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葉 濤 王 鑒
（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051）
摘要：針對(duì)無(wú)人機(jī)光電吊艙小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，充分利用了FPGA的硬件資源，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的光電吊艙控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在減小控制板工裝尺寸的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可取代傳統(tǒng)的FPGA和DSP聯(lián)合設(shè)計(jì)的光電吊艙控制系統(tǒng)。詳細(xì)描述了FPGA控制系統(tǒng)硬件組成，提出了多環(huán)路控制回路設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)增量式PI控制算法。最后，通過(guò)搖擺臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。
關(guān)鍵詞：FPGA光電吊艙無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別圖像跟蹤多環(huán)路控制回路VHDL增量式PI
中圖分類號(hào)：TH -3；TP273 DOI：10. 16086/j．cnki．issn 1000 - 0380. 201606012
0 引言
光電吊艙系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的光機(jī)電系統(tǒng)，其主要作用是隔離載體的擾動(dòng)、保持視軸穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別與跟蹤。光電吊艙的有效載荷根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同而采用不同的組合搭配。對(duì)于無(wú)人機(jī)光電吊艙而言，一般搭載的光電任務(wù)載荷包括數(shù)碼相機(jī)、可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測(cè)距儀等。
本文研究的無(wú)人機(jī)光電吊艙系統(tǒng)采用兩框架兩軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)。光電吊艙控制系統(tǒng)采用FPGA作為平臺(tái)處理芯片，充分利用FPGA的硬件資源和現(xiàn)有的IP核，在實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)板小型化的同時(shí)，確�？刂葡到y(tǒng)在穩(wěn)定平臺(tái)上達(dá)到較高的穩(wěn)定精度和穩(wěn)定性。
1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理
光電吊艙控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由FPGA、MEMS陀螺、角度傳感器、電流傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、力矩電機(jī)、測(cè)控和飛控計(jì)算機(jī)等組成。
根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)，各個(gè)模塊主要完成以下功能。
(1) FPGA主控單元。FPGA主要功能包括：①根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議，完成各個(gè)模塊數(shù)據(jù)的采集；②負(fù)責(zé)各個(gè)模塊數(shù)據(jù)交換的同步控制，確保數(shù)據(jù)交換的可靠性；③根據(jù)采集的角度信息，模擬無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向；④完成電流回路、陀螺穩(wěn)定回路、位置回路、圖像跟蹤回路的PI控制計(jì)算，以及電機(jī)控制量PWM的輸出；⑤預(yù)留資源實(shí)現(xiàn)圖像跟蹤器設(shè)計(jì)，計(jì)算圖像的脫靶量。
由于系統(tǒng)需要完成大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和其他的邏輯控制，對(duì)FPGA的資源性能要求比較高。因此，本系統(tǒng)選用altera公司stratixⅣ系列的EP4SE530芯片。該芯片除了擁有53萬(wàn)邏輯門外，還擁有高達(dá)600 MHz可配置為9 x9位、12×12位、18×18位、36×36位全精度乘法器的高速DSP模塊，滿足任務(wù)要求。同時(shí)，該芯片還為后續(xù)的圖像融合功能預(yù)留有足夠的資源。
(2) MEMS陀螺模塊。MEMS陀螺作為角速率敏感元件，安裝在俯仰框架的穩(wěn)定平臺(tái)上，敏感載體及其他干擾因素使載荷產(chǎn)生相對(duì)慣性空間的擾動(dòng)角速率。本系統(tǒng)選用數(shù)字量輸出、RS - 422接口的MEMS陀螺。FPGA可以模擬RS - 422接口協(xié)議，完成對(duì)MEMS陀螺的數(shù)據(jù)采集。
(3)角度傳感器模塊。角度傳感器數(shù)據(jù)采集包括三個(gè)部分：①利用FPGA的IP核中的NCO模塊產(chǎn)生正弦波數(shù)字量，送給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)放大器后生成旋轉(zhuǎn)變壓器激磁信號(hào)；②FPGA生成RDC控制時(shí)序，輸出控制信號(hào)，完成對(duì)RDC的數(shù)據(jù)采集；③根據(jù)采集的旋變角度模擬電機(jī)的霍爾信號(hào)。
(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路可以分為三個(gè)部分：①生成換向表，驅(qū)動(dòng)電路中的CPLD根據(jù)霍爾信號(hào)生成三相直流無(wú)刷電機(jī)換向表；②光電隔離，將強(qiáng)電信號(hào)和弱點(diǎn)信號(hào)隔離，以防止強(qiáng)電信號(hào)對(duì)弱點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生干擾；③功率放大電路，將PWM控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成可直接驅(qū)動(dòng)框架直流無(wú)刷力矩電機(jī)的信號(hào)。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制方案如圖2所示。圖2中：EN表示電機(jī)使能信號(hào)，控制俯仰和方位電機(jī)的工作狀態(tài)。
(5)力矩電機(jī)。在穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先要對(duì)電機(jī)的力矩需求進(jìn)行估算，用來(lái)指導(dǎo)電機(jī)選型。平臺(tái)各軸上的力矩電機(jī)除了抑制軸承引起的摩擦力矩、質(zhì)量偏心靜不平衡力矩等于擾力矩外，還需為系統(tǒng)提供最大的角加速度指標(biāo)。通過(guò)建立模型，估算出俯仰軸的力矩要求為0.45 N. m，方位軸的力矩要求為0.6 N．m，因此系統(tǒng)選用的直流無(wú)刷力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩為1.2 N. m。
2多環(huán)路控制回路設(shè)計(jì)
多控制回路的設(shè)計(jì)是為了使光電穩(wěn)定系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度和抗干擾能力。其控制回路包括目標(biāo)跟蹤回路、姿態(tài)鎖定回路、陀螺穩(wěn)定回路和電流回路。平臺(tái)的控制信號(hào)Ctrl控制著光電吊艙的工作狀態(tài)。當(dāng)Ctrl為1時(shí)，光電吊艙工作于目標(biāo)跟蹤狀態(tài)；當(dāng)Ctrl為0時(shí)，光電吊艙工作于姿態(tài)鎖定狀態(tài)。多環(huán)路控制回路的原理圖如圖3所示。
控制回路是圖像跟蹤回路還是姿態(tài)鎖定回路。各個(gè)回路的作用如下。①電流回路：由電流傳感器形成負(fù)反饋，以減小電流電壓波動(dòng)的影響，提高控制力矩的線性度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的平穩(wěn)控制，使之不發(fā)生突變。②陀螺穩(wěn)定回路：陀螺穩(wěn)定回路用于抑制旋轉(zhuǎn)軸上的干擾角速率，確保平臺(tái)光電載荷的光軸在慣性空間保持穩(wěn)定。③目標(biāo)跟蹤回路：目標(biāo)跟蹤回路是在陀螺穩(wěn)定回路的基礎(chǔ)上引入的，利用圖像跟蹤算法始終鎖定光電載荷視場(chǎng)中的目標(biāo)，并將目標(biāo)脫靶量送給伺服控制器，執(zhí)行跟蹤回路控制計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果帶入陀螺穩(wěn)定回路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)光電載荷旋轉(zhuǎn)；執(zhí)行目標(biāo)跟蹤運(yùn)動(dòng)，使目標(biāo)始終保持在光電載荷視場(chǎng)中心。④姿態(tài)鎖定回路：姿態(tài)鎖定回路根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)輸入的控制指令調(diào)整平臺(tái)的姿態(tài)角，將平臺(tái)兩框架軸鎖定到特定的角度，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)框架角度置零或進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)的功能。
3 FPGA控制算法實(shí)現(xiàn)
3.1 PI控制算法
由于機(jī)載光電吊艙的特殊工作環(huán)境，受風(fēng)阻力、飛機(jī)姿態(tài)的變化、機(jī)載振動(dòng)等影響，許多參數(shù)都是時(shí)變的，因此選用PI控制策略。PI控制調(diào)節(jié)既具有比例調(diào)節(jié)作用反應(yīng)快、無(wú)滯后的優(yōu)點(diǎn)，又具有積分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，可以消除靜差。對(duì)于調(diào)節(jié)對(duì)象而言，選擇合適的比例帶和積分時(shí)間，基本可以滿足系統(tǒng)要求。
多閉環(huán)回路的PI控制主要包括位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制。位置環(huán)回路通過(guò)通信模塊，從上位機(jī)獲得參考位置信息，與RDC反饋的實(shí)際位置信息作差得到誤差量；誤差量作為位置環(huán)路PI輸入，位置環(huán)路PI輸出為速度環(huán)參考輸入。速度控制器從位置控制器獲得無(wú)刷電機(jī)速度參考信號(hào)，與MEMS陀螺反饋的實(shí)際速度信號(hào)同時(shí)輸入速度控制器，其輸出為電流環(huán)輸入。電流控制器從速度控制器獲得無(wú)刷直流電機(jī)電流參考信號(hào)，與反饋的實(shí)際無(wú)刷直流電機(jī)三相電流信號(hào)同時(shí)輸入電流控制器，速度控制器通過(guò)PI運(yùn)算控制，輸出PWM信號(hào)。其中PI控制結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。
在實(shí)際應(yīng)用中，為了縮短開(kāi)發(fā)周期、提高系統(tǒng)可靠性，大多采用數(shù)字式PI控制器。將連續(xù)的PI控制算法進(jìn)行離散化處理后，得到位置式PI控制算法。
對(duì)比增量式和位置式PI算法的數(shù)學(xué)模型可知：位置式PI算法的輸出量μ（k）是對(duì)過(guò)去所有狀態(tài)偏差量的累加；增量式PI算法只與當(dāng)前狀態(tài)和前一時(shí)刻的狀態(tài)偏差有關(guān)，避免了誤差累加。而在多環(huán)路PI控制算法中，需要對(duì)位置、速率、電流等信號(hào)進(jìn)行采樣，每次采樣都會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)誤差和外界干擾引起的誤差。因此，在光電吊艙的控制器中，增量式PI控制算法更適用。
3.2增量式PI控制器的VHDL實(shí)現(xiàn)
在算法實(shí)現(xiàn)的早期階段，必須仔細(xì)考慮更適合算法實(shí)現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)是定點(diǎn)數(shù)還是浮點(diǎn)數(shù)。就FPGA系統(tǒng)而言，采用定點(diǎn)數(shù)意味著更高的速率和更低的資源消耗；采用浮點(diǎn)數(shù)則具有更好的動(dòng)態(tài)范圍且不需要轉(zhuǎn)化，這為實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的算法提供了便利。
綜合考慮系統(tǒng)資源、速率和精度等要求，本系統(tǒng)算法中數(shù)據(jù)的表達(dá)．選擇定點(diǎn)數(shù)。定點(diǎn)數(shù)由整數(shù)和小數(shù)部分組成，由于小數(shù)部分被固定在某處，因此被稱作定點(diǎn)數(shù)。
在未指明小數(shù)點(diǎn)的位置時(shí)，一般規(guī)定在最低位的右邊，這時(shí)的定點(diǎn)數(shù)就變成了整數(shù)。
定點(diǎn)數(shù)增量式PI控制器的VHDL實(shí)現(xiàn)可以劃分為如下步驟：①誤差量求�。虎谟蟹�(hào)定點(diǎn)數(shù)乘積；③位權(quán)對(duì)階相加處理；④有效位的截取�？紤]到系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)精度，要求先將增量式PI算法的控制系數(shù)轉(zhuǎn)化成24位定點(diǎn)數(shù)，然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的乘法加法器得出PI算法的比例和積分項(xiàng)，最后通過(guò)48位加法器完成一次PI算法的計(jì)算�？紤]到FPGA的資源和處理性能，須刪除數(shù)據(jù)冗余，即進(jìn)行對(duì)階和截位處理。
增量式PI算法時(shí)序仿真結(jié)果穩(wěn)定，無(wú)跳數(shù)等情況。
4試驗(yàn)結(jié)果
4.1 穩(wěn)定精度測(cè)試方法
在試驗(yàn)的搖擺臺(tái)上安裝好待測(cè)試的巡檢光電吊艙，使兩者的方位軸重合。在距離光電吊艙3m處放置一塊白色靶板，在靶板的中心處標(biāo)記一個(gè)黑色靶標(biāo)。在圖像跟蹤狀態(tài)時(shí)，可見(jiàn)光攝像機(jī)處于最小視場(chǎng)角，靶標(biāo)位于視場(chǎng)中心；當(dāng)圖像的脫靶量輸出為零時(shí)，斷開(kāi)圖像跟蹤回路，此時(shí)脫靶量正常輸出。開(kāi)始啟動(dòng)搖擺臺(tái)，搖擺臺(tái)的方位軸和俯仰軸均以幅值為50、頻率為0.4 Hz進(jìn)行搖擺。脫靶量數(shù)據(jù)輸出頻率為25 Hz。記錄50個(gè)搖擺周期。穩(wěn)定精度的計(jì)算公式如下：
直方向脫靶量的最小值和最大值；C為角度和弧度之間轉(zhuǎn)換系數(shù)。對(duì)50個(gè)搖擺周期求取均值，可以得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。
4.2試驗(yàn)結(jié)果
圖4分別為方位和俯仰的穩(wěn)定精度曲線圖。
以5組搖擺試驗(yàn)測(cè)試穩(wěn)定精度，結(jié)果如表1所示。對(duì)連續(xù)5組搖擺試驗(yàn)，每次50個(gè)搖擺周期的穩(wěn)定精度和穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。結(jié)果表明，方位軸和俯仰軸的穩(wěn)定精度控制優(yōu)于2.5 mrad，可實(shí)現(xiàn)視頻圖像的穩(wěn)定輸出。
5結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)無(wú)人機(jī)光電吊艙的小型化、輕量化的趨勢(shì)，研制了采用單FPGA作為控制核的無(wú)人機(jī)光電穩(wěn)定吊艙控制系統(tǒng)。分析了光電吊艙的組成及各個(gè)組成模塊的工作原理，描述了多控制回路實(shí)現(xiàn)過(guò)程及各個(gè)回路在控制系統(tǒng)中的作用，同時(shí)解釋了增量式PI控制算法及VHDL的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最后，通過(guò)搖擺臺(tái)的試驗(yàn)室測(cè)試，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。
