某型穩定平臺控制系統的硬件設計

李科

摘要：穩定平臺廣泛應用于現代武器裝備中，為保證設備的正常工作狀態，需要穩定平臺隔離載體的干擾，保證設備工作環境的穩定。本文主要完成了測姿傳感器的選型并完成了控制電路的設計，包括主控芯片的選型、串行通信電路設計、電源電路的設計、及保護電路的設計等，最后介紹了控制電路、驅動器、電機的電路連接方式。本文基本完成了平臺測控系統硬件設計，這為后續的的軟件設計和試驗提供了基本的硬件基礎，達到預期設計目標。

關鍵詞：穩定平臺 測姿系統 ATmega2560 伺服控制

中圖分類號：TN761.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0001-03

Abstract：Stabilized platform is widely used in modern weapons and equipment， to ensure the normal working state， needs a stable platform isolation carrier interference， ensure the stability of the equipment working environment. This paper mainly completed the selection of the position sensor and completed the design of the control circuit， including the main control chip selection， serial communication circuit design， the design of the power supply circuit， and the protection circuit design， etc.， finally introduces the control circuit， drive， electrical circuit connection. This paper basically complete platform for measurement and control system hardware design， the software for the subsequent design and experiment provides the basic hardware foundation， the desired design goal.

Key Words：Stabilized platform； Attitude measurement system； ATmega2560； Servo control；

現代武器系統廣泛使用平臺，特別是艦載火炮系統，制導系統，雷達跟蹤系統和慣導系統等。隨著科技水平的發展，世界各國對現代武器系統的機動性、快反能力以及穩定跟蹤和精確打擊能力也提出了更高的要求，因此，對對提高穩定平臺系統性能的研究更為迫切。為保證設備的正常工作狀態，需要載體對穩定平臺的干擾，保證設備工作環境的穩定。穩定平臺主要作用即是隔離運動載體（如車輛、艦船、導彈等）在行進過程中對所搭載設備的干擾，使設備能有一個可靠的的工作環境[1]。穩定平臺技術實現較難，跨度大且涵蓋學科較多，綜合了信號分析和數據采集技術、機械設計、機構動力學和運動學、現代控制理論及傳感器技術等多個學科，主要在某些軍事領域和民用領域有重要的應用[2]，但是其通用產品不多。

1 測控系統硬件結構

測控系統硬件作為一個載體，主要實現控制程序的執行和控制策略的實現，它是實現整個平臺控制系統的基礎。如圖1所示，測控系統核心芯片采用Atmega2560芯片及其它相應功能的電路模塊組成的控制電路。該主控芯片通過串行通信接口0接收上位機發送的保持姿態信息，即二級平臺所要保持的姿態信息；同時測姿傳感器測得當前姿態信息，通過串行通信接口1發送給主控芯片；然后主控芯片將收到的原來的保持姿態信息和當前姿態信息進行比較解算，得到電機的轉動速度和轉動方向命令，并將命令通過2、3串行通信接口分別發送給方位驅動電機和俯仰驅動電機，再由驅動器控制電機完成相應的動作，使得二級平臺穩定在某個所需要姿態上。

2 穩定平臺的姿態測量系統

平臺測姿系統包括對方位角和俯仰角參數的采集，以及對應姿態信息在ATmega2560主控芯片中的解算和信號處理。傳感器通過串行通信接口與主控通信，為平臺提供姿態角信號。核心控制芯片將測姿傳感器測得的姿態角信息進行解算和處理后，給定驅動電機一個控制指令從而控制電機的運動達到平臺穩定的目的。

目前使用最多的測姿方式主要包括雙天線/多天線GPS測姿、慣導測姿、GPS/INS組合測姿等。慣性導航系統（INS）是用慣性元件來測量載體運動的加速度和角加速度，經過積分運算接出導航參數以確定載體位置和姿態。它與GPS導航系統不同，INS主要特點是：自主式、全天候、不會因外界干擾影響系統工作且無信號丟失。一般由三個加速度計、三個陀螺儀、導航計算機、穩定平臺、控制器、電源及必要的外圍附件組成。GPS主要通過各個衛星的廣播數據解算出自己當前的位置信息和用戶到衛星的距離，利用后處理軟件差分處理后的位置坐標來解算航向角以及位置和速率。GPS的優點是可全天候使用，相對INS沒有時間累計差，不足之處是受到遮蔽物的影響會使GPS接收有效星的能力下降。單獨使用GPS或INS獲取載體姿態通常存在缺陷，結合GPS和INS 各自的優點，將GPS和INS相互綜合，融合兩類姿態信息可以獲得更精確可靠的姿態數據，該系統能得到長期準確的姿態、速度和位置信息，其角精度可以達到0.1°，速度精度達到0.1m/s，航向角精度≤0.3°，俯仰角精度≤0.2°。因此本文選GPS/慣導組合系統INS1200作為穩定平臺的測姿傳感器，采用RS232通訊用于同步通訊。該系統涵蓋了GPS和INS的測姿優勢，能得到準確的航向角度、俯仰角度、經緯度、高度、角速度等需求的參數信息，同時為了進一步提高系統精度和適用性我們可以采用擴展相應的外圍配套（如擴展里程計等），并且該系統的數據輸出率最高可達100Hz，這對于平臺的高度動態和實時調整是尤為重要的。該系統的主要優點是：體積較小、性價比高、重量輕，目前主要用于車船和飛機等的導航以及穩定平臺系統等領域。

3 控制電路設計

3.1 控制電路結構

控制電路結構框圖如圖2[3]。

3.2 主控芯片選定及串行通信接口電路

由于ATmega2560芯片[4]具有運算速率快且片上資源豐富，本設計采用該芯片作為控制電路微處理器；該芯片16路模擬輸入，4路UART接口，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源 插座，一個ICSP header和一個復位按鈕且支持I2C接口。測姿傳感器、電機驅動器的通信采用標準的RS232串行通信。一般來說，RS232串行通信接口具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產生+10V和-10V電壓，而微處理器的信號電壓是TTL電平，電源工作電壓是5V。為了與其他系統通信方式保持一致，本文選定使用較為通用的串行通信接口RS232，MAX232芯片串行通信接口電路如圖3。

3.3 電源及保護電路

我們需要提供穩定的電源電壓才能使得主控芯片正常工作。本文采用LM2576芯片，且芯片提供三擋且可調的多個電壓檔。

如圖4所示，電源供電電路+12V輸入電壓經芯片處理得到+5V，為主控芯片ATmega2560、串口芯片MAX232等供電。CZ1、CZ2 C1分別為磁珠和耐高壓電容，三者的功能主要為抑制輸入電壓中的噪聲信號，R1為壓敏電阻，對過高的輸入電壓進行電壓嵌位，防止電壓過大燒毀芯片。F1作為自恢復保險絲主要是保護電路及芯片，在電路供電電流過大或出現短路造成過電流時，自恢復保險絲迅速熔斷。D1與R1、F1組成供電電壓保護電路。

雙向瞬態抑制二極管能夠有效地保護電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞，具有響應快，無噪聲等優點，通常在通信保護電路中使用。

在模擬電路與數字電路之間的干擾容易導致芯片工作異常、通信出錯等，為了使設備符合電磁兼容性的要求，因此進行性電路隔離很有必要；電路隔離的主要目的即通過隔離數字與模擬電路以切斷噪聲干擾的路徑，達到抑制噪聲干擾的目的。如圖5所示，R4、C4、L1、C7組成低通濾波電路，防止數字電路的噪聲信號對模擬端造成干擾。CZ3為0歐姆電阻，其主要特點是電流路徑狹窄，可以限制噪聲電流通過，對所有頻率的噪聲都有一定的衰減作用，可保證數字地與模擬地等電位的，又可以清除數字電路對模擬電路的噪聲干擾[5]。

3.4 振蕩電路

如圖6所示，時鐘振蕩電路中的電容C9、C10的容值通常選擇為幾十pF。因為電容的大小對頻率有微調作用，影響振蕩的穩定性和起振響應速度。該振蕩電路中選擇電容值為15pF。另外，為了減小線路上的寄生電容，更好的保證電路穩定、可靠工作，在PCB電路板設計中晶振和電容應盡可能靠近主控芯片外接晶振引腳。

4 伺服控制模塊

伺服系統選用交流永磁同步伺服電機及與其匹配的驅動器，驅動器可以實時接收控制電路的指令，對電機轉速、方向、行程等實時控制，并且將以上的電機動作信息反饋給控制電路。

電機驅動器外部接口如圖7，供電電源接口接外部電源，為驅動器提供穩定的工作電壓。電機接口連接超聲電機，為電機工作提供所需的脈沖電壓。RS232通訊接口與控制電路連接，負責接收主控芯片發送的控制電機的動作命令，并且通過驅動器的通信將電機的轉速等信息反饋給主控芯片。編碼器接口與電機編碼器連接，用于驅動器對電機轉速和行程實時監測和控制[6]。

5 結語

本文主要首先完成了測姿傳感器的選型并完成了控制電路的設計，包括主控芯片的選型、串行通信電路設計、電源電路的設計、及保護電路的設計等，最后介紹了控制電路、驅動器、電機的電路連接方式。完成了平臺測控系統硬件設計，這為后續的的軟件設計和試驗提供了基本的硬件基礎，達到預期設計目標。

參考文獻

[1]周結華.基于運動載體的平臺穩定系統控制方法研究[D].廈門：廈門大學碩士學位論文，2009.

[2] Hilkert JM. Inertially Stabilized Platform Technology Concepts and Principles[J].IEEE Control Systems Magazine， 2008，28（1）：26-46.

[3]王德義，陳娟，孫德輝.基于Atmega128的電動云臺控制器設計[J].電力自動化設備，2010， （6）：140-142.

[4]周潤景，郝媛媛.Altium Designer原理圖與PCB設計[M].北京：電子工業出版社，2012.

[5]Peter J.Kennedy， Rhonda L Kennedy. Direct Versus Indirect Line of Sight Stabilization[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2003，11（1）： 3-15.

[6]李賢濤.航空光電穩定平臺擾動抑制技術的研究[D].長春：中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）博士學位論文，2014.