機載光學定位測量跟蹤器研究

竺春祥，鹿存躍，楊 明，黃整章

（上海交通大學 儀器科學與工程系，上海 200240）

機載光學定位測量系統一般由基座、照準架、伺服控制、攝像設備等部分組成[1－2]，主要安裝于汽車、飛機、船舶等多種載體上，通過可見光攝像機等有效載荷協同載機上其它電子設備完成對地目標瞄準、跟蹤、定位測量功能。本文所主要介紹的光學定位測量跟蹤器是安裝在無人機上，并與激光測距儀和GPS定位系統配合，以完成對如橋梁裂縫[3－4]等地面固定目標的精確定位功能[5－7]。目前對跟蹤器的研究主要應用傳統的電磁電機配合減速機構。跟蹤器電機多采用單路驅動的方式，存在結構復雜、精度低、不易小型化等缺點。

本文利用超聲電機[8－9]和雙路電機驅動器來構建機載光學定位測量跟蹤器。系統包括兩個直徑為60 mm超聲電機組成的攝像支架、以高性能STM32F103ZET6為核心的雙路超聲電機驅動器。設計了一種機載光學定位測量跟蹤器。該系統具有響應快、精度高、易于小型化、集成度高等優點。

1 跟蹤器總體結構設計

圖1為跟蹤器系統總體結構圖。系統由仰俯回轉框架、水平回轉框架和支承框架組成。仰俯回轉框架由一個帶編碼器的超聲波電機驅動，通過剛性聯軸器在一端與仰俯回轉框架相連。超聲波電機所帶編碼器精度為2 000線。高清變焦攝像頭安裝在仰俯回轉框架內。在仰俯回轉框架的另一端安裝有一個精度為0．1°的編碼器，用于對帶編碼器的超聲波電機驅動和定位精度進行評測。另一組帶編碼器的超聲波電機安裝在支承框架上，通過剛性聯軸器與水平回轉框架相連，并帶動其做水平旋轉運動。

2 跟蹤器硬件電路設計

圖1 跟蹤器系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the tracker system

所研制的跟蹤器硬件電路框圖如圖2所示。主要由基于STM32F103ZET6的信號產生電路、雙超聲電機驅動電路組成。首先，上位機圖像處理軟件根據目標位置確定電機旋轉角度值，并將該值通過串口發送到基于STM32的雙路超聲電機控制器中，驅動兩個電機旋轉，同時STM32對編碼器輸入的脈沖進行計數，從而對電機的起停和旋轉角度進行控制。實現目標運動的實時跟蹤。

圖2 驅動電路框圖Fig.2 Structure diagram of drive circuit

2.1 基于STM32F103ZET6芯片的信號產生電路

超聲電機的驅動信號由32位ARM系列STM32F103ZE T6芯片來產生。該芯片以ARM Cortex-M3為核心，具有72 MHz主頻、512 KB Flash的代碼存儲空間和64 KB的SRAM。STM32F103ZET6芯片擁有面向電機控制的豐富外設。其中，高級控制定時器(TIM1和TIM8)和通用定時器(TIMx)是完全獨立的，它們不共享任何資源。本文使用高級控制定時器TIM1和TIM8分別產生兩對相差90°，帶死區的互補PWM信號，且該死區大小可編程控制。由芯片數據手冊可知，兩個高級控制定時器能產生6對互補PWM波。跟蹤器需要4對互補PWM波。因此，TIM1和TIM8可滿足要求。此外，TIM1和TIM8有多種工作模式，本系統使用其 Toggle模式，該模式可以控制一個輸出波形，或者指示一段給的時間已經到時。通過配置各通道比較寄存器的內容就可以產生不同相和不同頻的PWM波。

2.2 雙路超聲電機驅動電路

圖3為雙路超聲電機驅動電路框圖。該電路由STM32接收上位機軟件發送的角度信息，產生8路互差 90°的同頻方波信號，每四路經光耦隔離電路、開關管驅動電路和推挽逆變電路以及阻抗匹配電路后，最終得到四路相差 90°的高頻高壓的正弦信號。驅動電機旋轉。

3 跟蹤器軟件設計

圖3 雙超聲電機驅動電路框圖Fig.3 Diagram of double ultrasonic motor drive circuit

跟蹤器系統軟件流程圖如圖4所示。該程序主要實現3部分功能：串口通訊；產生兩組超聲電機驅動信號；對編碼器的脈沖進行捕獲和計數。首先，串口通訊給下位機發送水平方向和垂直方向的轉動角,下位機產生驅動信號，驅動超聲電機旋轉，同時STM32對編碼脈沖進行捕獲計數，到達設定角度時停止電機。

圖4 下位機主程序流程圖Fig.4 Flow diagram of the main program

驅動信號產生通過配置TIM1和TIM8高級控制定時器工作在輸出比較模式。其產生信號的頻率通過下式得到：

式（1）中，SystemCoreClock 系統時鐘為 72 MHz，f為高級定時器TIMx所產生PWM信號的頻率。相位差通過配置通道1捕獲/比較寄存器 （TIMx_CCR1） 或通道 2捕獲/比較寄存器（TIMx_CCR2）的值實現。例如，當 TIMx_CCR1 的值為 861，若需要TIMx_CH2滯后TIMx_CH1 90°時，則TIMx_CCR2的值為：

4 實驗結果

所研制的跟蹤器驅動電路如圖5所示，電路可產生四路高頻高壓正弦信號，同時驅動兩個超聲電機。為了驗證系統高速運行下的啟停特性，進行了電機按設定角度啟停實驗。在電機初始靜止的情況下，設定計數脈沖以50個為間距逐步遞增，同時用更高精度傳感器對其測試，得到的電機設定角與實際轉角曲線如圖6所示。測試的點均落在理論曲線附近且誤差不大于一個編碼脈沖即0.18°。結果表明，本系統響應時間小于 3 ms，左右轉動角度 0°～360°，仰俯轉動角度-20°～200°，左右轉動速度 200 °/s，仰俯轉動速度 200 °/s。 超聲電機最高轉速150 r/min，所測試的點均落在理論曲線附近且誤差不大于一個編碼脈沖即0.18°。

圖5 跟蹤器驅動電路實物圖Fig.5 Physical map of tracker circuit

圖6 電機設定角與實際轉角曲線Fig.6 Curve of setting angle and actual angle of motor

5 結論

文中對一種機載光學定位測量跟蹤器進行了研究。從硬件和軟件兩方面介紹了該系統的設計思路。實驗結果表明，該系統能較精確的定位到相應的角度。該系統較好的克服了目前由電磁電機構建的跟蹤器的不足，可將其應運在機載車載的隨動平臺搭建，監控測量，地面固定目標的定位測量等領域，具有廣泛應用前景。

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