基于FPGA的無人機(jī)光電吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

葉　濤　王　鑒

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原　030051)

基于FPGA的無人機(jī)光電吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

onElectro-opticalPodofUAVBasedonFPGA

葉濤王鑒

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原030051)

摘要：針對(duì)無人機(jī)光電吊艙小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，充分利用了FPGA的硬件資源，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的光電吊艙控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在減小控制板工裝尺寸的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可取代傳統(tǒng)的FPGA和DSP聯(lián)合設(shè)計(jì)的光電吊艙控制系統(tǒng)。詳細(xì)描述了FPGA控制系統(tǒng)硬件組成，提出了多環(huán)路控制回路設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)增量式PI控制算法。最后，通過搖擺臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。

關(guān)鍵詞：FPGA光電吊艙無人機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別圖像跟蹤多環(huán)路控制回路VHDL增量式PI

0引言

光電吊艙系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的光機(jī)電系統(tǒng)，其主要作用是隔離載體的擾動(dòng)、保持視軸穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別與跟蹤。光電吊艙的有效載荷根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同而采用不同的組合搭配。對(duì)于無人機(jī)光電吊艙而言，一般搭載的光電任務(wù)載荷包括數(shù)碼相機(jī)、可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測(cè)距儀等[1]。

本文研究的無人機(jī)光電吊艙系統(tǒng)采用兩框架兩軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)。光電吊艙控制系統(tǒng)采用FPGA作為平臺(tái)處理芯片，充分利用FPGA的硬件資源和現(xiàn)有的IP核，在實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)板小型化的同時(shí)，確保控制系統(tǒng)在穩(wěn)定平臺(tái)上達(dá)到較高的穩(wěn)定精度和穩(wěn)定性。

1系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

光電吊艙控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由FPGA、MEMS陀螺、角度傳感器、電流傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、力矩電機(jī)、測(cè)控和飛控計(jì)算機(jī)等組成。

圖1　控制系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)，各個(gè)模塊主要完成以下功能。

(1)FPGA主控單元。FPGA主要功能包括：①根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議，完成各個(gè)模塊數(shù)據(jù)的采集；②負(fù)責(zé)各個(gè)模塊數(shù)據(jù)交換的同步控制，確保數(shù)據(jù)交換的可靠性；③根據(jù)采集的角度信息，模擬無刷電機(jī)霍爾信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向；④完成電流回路、陀螺穩(wěn)定回路、位置回路、圖像跟蹤回路的PI控制計(jì)算，以及電機(jī)控制量PWM的輸出；⑤預(yù)留資源實(shí)現(xiàn)圖像跟蹤器設(shè)計(jì)，計(jì)算圖像的脫靶量。

由于系統(tǒng)需要完成大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和其他的邏輯控制，對(duì)FPGA的資源性能要求比較高。因此，本系統(tǒng)選用altera公司stratixⅣ系列的EP4SE530芯片。該芯片除了擁有53萬邏輯門外，還擁有高達(dá)600MHz可配置為9×9位、12×12位、18×18位、36×36位全精度乘法器的高速DSP模塊，滿足任務(wù)要求。同時(shí)，該芯片還為后續(xù)的圖像融合功能預(yù)留有足夠的資源。

(2)MEMS陀螺模塊。MEMS陀螺作為角速率敏感元件，安裝在俯仰框架的穩(wěn)定平臺(tái)上，敏感載體及其他干擾因素使載荷產(chǎn)生相對(duì)慣性空間的擾動(dòng)角速率。本系統(tǒng)選用數(shù)字量輸出、RS-422接口的MEMS陀螺。FPGA可以模擬RS-422接口協(xié)議，完成對(duì)MEMS陀螺的數(shù)據(jù)采集。

(3)角度傳感器模塊。角度傳感器數(shù)據(jù)采集包括三個(gè)部分：①利用FPGA的IP核中的NCO模塊產(chǎn)生正弦波數(shù)字量，送給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過放大器后生成旋轉(zhuǎn)變壓器激磁信號(hào)；②FPGA生成RDC控制時(shí)序，輸出控制信號(hào)，完成對(duì)RDC的數(shù)據(jù)采集；③根據(jù)采集的旋變角度模擬電機(jī)的霍爾信號(hào)。

(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路可以分為三個(gè)部分：①生成換向表,驅(qū)動(dòng)電路中的CPLD根據(jù)霍爾信號(hào)生成三相直流無刷電機(jī)換向表;②光電隔離,將強(qiáng)電信號(hào)和弱點(diǎn)信號(hào)隔離，以防止強(qiáng)電信號(hào)對(duì)弱點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生干擾；③功率放大電路,將PWM控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成可直

接驅(qū)動(dòng)框架直流無刷力矩電機(jī)的信號(hào)。無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制方案如圖2所示。圖2中：EN表示電機(jī)使能信號(hào)，控制俯仰和方位電機(jī)的工作狀態(tài)。

圖2　無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制方案

(5)力矩電機(jī)。在穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先要對(duì)電機(jī)的力矩需求進(jìn)行估算，用來指導(dǎo)電機(jī)選型[2]。平臺(tái)各軸上的力矩電機(jī)除了抑制軸承引起的摩擦力矩、質(zhì)量偏心靜不平衡力矩等干擾力矩外，還需為系統(tǒng)提供最大的角加速度指標(biāo)[3]。通過建立模型，估算出俯仰軸的力矩要求為0.45N·m，方位軸的力矩要求為0.6N·m，因此系統(tǒng)選用的直流無刷力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩為1.2N·m。

2多環(huán)路控制回路設(shè)計(jì)

多控制回路的設(shè)計(jì)是為了使光電穩(wěn)定系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度和抗干擾能力[4]。其控制回路包括目標(biāo)跟蹤回路、姿態(tài)鎖定回路、陀螺穩(wěn)定回路和電流回路。平臺(tái)的控制信號(hào)Ctrl控制著光電吊艙的工作狀態(tài)。當(dāng)Ctrl為1時(shí)，光電吊艙工作于目標(biāo)跟蹤狀態(tài)；當(dāng)Ctrl為0時(shí)，光電吊艙工作于姿態(tài)鎖定狀態(tài)。多環(huán)路控制回路的原理圖如圖3所示。

圖3　多環(huán)路控制回路原理框圖

圖3中：ω(t)為穩(wěn)定平臺(tái)輸入的角速度指令信號(hào)；θ(t)為輸入的平臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度指令信號(hào)；Mf為電機(jī)軸的干擾力矩；ωd為載機(jī)運(yùn)動(dòng)傳遞到穩(wěn)定平臺(tái)上的干擾角速率；θ為平臺(tái)框架軸偏轉(zhuǎn)的角度；控制信號(hào)決定控制回路是圖像跟蹤回路還是姿態(tài)鎖定回路。各個(gè)回路的作用如下。①電流回路:由電流傳感器形成負(fù)反饋，以減小電流電壓波動(dòng)的影響，提高控制力矩的線性度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的平穩(wěn)控制，使之不發(fā)生突變。②陀螺穩(wěn)定回路:陀螺穩(wěn)定回路用于抑制旋轉(zhuǎn)軸上的干擾角速率，確保平臺(tái)光電載荷的光軸在慣性空間保持穩(wěn)定。③目標(biāo)跟蹤回路:目標(biāo)跟蹤回路是在陀螺穩(wěn)定回路的基礎(chǔ)上引入的，利用圖像跟蹤算法始終鎖定光電載荷視場(chǎng)中的目標(biāo)，并將目標(biāo)脫靶量送給伺服控制器，執(zhí)行跟蹤回路控制計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果帶入陀螺穩(wěn)定回路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)光電載荷旋轉(zhuǎn)；執(zhí)行目標(biāo)跟蹤運(yùn)動(dòng)，使目標(biāo)始終保持在光電載荷視場(chǎng)中心。④姿態(tài)鎖定回路：姿態(tài)鎖定回路根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)輸入的控制指令調(diào)整平臺(tái)的姿態(tài)角，將平臺(tái)兩框架軸鎖定到特定的角度，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)框架角度置零或進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)的功能。

3FPGA控制算法實(shí)現(xiàn)

3.1PI控制算法

由于機(jī)載光電吊艙的特殊工作環(huán)境，受風(fēng)阻力、飛機(jī)姿態(tài)的變化、機(jī)載振動(dòng)等影響，許多參數(shù)都是時(shí)變的[5]，因此選用PI控制策略。PI控制調(diào)節(jié)既具有比例調(diào)節(jié)作用反應(yīng)快、無滯后的優(yōu)點(diǎn)，又具有積分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，可以消除靜差。對(duì)于調(diào)節(jié)對(duì)象而言，選擇合適的比例帶和積分時(shí)間，基本可以滿足系統(tǒng)要求。

多閉環(huán)回路的PI控制主要包括位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制。位置環(huán)回路通過通信模塊，從上位機(jī)獲得參考位置信息，與RDC反饋的實(shí)際位置信息作差得到誤差量；誤差量作為位置環(huán)路PI輸入，位置環(huán)路PI輸出為速度環(huán)參考輸入。速度控制器從位置控制器獲得無刷電機(jī)速度參考信號(hào)，與MEMS陀螺反饋的實(shí)際速度信號(hào)同時(shí)輸入速度控制器，其輸出為電流環(huán)輸入。電流控制器從速度控制器獲得無刷直流電機(jī)電流參考信號(hào)，與反饋的實(shí)際無刷直流電機(jī)三相電流信號(hào)同時(shí)輸入電流控制器，速度控制器通過PI運(yùn)算控制，輸出PWM信號(hào)。其中PI控制結(jié)構(gòu)說明如下。

輸入端r(t)、y(t)分別為信號(hào)的預(yù)定值與反饋值，r(t)-y(t)即為偏差信號(hào)e(t)，通過比例-積分的線性組合得出控制量μ(t)，該控制量作用于控制對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的控制。連續(xù)性PI關(guān)系表達(dá)式如下：

(1)

式中：Kp為比例常數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了縮短開發(fā)周期、提高系統(tǒng)可靠性，大多采用數(shù)字式PI控制器。將連續(xù)的PI控制算法進(jìn)行離散化處理后，得到位置式PI控制算法。

(2)

式中：Kp為比例常數(shù)；KI為積分系數(shù)；e(k)、e(j)為第k、j采樣時(shí)刻的偏差量。

令式(2)中的k=k-1，得出k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為：

(3)

可得到增量式PI算法：

Δμk=μ(k)-μ(k-1)=

(Kp+KI)e(k)-Kpe(k-1)

(4)

對(duì)比增量式和位置式PI算法的數(shù)學(xué)模型可知：位置式PI算法的輸出量μ(k)是對(duì)過去所有狀態(tài)偏差量的累加；增量式PI算法只與當(dāng)前狀態(tài)和前一時(shí)刻的狀態(tài)偏差有關(guān)，避免了誤差累加。而在多環(huán)路PI控制算法中，需要對(duì)位置、速率、電流等信號(hào)進(jìn)行采樣，每次采樣都會(huì)帶來系統(tǒng)誤差和外界干擾引起的誤差。因此，在光電吊艙的控制器中，增量式PI控制算法更適用。

3.2增量式PI控制器的VHDL實(shí)現(xiàn)

在算法實(shí)現(xiàn)的早期階段，必須仔細(xì)考慮更適合算法實(shí)現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)是定點(diǎn)數(shù)還是浮點(diǎn)數(shù)。就FPGA系統(tǒng)而言，采用定點(diǎn)數(shù)意味著更高的速率和更低的資源消耗；采用浮點(diǎn)數(shù)則具有更好的動(dòng)態(tài)范圍且不需要轉(zhuǎn)化，這為實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的算法提供了便利。

定點(diǎn)數(shù)增量式PI控制器的VHDL實(shí)現(xiàn)可以劃分為如下步驟：①誤差量求取；②有符號(hào)定點(diǎn)數(shù)乘積；③位權(quán)對(duì)階相加處理；④有效位的截取。考慮到系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)精度，要求先將增量式PI算法的控制系數(shù)轉(zhuǎn)化成24位定點(diǎn)數(shù)，然后經(jīng)過相應(yīng)的乘法加法器得出PI算法的比例和積分項(xiàng)，最后通過48位加法器完成一次PI算法的計(jì)算。考慮到FPGA的資源和處理性能，須刪除數(shù)據(jù)冗余，即進(jìn)行對(duì)階和截位處理。

增量式PI算法時(shí)序仿真結(jié)果穩(wěn)定，無跳數(shù)等情況。

4試驗(yàn)結(jié)果

4.1穩(wěn)定精度測(cè)試方法

在試驗(yàn)的搖擺臺(tái)上安裝好待測(cè)試的巡檢光電吊艙，使兩者的方位軸重合。在距離光電吊艙3m處放置一塊白色靶板，在靶板的中心處標(biāo)記一個(gè)黑色靶標(biāo)。在圖像跟蹤狀態(tài)時(shí)，可見光攝像機(jī)處于最小視場(chǎng)角，靶標(biāo)位于視場(chǎng)中心；當(dāng)圖像的脫靶量輸出為零時(shí)，斷開圖像跟蹤回路，此時(shí)脫靶量正常輸出。開始啟動(dòng)搖擺臺(tái)，搖擺臺(tái)的方位軸和俯仰軸均以幅值為5°、頻率為0.4Hz進(jìn)行搖擺。脫靶量數(shù)據(jù)輸出頻率為25Hz。記錄50個(gè)搖擺周期。穩(wěn)定精度的計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

式中：μx、μy為水平和垂直方向的穩(wěn)定精度；α、β為可見光相機(jī)的視場(chǎng)角；L、V為圖像水平和垂直方向的總像素點(diǎn)；X1、X2、Y1、Y2分別為單個(gè)搖擺周期水平和垂直方向脫靶量的最小值和最大值；C為角度和弧度之間轉(zhuǎn)換系數(shù)。對(duì)50個(gè)搖擺周期求取均值，可以得到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

圖4分別為方位和俯仰的穩(wěn)定精度曲線圖。

圖4　平臺(tái)穩(wěn)定精度曲線圖

以5組搖擺試驗(yàn)測(cè)試穩(wěn)定精度，結(jié)果如表1所示。對(duì)連續(xù)5組搖擺試驗(yàn)，每次50個(gè)搖擺周期的穩(wěn)定精度和穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。結(jié)果表明，方位軸和俯仰軸的穩(wěn)定精度控制優(yōu)于2.5mrad，可實(shí)現(xiàn)視頻圖像的穩(wěn)定輸出。

表1　穩(wěn)定精度測(cè)試結(jié)果

5結(jié)束語

針對(duì)無人機(jī)光電吊艙的小型化、輕量化的趨勢(shì)，研制了采用單FPGA作為控制核的無人機(jī)光電穩(wěn)定吊艙控制系統(tǒng)。分析了光電吊艙的組成及各個(gè)組成模塊的工作原理，描述了多控制回路實(shí)現(xiàn)過程及各個(gè)回路在控制系統(tǒng)中的作用，同時(shí)解釋了增量式PI控制算法及VHDL的實(shí)現(xiàn)過程。最后，通過搖擺臺(tái)的試驗(yàn)室測(cè)試，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。

參考文獻(xiàn)

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DesignandRealizationofControlSystem

Abstract：According to the developing trend of optical pod of UAV, i.e., compact and lightweight, by fully using hardware resources of FPGA, the control system based on FPGA for the optical pod is designed.With reducing the tooling sizes, the stability of system is improved to replace traditional control system based on both FPGA and DSP.The hardware composition of FPGA control system is described in detail, the design of multi-loop control circuit is proposed, and the incremental PI control algorithm is realized.The stabilization accuracy of the system is verified through experimental tests on sway platform.

Keywords:FPGAOptical podUAVControl system Automatic identificationImage trackingMulti-loop control circuitVHDLIncremental PI

中圖分類號(hào)：TH-3;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606012

修改稿收到日期：2015-10-19。

第一作者葉濤(1990-)，男，現(xiàn)為中北大學(xué)電子與通信工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事光電穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)的研究。