二維修正彈雙核控制系統設計

肖 雨，杜忠華，劉仁杰，馬瑞雪，魏遠旺

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

二維彈道修正技術是常規彈藥發展的主要方向，目前其正朝著射程更遠、精度更高的方向發展[1]。彈箭精確化以普通火炮為發射平臺，將其改造成體積小、抗過載能力強的新型智能彈藥，在戰場上形成壓制火力。智能彈藥與普通導彈相比，在信息含量和技術含量上有很大提高，對于我國防空反導裝備和技術的發展具有極其重要的現實意義。

作為修正彈藥的核心，控制系統對接收到的信息進行處理，并控制各模塊協同工作完成彈道修正，其性能影響重大，對二維修正彈控制系統的研究具有重大意義。

二維修正控制系統對實時性有較高要求，基于DSP或單片機的單核控制系統難以滿足實時性要求。本文設計了一種基于DSP+STM32的雙核控制器，并對其進行軟硬件設計和實驗仿真驗證。

1 二維修正控制系統原理

二維修正是在一維修正的基礎上加入橫向修正，提升精度的同時也增加了控制難度[2]。本方案選用連續修正閥作為修正執行機構，如圖1所示，閥芯上有多個扇形出氣槽，在外壁上有4個互為90°的噴射孔，閥芯上有凹槽與電機輸出軸相連。電機轉動時，帶動閥芯旋轉，通過驅動器調節電機轉至不同角度，可使不同位置噴射孔噴氣，以此來達到修正目的。

在發射前先將標準彈道存儲在非易失性的FRAM鐵電存儲器中，系統上電初始化，通過GPS和地磁傳感器探測到彈體實時位置與狀態信息，然后DSP對接收到的數據處理，解算出彈體實際運行軌跡。將實際彈道與預先裝訂的標準彈道進行比較獲得偏差值，再根據偏差值計算出所需的修正量[3-4]。同時根據計算得到的修正量形成控制指令，與STM32進行通信，STM32設置定時器，待定時器時間到，起爆電路引爆火工品，電機帶動修正閥芯旋轉，可使不同位置噴射孔噴氣，實現彈道修正。

圖1 修正機構示意

2 控制器設計

本文設計的基于DSP和STM32的雙核控制器，具有高實時性。DSP控制器選用具備32位浮點處理單元的TMS320FF28335[5]，外設集成度高，能實時快速地實現各種數字信號處理算法，抗干擾能力強，此外，由于其具備高速處理能力，可用于數值運算密集的彈道信息處理等。而單片機的控制芯片選用STM32F427ZGT6，該芯片集成了單周期DSP指令和FPU(浮點單元)。控制器系統結構如圖2所示。該系統主要由5個主要模塊組成，分別是電源模塊、DSP與STM32最小系統模塊、升壓起爆模塊、存儲和通信模塊、修正機構驅動模塊。控制器系統各模塊主要功能如下：

a.DSP負責GPS和地磁信號處理，獲得彈體實時坐標和姿態，輸出火控參數給STM32，并輸出PWM波控制電機啟停及正反轉，以實現彈道修正功能。

b.STM32與DSP通信，在接收到控制信號后實時控制升壓起爆電路工作。

c.電源模塊作為控制器的核心部分，用于向其他模塊提供穩定工作電壓[6]，使電路兩端電位差維持在恒定狀態。

d.電機驅動模塊驅動電機正反轉，以此帶動修正執行機構精準動作，實現修正功能。

e.升壓起爆模塊負責引爆火工品。

f.FRAM作為數據存儲載體，掉電不丟失。

g.GPS模塊和地磁模塊可用于測量彈體實時坐標和姿態。

圖2 系統結構框圖

2.1 電源模塊

系統外部輸入24 V直流電源供各模塊使用，利用 LM2596 降壓型電源管理芯片將24 V電壓分別降壓至5 V、3.3 V、1.9V。采用LM2577芯片輸出15 V電壓供電機驅動芯片工作。芯片內核工作電壓為1.9 V， GPIO 口工作電壓為3.3 V，5 V電壓則作為IR2130等其他芯片的工作電壓。電源模塊設計框架如圖3所示。

圖3 電源模塊設計

2.2 存儲和通信模塊

存儲模塊用于存儲GPS數據和彈道解算參數，以便對后續的控制算法進行改進。本文選用FM24CL64作為系統隨機存儲器，其寫數據無延時、掉電數據保持10年的特性，保證了系統的可靠性。

通信模塊主要用于DSP芯片與STM32芯片的通信，當DSP彈道解算完成，輸出控制信號給STM32，控制升壓起爆電路工作。

2.3 修正機構驅動模塊

要控制修正機構動作，需要DSP發出PWM信號來控制開關器件的導通和關閉，使功率器件為電機的繞組提供良好的諧波電壓和電流，提升電機輸出轉矩的同時避免電磁擾動的產生。電機驅動電路如圖4所示。

圖4 修正機構驅動電路

為能給電機提供具有較大驅動能力的正弦波信號，本系統電機驅動模塊選用IR2130高壓驅動芯片，可以輸出6路驅動脈沖。其中3路輸出信號具有電平轉換功能。為提升控制精度，在電機的轉軸端配置增量式光電編碼器，能有效檢測轉子的位置。

在圖4所示驅動電路中，共包含3個P型場效應管和3個N型場效應管。P型場效應管放置在上臂，選用型號為IRFR1205，當A+端為高電平時，場效應管IRFR1205的柵極被拉低，故IRFR1205的柵極和源極之間會形成一個負電壓，場效應管NA+導通。R1與電源相連，作為NA+場效應管的上拉電阻，可上拉NA+的柵極，R1的電阻值選取應適當，若過小會導致三極管導通時電流過大，反之，若阻值選取過大會導致MOSFET柵極電壓上升速度緩慢，影響開關性能。R2的作用是作為基極電阻使三極管正常工作在放大區。R3的作用是下拉型抗干擾電阻。R4的作用主要是減少振蕩的同時減小柵極充電峰值電流，以及保護NA-型MOSFET不被擊穿。

2.4 升壓起爆模塊

本系統升壓模塊選用MAX8570系列升壓轉換器，其采用內部n溝道開關和p溝道輸出隔離開關，電源電壓2.7～5.5 V，輸出可達28 V。起爆電路如圖5所示。Vout_FIRE端用于為起爆模塊提供25 V工作電壓，火工品一端接FIRE，另一端與陰極連接。當接收到控制信號時，CTRL_OUT端變為高電平，可控硅導通，火工品起爆。同時為屏蔽方波信號的影響，選用SN74AHC86D四路2輸入異或門，STM32中2個IO引腳信號經過異或門作為升壓起爆模塊的控制信號，以免上電復位時IO口電平不定導致誤觸發。

圖5 起爆電路

3 軟件設計

本系統DSP與STM32開發環境分別基于CCS6.0和Keil5。控制系統工作流程如圖6所示。

圖6 控制系統工作流程

為節省GPS定位時間，在發射前先將衛星軌道參數存入GPS接收機，并將目標和環境信息存儲在非易失性的FRAM鐵電存儲器中[7]，作為彈道解算的參考依據。彈丸發射后系統上電初始化，GPS接收機迅速定位確定發射點，并結合地磁傳感器接收彈體實時位置與狀態信息，然后DSP對接收到的數據處理，解算出彈體實際運行軌跡。將實際彈道與預先裝訂的標準彈道進行比較獲得偏差值，再根據偏差值計算出所需的修正量。同時根據計算得到的修正量形成控制指令，與STM32進行通信，STM32設置定時器，待定時器時間到，起爆電路引爆火工品，電機帶動修正閥芯旋轉，可使不同位置噴射孔噴氣，實現彈道修正。

3.1 數據接收與處理

GPS數據幀共10位，包括1個起始位、1個停止位、1～8位數據位、不設置奇偶校驗位[8]。當DSP接收到1幀有效數據，將其放入接收緩存寄存器，接收緩沖就緒標志位被置位，數據無效則重新接收。數據接收完畢，DSP對接收到的有效數據進行預處理和濾波，并將處理后的數據寫入臨時存儲器FRAM。

為提升系統定位精度，避免隨機因素干擾，本系統采用無跡卡爾曼濾波(UKF)算法對接收到的彈道數據進行處理[9]。UKF算法基于線性濾波框架，通過使用無跡變換來處理非線性傳遞問題，對精度和穩定性有保障。非線性彈道觀測方程組為

(1)

X為狀態量；W為過程噪聲；V為觀測噪聲;k為時間序列；f為非線性狀態方程函數；h為觀測方程函數。

UKF算法處理過程主要分為以下幾個步驟：

a.根據式(2)和式(3)，計算出2n+1個采樣點及相應權值，也稱為(無跡)UT變換。

(2)

(3)

b.計算Sigma點集的一步預測和協方差矩陣，并根據得到的預測值進行UT變換，產生新的Sigma點集。

c.將最新得到的Sigma點集代入式(1),計算出預測觀測量，并通過加權求和得到系統預測的均值及協方差。

d.計算增益矩陣，并進行狀態和協方差更新。

3.2 修正機構控制

本系統采用增量式光電編碼器結合DSP的eQEP模塊，用于檢測電機的轉速、轉向以及電機的絕對位置信息和相對位置增量。

為提升修正機構動作精度，加快控制系統響應速度，采用基于神經網絡的位置-速度雙閉環PID控制算法[10]對脈沖修正機構進行精準控制。將PID控制規律與神經元網絡相結合，根據控制效果進行在線學習和調整，加快收斂速度，提升控制系統性能。

PID控制由比例、積分、微分3個環節組成，并形成統一標準信號控制修正執行機構動作。將PID和神經網絡相結合主要有2步：首先定義具有比例、積分、微分功能的神經元，構成PID神經元；接著根據PID神經元控制規律使基本神經元構成新的神經網絡，并找到合理有效的計算學習方法。作為對傳統PID控制的改進型控制算法，單神經元構造PID控制器網絡輸入為

(4)

PID控制器網絡輸出為

u(k)=W1X1(k)+W2X2(k)+W3X3(k)

(5)

Wi為PID控制器中的參數KP、KI、KD，可以通過在線調整PID的3個參數使之達到最優值，進而達到改善控制系統性能的目的。

4 實驗及仿真

4.1 通信模塊功能驗證

利用CCS對DSP與STM32通信過程進行仿真觀察，當DSP與STM32開始通信前，標志位均為初始值0;DSP向STM32發送數據后，tx_flag標志位置位，STM32正確接收后，其LED全部點亮，DSP接收到0xAA，置sci_tx_success標志位，并點亮其2個LED,最終2個芯片的LED均全部點亮，驗證了該模塊通信較為可靠，滿足設計功能要求。

4.2 升壓起爆模塊功能驗證

要驗證電路板的升壓起爆模塊。首先在上電前將代碼燒寫入電路板，接著將火工品兩端分別連接FIRE和GND線，系統上電初始化后等待數秒，點火頭被引爆。同時通過示波器觀察起爆瞬間火工品兩端電流變化，在起爆瞬間火工品兩端電壓高達25 V，且只有當FIRE和CTRL控制信號同時作用才能起爆成功，起爆波形如圖7所示。由圖7可看出升壓起爆模塊功能正常，滿足設計要求。

圖7 起爆放電波形圖

4.3 數據接收與處理仿真驗證

發射2 s后開始接收測量數據，并對二維修正彈全彈道進行UKF濾波。首先設置過程噪聲和量測噪聲協方差矩陣、彈丸自身參數等產生初始彈道數據的初始條件。x-z平面彈道軌跡如圖8所示。

圖8 x-z平面彈道軌跡

仿真表明對彈道數據進行UKF濾波處理可以降低測量數據帶來的誤差，提升控制系統精度。

4.4 修正機構控制模塊驗證

要驗證電機驅動模塊功能是否符合設計要求，首先需要搭建實驗設備，編寫代碼控制電機正反轉，先穩定加速到最大設定值，后勻減速直到電機轉速為0，再控制電機按設定規律進行反轉。通過示波器觀察電機空載時運行過程的PWM波形圖，驗證表明電機驅動模塊功能正常。

為驗證脈沖修正機構功能特性，搭建直流電機控制平臺，采用增量式光電編碼器配合DSP的eQEP模塊，用于檢測電機的轉速、轉向以及電機的絕對位置信息和相對位置增量。對脈沖修正電機控制模塊進行系統建模，并采用PID神經網絡控制算法進行仿真試驗，驗證脈沖修正機構的實時性與可靠性。選取恰當的電機階躍信號幅值，修正機構的電機響應特性曲線和控制誤差曲線分別如圖9和圖10所示。

圖9 修正機構電機響應曲線

圖10 控制誤差曲線

由圖9和圖10可知，修正執行機構控制量能迅速響應，趨近目標值，且控制誤差會在起控初期急劇下降，最后將誤差限定在極小的范圍內，表明采用神經網絡對修正執行機構電機進行控制效果較好，能保證修正機構控制精度和實時性。

4.5 系統聯調

為驗證該控制系統工作性能，采用蒙特卡洛打靶法對修正控制效果進行分析，忽略隨機誤差的影響，圖11為給出的二維修正彈算例在修正前和修正后的彈道落點散布圖(模擬打靶100次)，由圖11可知，修正后彈道落點散布密集度得到較大提升，滿足設計要求。

圖11 落點散布對比圖

5 結束語

為提升二維彈道修正控制系統精度和實時性，本文采用連續修正閥作為修正執行機構，設計了一種基于DSP和STM32的雙核控制器，完成了控制系統總體結構設計，并對主要功能模塊展開詳細的軟硬件設計，采用無跡卡爾曼濾波對彈道數據進行處理，并對修正機構進行神經網絡PID控制，通過實驗與仿真，驗證了控制系統的實時性與可靠性，為類似控制系統設計提供參考。