空間光通信精跟蹤系統(tǒng)的模糊自抗擾控制的思考

唐仲漢+狄世慶+徐嘉凡

摘要：精跟蹤系統(tǒng)作為核心技術(shù)，直接影響通信系統(tǒng)的性能。本文通過(guò)空間光通信精跟蹤系統(tǒng)的模糊自抗擾控制的思考展開(kāi)了討論，通過(guò)精跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、精跟蹤系統(tǒng)軟件及算法、精跟蹤系統(tǒng)擾動(dòng)分析三個(gè)方面，對(duì)精跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開(kāi)了討論。通過(guò)模糊控制器結(jié)構(gòu)、模糊規(guī)則、變論域及量化三個(gè)方面，對(duì)模糊自抗干擾控制的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，為關(guān)注這一話(huà)題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：空間光通信；精跟蹤系統(tǒng)；模糊自抗干擾

引言：空間光通信是一種散角小、傳輸距離長(zhǎng)的光束，因此，用其進(jìn)行捕捉、瞄準(zhǔn)等精準(zhǔn)的跟蹤都是非常困難的。我國(guó)的空間光通信發(fā)展腳步逐漸加快，但我國(guó)還距其他發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)還存在較大差距。目前國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)空間光通信的技術(shù)為粗、精跟蹤系統(tǒng)的嵌套技術(shù)，這種方法具有精度低、運(yùn)動(dòng)范圍廣、帶寬低的特點(diǎn)，和高帶寬和高精度的特點(diǎn)，進(jìn)而成為高速率通信的保障。

一、 精跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）精跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硬件部分可以分為三個(gè)部分，第一，在探測(cè)單元中，使用的基本硬件組建主要使用的為PhotonFocus公司的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)中大部分使用的配件為MV-D1024E-160 CMOS相機(jī)，這種相機(jī)的最大分辨率為1024×1024，其中的開(kāi)窗數(shù)據(jù)為256×256時(shí)，幀頻可達(dá)到2200/s。第二，精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的控制單元中，主要的結(jié)構(gòu)為PC機(jī)，圖像采集卡，隔離通用卡。第三，執(zhí)行單元中主要的結(jié)構(gòu)為音圈電機(jī)，其擁有很大的機(jī)械擺角和超強(qiáng)的精準(zhǔn)度。另外，空間光通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)的工作為，提高系統(tǒng)的帶寬，對(duì)粗跟蹤系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行補(bǔ)充，以達(dá)到減少系統(tǒng)由于后滯帶來(lái)的誤差。在空間光通信APT系統(tǒng)中，主要的組成結(jié)構(gòu)為快速傾斜鏡、互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體、光斑檢測(cè)、圖像處理單元、精跟蹤控制器、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器這六個(gè)方面。

（二）精跟蹤系統(tǒng)軟件及算法

在精跟蹤系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要高頻率、高精度地計(jì)算出光斑的準(zhǔn)確位置，因此在計(jì)算的過(guò)程中，需要大量的時(shí)間和精力，目前國(guó)際中已經(jīng)將光斑的算法進(jìn)行統(tǒng)一，主要有以下兩個(gè)算法，第一，為了減小背景噪音的影響，可以使用域值的方法進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算的過(guò)程中，其一般會(huì)需要利用人工PC機(jī)進(jìn)行取點(diǎn)，進(jìn)而減小對(duì)背景值的運(yùn)算量。但使用這種方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一旦背景噪音對(duì)其產(chǎn)生影響，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而直接影響計(jì)算結(jié)果。第二，目前國(guó)內(nèi)外都一致認(rèn)為使用質(zhì)心法相比于其他算法，能夠更加適用于計(jì)算光斑，但是在使用這種方法計(jì)算的過(guò)程中，當(dāng)距離質(zhì)點(diǎn)較遠(yuǎn)的像素出現(xiàn)的噪音過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)量光斑的精準(zhǔn)度有很大的影響，測(cè)量出的值通常會(huì)偏高，雖然使用這種方法進(jìn)行測(cè)算會(huì)對(duì)光斑的實(shí)際值有一定的影響，但這種影響較小。

（三）精跟蹤系統(tǒng)擾動(dòng)分析

在精跟蹤系統(tǒng)中，時(shí)常會(huì)發(fā)生系統(tǒng)擾動(dòng)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要有以下兩個(gè)方面的原因。第一，精跟蹤系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部擾動(dòng)，由于內(nèi)部中有壓電陶瓷的滯環(huán)現(xiàn)象，在系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，傳感器和處理器有時(shí)會(huì)發(fā)生延遲，因此，在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生擾動(dòng)的現(xiàn)象。第二，在傳感器的外部，空間環(huán)境會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)隕石之間發(fā)生碰撞、空間的溫度發(fā)生變化等，都會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生影響。另外在傳感器運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，衛(wèi)星平臺(tái)的震動(dòng)也會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生影響。

二、模糊自抗干擾控制的實(shí)現(xiàn)

（一）模糊控制器結(jié)構(gòu)

為了在精跟蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)模糊自抗干擾，需要對(duì)模糊控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解和完善，首先需要對(duì)模糊控制器結(jié)構(gòu)關(guān)系有一定的了解，例如，在這個(gè)過(guò)程中找出相關(guān)參數(shù)之間的變化，進(jìn)而找到誤差，找出比例項(xiàng)P、積分項(xiàng)I、微分項(xiàng)D之間參數(shù)誤差值，并將這個(gè)值進(jìn)行相互比對(duì)，找到誤差值e，之后將比例系數(shù)與模糊控制原理進(jìn)行比對(duì)，找到微分系數(shù)、積分系數(shù)等三個(gè)值，利用這三個(gè)值進(jìn)行修改。之后將e值作為最初的輸入內(nèi)容，之后對(duì)利用模糊控制規(guī)則對(duì)e進(jìn)行不斷調(diào)整，最終構(gòu)成了模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)[1]。通過(guò)這個(gè)方法，能夠?qū)ID進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，在這個(gè)過(guò)程中，可以根據(jù)最終的參數(shù)值，對(duì)模糊控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)整，最終達(dá)到模糊控制器結(jié)構(gòu)適用于各種環(huán)境的目標(biāo)。

（二）模糊規(guī)則

在實(shí)現(xiàn)模糊自抗干擾的過(guò)程中，當(dāng)模糊控制器結(jié)構(gòu)最開(kāi)始輸入的e值變量確定時(shí)，輸入量和輸出量都使用三角函數(shù)的方法進(jìn)行對(duì)稱(chēng)交迭，之后使用之后使用面積中心法對(duì)模擬控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合PZT的精密定位的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要有以下三種偏差。第一，當(dāng)e值與實(shí)際情況相差較大時(shí)，為了提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，可以將控制參數(shù)調(diào)整為最大值，但是在實(shí)際的操作過(guò)程中，當(dāng)e值剛剛輸入的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)變大的情況，進(jìn)而影響控制系統(tǒng)的整體參數(shù)，這時(shí)，應(yīng)該將控制參數(shù)調(diào)整為最小值。在這個(gè)過(guò)程中，為了防止系統(tǒng)由于響應(yīng)過(guò)大影響系統(tǒng)，應(yīng)該對(duì)積分調(diào)整為0。第二，當(dāng)e值的偏差處于中等狀態(tài)時(shí)，為了調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)，應(yīng)該將控制參數(shù)調(diào)整變小，在選擇控制參數(shù)時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值，進(jìn)而保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。當(dāng)控制參數(shù)值對(duì)系統(tǒng)有較大的影響時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的參數(shù)值，保證系統(tǒng)能夠正常響應(yīng)。第三，當(dāng)e值偏差較小時(shí)，為了使系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)更加完善，應(yīng)該增加控制參數(shù)的取值范圍，在這個(gè)過(guò)程中，還要注意采取系統(tǒng)震蕩保護(hù)措施，并逐漸優(yōu)化系統(tǒng)的抗干擾性。在選擇取值范圍時(shí)，當(dāng)e值較小時(shí)，控制參數(shù)就可以選擇稍微大一些的值，當(dāng)e值較大時(shí)，則需要選擇較小的控制參數(shù)。通過(guò)以上對(duì)控制器控制方式的分析，在實(shí)際的操作中，需要結(jié)合系統(tǒng)的詳細(xì)特點(diǎn)，對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行合理制定。

（三）變論域及量化

在實(shí)現(xiàn)模糊自抗干擾控制的過(guò)程中，使用變論域能夠?qū)⑤斎氲臄?shù)值和輸出的數(shù)值按照一定的變化標(biāo)準(zhǔn)互相伸縮變化，另外使用這種方法，還能解決和控制在模糊控制器在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題，其設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在操作的過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)能夠有良好的控制效果。例如，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模糊自干擾控制的過(guò)程中，通過(guò)壓縮論域能夠?qū)⑵渲械恼撚蚍秶M(jìn)行模糊劃分，進(jìn)而增加使用規(guī)則數(shù)量，通過(guò)數(shù)量的提升穩(wěn)定性也會(huì)提升，因此，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，只要確定論域中的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，就能在控制器中取得良好的控制效果[2]。

結(jié)論：通過(guò)對(duì)空間光通信進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合PID算法，能夠推算出控制器的模型對(duì)象參數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出自動(dòng)調(diào)整控制器的變換參數(shù)，進(jìn)而在空間光通信的實(shí)際應(yīng)用中能夠不依靠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型，并在實(shí)際應(yīng)用中能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾性，解決了系統(tǒng)中穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性之間的矛盾，保障了系統(tǒng)運(yùn)行暢通，改善了系統(tǒng)的適應(yīng)性，達(dá)到了設(shè)計(jì)的主要目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王巖，李洪祚，張猛.空間光通信光纖激光器脈沖位置調(diào)制特性研究[J].中國(guó)激光，2015，42（08）：140-148.

[2]肖永軍，左韜，林貽翔.空間光通信精跟蹤系統(tǒng)電路接口板設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù)，2013，37（07）：53-55.