數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing,簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

　　光學探測陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)作為一種高的瞄準線穩(wěn)定系統(tǒng)，其重要功能是隔離載體角運動，使探測器在慣性空間內保持穩(wěn)定；能夠響應指令信號。可實時對地面敏感地區(qū)進行監(jiān)視，執(zhí)行晝夜監(jiān)視、海岸巡邏、戰(zhàn)場偵查等特定任務。

　　1 系統(tǒng)結構與設計指標

　　1.1 系統(tǒng)結構

　　系統(tǒng)主要由平臺部件、電子部件、顯控部件三部分組成。

　　平臺部件包括框架、俯仰/方位電機、大/小視場CCD、激光測距儀、俯仰/方位旋轉變壓器（以下簡稱旋變）。CCD攝像機安裝于相互正交的內、外兩個框架上，由兩個力矩電機控制可以在航向和俯仰兩個自由度的方向上掃描。

　　電子部件包括系統(tǒng)主板、電視跟蹤器、電機驅動及數(shù)據(jù)采集保持電路。電子部件根據(jù)系統(tǒng)的要求對系統(tǒng)的航向、水平、俯仰、橫滾和方位進行修正和補償控制。

　　顯控部件包括控制盒、工控機。主要用于顯示由CCD攝像機攝入的圖像及系統(tǒng)狀態(tài)信息，并完成搜索、鎖定、解鎖等操作。

　　1.2 系統(tǒng)主要設計指標

　　穩(wěn)定軸相關設計指標如下：方位、俯仰軸角速度大于40°/s,方位、俯仰軸角加速度大于60°/s2.

　　靜態(tài)下對不大于3 000gcm的擾動力矩，角度波動不大于30″且穩(wěn)定后無靜差。

　　穩(wěn)定隔離技術指標為：搖擺臺在擺幅為3°、頻率為1Hz的正弦擾動下，平臺俯仰通道擺幅應小于2′；搖擺臺在擺幅為2°、頻率為1Hz的正弦擾動下，穩(wěn)定平臺方位通道擺幅應小于2′。

　　2 控制系統(tǒng)設計

　　當平臺受到載體的運動干擾時，如果光軸作用點距離較遠，即使相對慣性空間產生很小的誤差角偏移，也會使遠距離外的跟蹤點脫離視場。

　　在一般的速率反饋方案中，校正環(huán)節(jié)選用PID校正僅能實現(xiàn)系統(tǒng)角速度無靜差，不能實現(xiàn)角度無靜差。如果要讓系統(tǒng)角度輸出無靜差，則需要在校正環(huán)節(jié)中含有雙重積分環(huán)節(jié)，因此設計了在速率陀螺反饋的基礎上采用PII2校正環(huán)節(jié)的控制方法。模型簡化后的穩(wěn)定回路控制框圖如圖1所示。

　?。?） 主導極點：必須滿足特征多項式中一對具有復實部的共軛復根為系統(tǒng)的主導極點，應滿足α>5.

　　采用極點配置的方法來確定（比例-積分-二重積分）校正環(huán)節(jié)的三個系數(shù)，可得：

　　kp=7.2,ki=245,ki2=6 500,根據(jù)上述參數(shù)，施加一個1 000gcm的干擾力矩，在MATLAB中仿真的結果顯示系統(tǒng)調節(jié)時間及角度靜差均滿足要求，但系統(tǒng)超調過大。同時系數(shù)放大三倍后復實軸上的極點更加遠離共軛復根，從而使得共軛復根的主導極點的地位更為加強，系統(tǒng)的特性更接近設計期望的特性。

　　在系統(tǒng)反饋控制中，內環(huán)是一個力矩電機的電流環(huán)，用于輸出穩(wěn)定無差的轉矩。次內環(huán)為框架慣性速率環(huán)，外環(huán)為位置跟蹤環(huán)。慣性速率環(huán)的反饋元件為速率陀螺，測量框架相對于慣性空間的角速率。位置跟蹤環(huán)由旋變來完成角度的測量。在本陀螺穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)中， 電機的控制模式采用轉矩控制模式，使轉矩（電流）環(huán)的輸出電流值與閉環(huán)的輸入電壓給定值成比例關系，這樣可以顯著提高慣性速率環(huán)的控制效果，從而提高穩(wěn)定。

　　3 系統(tǒng)硬件設計

　　控制器選用TI公司TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器，采用模塊化主計算機板、顯示控制板、A/D 板、R/S 板及圖像跟蹤板。系統(tǒng)資源有一定冗余度，提高了系統(tǒng)的可靠性。總體擴展框圖如圖3所示。

　　3.1 陀螺信號輸入接口

　　陀螺選用俄羅斯Fizoptika公司的光纖陀螺VG941-3AM,用于測量負載框架相對于慣性空間的角速率，輸出模擬電壓信號（0~3V），陀螺信號通過信號處理電路轉成與A/D 芯片匹配的輸入電平。

　　3.2 直流力矩電機伺服驅動接口

　　電機功放電路選用IR公司的電機驅動芯片IR2104.IR2104是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅動器，工作電壓10~20V.系統(tǒng)使用兩片IR2104控制四片N溝道的IGBT（IRF540N）組成一個全橋驅動電路控制一臺直流力矩電機。電機驅動接口如圖4所示（僅畫出一路）。

　　3.3 旋轉變壓器信號接口

　　在本系統(tǒng)中，選用DDC公司的專用RDC模塊19220,接收來自旋變粗、精通道的激磁信號，其中精通道的bit4-bit11轉換后直接送到低位鎖存中，bit1-bit3送到中位鎖存的低三位，精通道的bit1-bit5再和粗通道在MD27C256中精粗精組合后送到中、高位鎖存，形成旋變的18位數(shù)據(jù)，分辨率為4.94″。單路旋變接口實現(xiàn)如圖5所示。

　　4 系統(tǒng)軟件設計及功能

　　軟件設計包括初始化、自檢、控制算法、故障處理、以及各功能模塊的編寫，考慮到穩(wěn)定模塊的實時性比較高，整個系統(tǒng)程序采用匯編語言設計編寫，伺服采樣周期為1ms.

　　系統(tǒng)控制命令既可以由控制盒發(fā)出，也可以由上位機發(fā)出。軟件采用模塊化設計，方便軟件的調試，可擴展性、可移植性強。系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。

　　跟其他平臺相比，本系統(tǒng)的一大特色是功能比較豐富，系統(tǒng)軟件具有穩(wěn)定測漂、旋變鎖定 、位置指令、目標搜索、光電跟蹤等五種狀態(tài)。

　　（1） 旋變鎖定

　　系統(tǒng)根據(jù)旋變信息對平臺施矩，將其控制到旋變的電零位，旋變鎖定狀態(tài)持續(xù)5秒鐘后結束并自動轉入陀螺穩(wěn)定狀態(tài)。

　　（2） 穩(wěn)定測漂

　　操作員鍵入采樣周期和采樣時間后，系統(tǒng)進入穩(wěn)定測漂狀態(tài)，測漂完成后自動補償陀螺漂移。

　　（3） 位置指令

　　系統(tǒng)接收到目標的緯度、經(jīng)度、高度三個參數(shù)，然后從載體系統(tǒng)中讀入自身的橫滾角、俯仰角、方位角三個參數(shù)，根據(jù)這六個參數(shù)計算得出自身所要轉動的俯仰、方位角度，然后控制平臺電機轉動到相應位置。

　?。?） 目標搜索

　　此時由操縱桿控制俯仰、方位兩個電機的運動，DSP接收到目標搜索的指令碼后，分別取出地面控制臺給出的俯仰、方位兩個電機的速度值，然后按照操縱桿給出的俯仰、方位兩個電機的速度值控制平臺轉動，進行目標搜索。

　　（5） 光電跟蹤

　　系統(tǒng)接收到光電跟蹤的指令碼，選擇相應的跟蹤方式，然后根據(jù)電視跟蹤器傳來的俯仰、方位的脫靶量控制兩個電機平臺運動，跟蹤目標點。

　　5 系統(tǒng)實驗及結論

　　5.1靜態(tài)穩(wěn)定檢測

　　開機使平臺進入穩(wěn)定狀態(tài)，分別給方位、俯仰軸添加負載。3 000gcm擾動力矩下，系統(tǒng)旋變角度輸出如圖7所示（在60秒時刻施加干擾力矩），滿足設計要求。

　　5.2 動態(tài)穩(wěn)定檢測

　　開機使平臺進入穩(wěn)定狀態(tài)，在俯仰穩(wěn)定框安裝雙面反射鏡，調整好雙面反射鏡、平行光管和光電觀測儀，使方位穩(wěn)定軸進入穩(wěn)定功能狀態(tài)，使方位搖擺軸按照正弦波作搖擺運動，觀察光電觀測儀的讀數(shù)。

　　本文詳細論述了瞄準線穩(wěn)定高系統(tǒng)及其軟硬件設計。系統(tǒng)采用經(jīng)典的位置速率雙環(huán)控制結構，選用DSP 作為數(shù)字控制系統(tǒng)的，組成高瞄準線穩(wěn)定系統(tǒng)。