基于STM32的消旋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王曉銀 蔣鋒

摘 要：為了消除飛行器機(jī)體旋轉(zhuǎn)對(duì)其上所帶相機(jī)姿態(tài)的耦合影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的消旋控制，設(shè)計(jì)了一款以STM32微控制器為核心的光電穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用高精度角速度陀螺儀，實(shí)時(shí)采集機(jī)體旋轉(zhuǎn)參數(shù)，利用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器調(diào)節(jié)PID參數(shù)，通過(guò)閉環(huán)控制消除機(jī)體旋轉(zhuǎn)對(duì)相機(jī)姿態(tài)的耦合影響。實(shí)踐結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)及指標(biāo)均符合實(shí)際工作需要。

關(guān)鍵詞：STM32；伺服控制；陀螺儀；模糊PID

中圖分類號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to eliminate the coupling effect of the aircraft body rotation on the camera attitude of the aircraft，an optoelectronic stabilized servo control system with STM32 is designed.The system used high-precision angular velocity gyroscope，collection the body rotation parameters in real time.Parameter adaptive fuzzy PID control algorithm is adopted to adjust PID parameters.Using closed loop control to eliminate the body rotation coupling effect of camera position.The practical results show that the parameters and indexes of this design are in line with the actual work needs.

Keyword： STM32；servo control；gyroscope；fuzzy PID

光電穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)是跟蹤、偵查、定位、導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分，由于光電平臺(tái)框架在跟蹤中的運(yùn)動(dòng)，使得穩(wěn)定的圖像疊加了額外的旋轉(zhuǎn)，給后續(xù)的CCD圖像處理帶來(lái)影響甚至妨礙，所以對(duì)CCD圖像旋轉(zhuǎn)的補(bǔ)償控制技術(shù)即CCD圖像消旋控制技術(shù)成為關(guān)鍵。為保證載體旋轉(zhuǎn)條件下跟蹤設(shè)備的空間相對(duì)穩(wěn)定和視軸精度指向跟蹤目標(biāo)，提出了消旋控制方案[1]。

設(shè)計(jì)了隔離機(jī)體旋轉(zhuǎn)的消旋平臺(tái)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量機(jī)體旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制消旋平臺(tái)及相機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，從而使相機(jī)姿態(tài)保持穩(wěn)定。文中對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定控制理論進(jìn)行了深入的研究與驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)試該系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)都能達(dá)到工作要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于飛行器測(cè)試的成本高昂，實(shí)際測(cè)試中采用了模擬機(jī)體旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)及配套人機(jī)交互軟件，通過(guò)軟件預(yù)設(shè)角速度時(shí)間曲線，模擬飛行器在不同飛行階段的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，從而檢驗(yàn)消旋控制系統(tǒng)的消旋效果。圖1為消旋平臺(tái)、模擬旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和人機(jī)交互軟件組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

設(shè)計(jì)中上位機(jī)通過(guò)人機(jī)交互軟件經(jīng)RS232串口向模擬平臺(tái)控制板發(fā)布指令，使模擬平臺(tái)按照預(yù)設(shè)的或隨機(jī)的角速度值旋轉(zhuǎn)。模擬平臺(tái)由直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使整個(gè)消旋平臺(tái)與之同軸旋轉(zhuǎn)。消旋平臺(tái)中執(zhí)行消旋的電機(jī)為一力矩電機(jī)，其轉(zhuǎn)子與 CCD 像機(jī)和陀螺儀直接軸連，陀螺儀作為消旋控制系統(tǒng)中的測(cè)角速度元件，與CCD相機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)CCD相機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度。消旋平臺(tái)上的電源、信號(hào)線路都經(jīng)過(guò)導(dǎo)電環(huán)引出，以避免線體絞扭。

2 消旋控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

消旋控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括角速率陀螺儀前端信號(hào)采集單元，功率放大單元，力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元及微控制器單元。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

角速率陀螺儀檢測(cè)相機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度，其輸出兩路模擬信號(hào)，一路為角速度測(cè)量值，一路為其內(nèi)置的溫度傳感器的溫漂信號(hào)（用以修正不同溫度下零點(diǎn)電位電壓值）。微控制器通過(guò)其上的AD轉(zhuǎn)換器采集陀螺儀的兩路輸出信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算處理后控制力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)以抵消模擬旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)耦合。

1.1 主控制器模塊選擇

設(shè)計(jì)中主控制器選用了低功耗，高集成度的STM32F103RBT6芯片，該芯片采用了ARM公司的Cortex-3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率最大可達(dá)72 MHz[2-3]。同時(shí)還內(nèi)置有3個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換器，11個(gè)16位定時(shí)器，其中2個(gè)16位6通道的高級(jí)控制定時(shí)器可產(chǎn)生多達(dá)6路PWM輸出，正好滿足設(shè)計(jì)需要。

1.2 角速度傳感器的選擇

角速度陀螺儀選用國(guó)產(chǎn)CS-ARS-06系列，該型陀螺儀體積小、重量輕、精度高，其分辨率低于0.009°/s。在實(shí)際使用中控制目標(biāo)是使相機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度趨于零，所以選擇陀螺儀的量程為±20°/s。陀螺儀信號(hào)采集后經(jīng)過(guò)跟隨器隔離放大后送至STM32處理器的AD轉(zhuǎn)換接口中。電路如圖3所示。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用ST公司生產(chǎn)的L298芯片，該芯片內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，其最高工作電壓可達(dá)46 V，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A。在工作過(guò)程中首先將單片機(jī)輸出的PWM波形通過(guò)HEF4093變?yōu)閮陕贩聪嗟腜WM波（IN1，IN2）接入L298的輸入端，然后將L298的兩組H橋并聯(lián)使用，這樣可以使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到3.5 A。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化，定時(shí)器控制PWM輸出模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，PID控制模塊等。整個(gè)系統(tǒng)的主流程圖如圖5所示。

3.2 模糊PID控制

3.2.1 PID控制簡(jiǎn)介

消旋控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，其中直流電機(jī)控制選用了PID算法。PID控制器是一種基于誤差的控制方法，他根據(jù)系統(tǒng)誤差，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)反饋值相比較，利用比例、積分、微分值計(jì)算出控制量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

在PID控制中參數(shù)的設(shè)定是決定系統(tǒng)控制好壞的關(guān)鍵因素。實(shí)際工程中對(duì)PID參數(shù)的確定一般通過(guò)結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)“試湊法”[4]來(lái)確定。參數(shù)中的Kp用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而過(guò)大的Kp會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，穩(wěn)定性變壞。Ki越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快，但又會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)。Kd的增大可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性但又會(huì)使系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力減弱[5]。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)參數(shù)的調(diào)節(jié)往往要花費(fèi)大量時(shí)間，加之三個(gè)參數(shù)相互制約無(wú)法判斷系統(tǒng)性能是否達(dá)到最優(yōu)。此外，在工作環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，需要根據(jù)情況，再次調(diào)整參數(shù)，大大降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率?；诖耍O(shè)計(jì)中采用了對(duì)PID參數(shù)自整定的模糊PID控制器。

3.2.2 模糊PID控制器算法原理

傳統(tǒng)PID控制器PID參數(shù)固定不變，控制調(diào)速的實(shí)時(shí)性較差，而消旋控制為非線性系統(tǒng)，控制要求高，系統(tǒng)的控制輸出需要實(shí)時(shí)響應(yīng)。模糊控制器以專家經(jīng)驗(yàn)和人工控制規(guī)則為基礎(chǔ)組織模糊決策表[6]，控制量的大小由查詢決策表確定，能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，解決了參數(shù)固定問(wèn)題，使系統(tǒng)的自適應(yīng)能力大大提高。模糊PID控制原理圖如圖6所示。

3.2.3 模糊PID控制算法規(guī)則表

模糊控制器中輸入變量為系統(tǒng)反饋值與給定的速度值形成的偏差e與偏差變化率ec。輸出變量為比例、積分、微分的修正值*kp、*ki、*kd。 對(duì)變量進(jìn)行模糊化處理，得到模糊子集為：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。?、ZO（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）。設(shè)計(jì)中輸入變量選用三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)，輸出變量選用高斯函數(shù)作為隸屬函數(shù)。根據(jù)比例、積分、微分參數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響及其之間的相互作用，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)建立控制規(guī)則表，如表1所示。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)偏差e和偏差變化率ec，將其量化到相應(yīng)的論域，再到控制表中查找Kp、Ki、Kd的響應(yīng)修正值，完成PID參數(shù)的在線調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定輸出。模糊PID算法流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

將兩種PID控制器應(yīng)用到消旋控制系統(tǒng)中，對(duì)比兩種控制方式，調(diào)節(jié)模擬旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)速度為0 - 3 200 r/min。對(duì)比兩組速度響應(yīng)曲線，采用常規(guī)PID算法具有較大的超調(diào)量，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，采用模糊PID算法，在受到外界干擾時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，能自適應(yīng)調(diào)節(jié)，具有較強(qiáng)的魯棒性。速度響應(yīng)對(duì)比曲線如圖8所示。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于STM32的航空消旋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量機(jī)體旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制消旋平臺(tái)及相機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，從而使相機(jī)姿態(tài)保持穩(wěn)定。針對(duì)電機(jī)系統(tǒng)控制精度低，實(shí)時(shí)性不足等問(wèn)題，采用了參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的模糊PID控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)測(cè)量該系統(tǒng)控制精度能夠滿足實(shí)際工作需要。

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