弹载滚转稳定平台关键技术研究
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摘要
修正弹药是上世纪80年代提出并迅速发展起来的一种精确打击弹药。相对榴弹、迫弹、火箭弹等传统常规弹药,带有修正能力的新型弹药能大幅提高目标命中率,具有较高的作战消费比,是现代弹药发展的主要方向之一。
基于图像识别的弹道修正弹药带有CCD成像装置,能够自动寻找、锁定并攻击目标,具有打了不管的优点。对于炮兵弹药而言,一般其旋转会降低目标在CCD上的成像清晰度,进而影响到导引头对目标的识别精度,因此,需要对弹载CCD进行减旋以减弱弹丸旋转对CCD成像的影响。
弹载滚转稳定平台是一组与CCD固联的闭环伺服系统。通过驱动电机,带动CCD以与弹丸相同的转速逆弹丸转动方向旋转,保持弹载CCD与目标相对不旋转或低转速范围内的微旋,达到CCD减旋的目的。若要实现CCD减旋,弹丸的转速即滚转姿态则成为计算滚转稳定平台控制量必不可少的先决条件。
本文以某型火箭弹为背景,对弹载滚转稳定平台的主要关键技术进行了研究。利用地磁场探测技术,提出了弹载滚转稳定平台中解算弹丸滚转姿态的算法;对弹丸姿态探测系统进行了硬件设计,并通过样机试验对测量算法进行了验证;在稳定平台的控制系统方面,提出了控制系统的数学模型,确定了控制器的控制方案并进行了计算机仿真。控制器采用单片机作为主控单元,以C语言实现控制器的单片机程序,利用光电码盘测角,实现电机的反馈控制。
仿真及试验结果表明,本文所提出的弹载滚转稳定平台可行,为该技术在工程应用上奠定了基础。
Trajectory correction projectile as a kind of precise strike ammunition was put forward and developed rapidly during 1980's. Compared with shrapnel, mortar projectile, rocket projectile and other conventional ammunition, the new projectile with trajectory correction can shoot straight, and has higher campaign consumption ratio. The trajectory correction projectile is one of the main direction for modern ammunition developing.
CCD is a part of the trajectory correction projectile based on image recognition which can seek, lock and attack the target automatically. The CCD image definition would be influenced by projectile rotation, which also can influence the identify precision of the seeker. Thus, decreasing the influence of projectile rotation on CCD image quality is necessary.
Projectile-mounted stabilized platform for rotation is a closed loop servo system connected with CCD. Drived by motor, CCD can roll as fast as the projectile in the opposite direction, keep stationary relative to the target, and reach the aim of decreasing eddy. In order to carry out the project above, the roll attitude of the flying body must be calculated first, because the rotation angle is one of the most important parameters to the control system.
The research on key techniques of the projectile-mounted rotation stabilized platform in this paper bases on of rocket projectile. A means of roll attitude arithmetic is put forward, using geomagnetism detection. Hardware design for projectile roll attitude detective system has been given. The validity of this prototype was validated by experiment. Mathematical model of stabilized platform system has been described and control system simulation has been done. SCM has been regarded as control center, and the control program is compiled in C language. The feedback control is realized by coder which is used for measuring angle.
Feasibility of this stabilized platform system is validated by experiment on prototype, which can be used as a base for engineering application.
基于图像识别的弹道修正弹药带有CCD成像装置,能够自动寻找、锁定并攻击目标,具有打了不管的优点。对于炮兵弹药而言,一般其旋转会降低目标在CCD上的成像清晰度,进而影响到导引头对目标的识别精度,因此,需要对弹载CCD进行减旋以减弱弹丸旋转对CCD成像的影响。
弹载滚转稳定平台是一组与CCD固联的闭环伺服系统。通过驱动电机,带动CCD以与弹丸相同的转速逆弹丸转动方向旋转,保持弹载CCD与目标相对不旋转或低转速范围内的微旋,达到CCD减旋的目的。若要实现CCD减旋,弹丸的转速即滚转姿态则成为计算滚转稳定平台控制量必不可少的先决条件。
本文以某型火箭弹为背景,对弹载滚转稳定平台的主要关键技术进行了研究。利用地磁场探测技术,提出了弹载滚转稳定平台中解算弹丸滚转姿态的算法;对弹丸姿态探测系统进行了硬件设计,并通过样机试验对测量算法进行了验证;在稳定平台的控制系统方面,提出了控制系统的数学模型,确定了控制器的控制方案并进行了计算机仿真。控制器采用单片机作为主控单元,以C语言实现控制器的单片机程序,利用光电码盘测角,实现电机的反馈控制。
仿真及试验结果表明,本文所提出的弹载滚转稳定平台可行,为该技术在工程应用上奠定了基础。
Trajectory correction projectile as a kind of precise strike ammunition was put forward and developed rapidly during 1980's. Compared with shrapnel, mortar projectile, rocket projectile and other conventional ammunition, the new projectile with trajectory correction can shoot straight, and has higher campaign consumption ratio. The trajectory correction projectile is one of the main direction for modern ammunition developing.
CCD is a part of the trajectory correction projectile based on image recognition which can seek, lock and attack the target automatically. The CCD image definition would be influenced by projectile rotation, which also can influence the identify precision of the seeker. Thus, decreasing the influence of projectile rotation on CCD image quality is necessary.
Projectile-mounted stabilized platform for rotation is a closed loop servo system connected with CCD. Drived by motor, CCD can roll as fast as the projectile in the opposite direction, keep stationary relative to the target, and reach the aim of decreasing eddy. In order to carry out the project above, the roll attitude of the flying body must be calculated first, because the rotation angle is one of the most important parameters to the control system.
The research on key techniques of the projectile-mounted rotation stabilized platform in this paper bases on of rocket projectile. A means of roll attitude arithmetic is put forward, using geomagnetism detection. Hardware design for projectile roll attitude detective system has been given. The validity of this prototype was validated by experiment. Mathematical model of stabilized platform system has been described and control system simulation has been done. SCM has been regarded as control center, and the control program is compiled in C language. The feedback control is realized by coder which is used for measuring angle.
Feasibility of this stabilized platform system is validated by experiment on prototype, which can be used as a base for engineering application.
引文
[1]海涛,徐嫣,高翔.飞行器三轴姿态测量方法.广西大学学报.2004,29(增刊):60-62
[2]田菁,吴美平,胡小平.三轴磁强计姿态确定.国防科技大学学报.2001(5):17-21
[3]王广龙,祖静,张文栋,马铁华.地磁场传感器及其在飞行体姿态测量中的应用.北京理工大学学报.1999,19(3):361-364
[4]杨忠根,栾晓明.利用椭圆性质提取椭圆.中国图象图形学报.1997,2(7):517-519
[5]张卫华,侯文,杨瑞峰,郑浩鑫.地磁感应线圈法探测火箭弹的滚转运动.测试技术学报.2004,18(2):171-173
[6]李磊源,李汉军,施文康.飞行器的一种空间定向与导航的方法.探测与控制学报.2003,25(2):20-22
[7]刘世平,易文俊.弹丸飞行姿态的计算机采集与处理.弹道学报.2001,13(3):73-78
[8]杨忠根,栾晓明,胡辉.利用极点一极弦性质提取椭圆.哈尔滨工程大学学报.1997,18(5):70-77
[9]卢鸿谦,尹航,黄显林.偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法.宇航学报.2007,28(4):897-902
[10]李春宝.地磁的数学理论和计算公式.大连海事大学学报.2001,27(3):1-6
[11]Andrew Fitzgibbon,Maurizio Pilu,and Robert B.Fisher.Direct Least Square Fitting of Ellipse.Pattern Analysis and Machine Intelligence.1999,21(5):476-480
[12]吴刚,李一博..磁阻传感器HNCl021应用.电子测量技术.2005(3):20-21
[13]薛程,王士同.椭圆检测算法的比较.江南大学学报.2006,5(6):674-678
[14]陈勇巍,程翔,张河.弹道修正弹滚转角辨识系统模型与误差分析.探测与控制学报.2006,28(4):44-51
[15]邹益民,汪渤.一种基于最小二乘的不完整椭圆拟合算法.仪器仪表学报.2006,27(7):808-812
[16]陈清文.基于磁阻传感器的载体姿态测量系统的设计.南京理工大学硕士学位论文.2004,6
[17]杨晓浩.地磁信号姿态技术在弹道修正引信中的作用.南京理工大学硕士学位 论文.2006,6
[18]王宇飞.基于地磁环境仿真系统的卫星导航算法研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006,6
[19]张立勋,沈锦华,路敦民,杨勇.AVR单片机实现的直流电机PWM调速控制器.机械电子.2004(4):29-32
[20]谷素梅,张经武.CCD摄象机光学惯性稳像跟踪头.光学技术.1995(2):21,47
[21]董期林,张淑梅.DSP控制的直流电机伺服系统.电光与控制.2006,13(2):109-112
[22]仲志丹,张洛平,张青霞.PID调节器参数自寻优控制在运动伺服中的应用.洛阳工学院学报.2000,21(1):57-60
[23]曹刚.PID控制器参数整定方法及其应用研究.浙江大学硕士学位论文.2004,3
[24]王世虹.船载天线伺服系统抗摇摆方案研究.无线电通信技术.2003,29(2):47-49.
[25]王曦,张剑平,邓伟.单片机数字伺服系统设计.微机处理.2002(2):58-60
[26]卜彦龙,牛轶峰,沈林成.单通道防空导弹导引头图像的弹旋解耦新方法.系统仿真学报.2006,18(5):1164-1168
[27]武文杰,李奇,杨海峰.电视导引头伺服稳定平台数字控制器的研制.控制工程.2007,14(2):192-194,219
[28]董传昌,刘仁水.电视导引头特性分析.电光与控制.2003,10(4):58-60
[29]杨海峰,李奇,姬伟.高精度伺服稳定跟踪平台数字控制器研制.东南大学学报.2004,34(增刊)
[30]邢卓异.光电平台伺服系统设计及控制算法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2005,12
[31]朱涛,鲍德宁,许江宁,卞鸿巍.航空摄影陀螺稳定平台的嵌入式计算机控制系统.中国惯性技术学报.2002,10(3):42-45
[32]王新安.基于DSP的CCD二维指向机构控制器的研制.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006,6
[33]朱红平,李润求.基于Maflab的PID参数最优化设计.测控技术.2004,23(1):39-40
[34]李兰,房建成,韩潮.基于SIMULINK的惯性平台稳定系统的建模与仿真.中国惯性技术学报.2005,13(2):19-23
[35]王霆,李清军,王志达.基于TMS320F240的CCD相机消旋控制器,光学技 术.2004,30(3):363-364
[36]薛辉,王丛岭.基于单片机采用PH3算法的电机运行控制系统设计.机床电器.2006(1):51-52
[37]李维军,韩小刚,李晋.基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统.机电一体化.2004(5):49-51
[38]王霆,李小鹏,金晋,葛文奇.基于内模控制的CCD像机消旋控制器.吉林大学学报.2004,22(6):598-602
[39]张鹏.舰载摄像稳定平台的结构设计.舰船电子对抗.2006,29(3):70-73
[40]刘丹,孙鑫.舰载卫星天线稳定工作平台俯仰轴伺服系统设计研究.青岛大学学报.2003,16(3).58-63
[41]曹实实.数字化平台稳定回路的分析与设计.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2006,3
[42]韩松,张晓林.无人机机载天线单轴稳定平台设计与实现.遥测遥控.2004,25(2):51-54,59
[43]杨世明,牛中兴.步进电机的开环控制方法.江南航天科技.2002(3):30-33,53
[44]王勇,林洁.单片机的步进电机串行开环控制系统.机电产品开发与创新.2005,18(4):104-105
[45]周代彬.步进电机及直流伺服电机高精度定位控制.东南大学硕士学位论文.2001,3
[46]段英宏,杨硕.步进电机的模糊PID控制.计算机仿真.2006,23(2):290-293
[47]张华红.步进电机伺服系统建摸技术研究.山东大学硕士学位论文.2004,4
[48]史敬灼.基于DSP的混合式步进电机伺服系统研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2001,2
[49]于纪言.运动弹丸追踪摄影方法及关键技术研究.南京理工大学博士学位论文.2007,10
[50]孟新宇.指令修正弹药组合测量和自装定.南京理工大学博士学位论文.2008,3
[51]闵俊锋.利用地磁场确定弹道修正弹的滚转姿态.南京理工大学硕士学位论文.2006,6
[52]Michael S.L.Hollis.Preliminary Design of a Range Correction Module for an Artillery Shell.ARL-MR-298,1996.3
[53]Michael S.L.Hollis.Design and Analysis of a Prototype Range Correction Device for a Mortar Proieetile.ARL-MR-411,1998.8.
[54]Honeywell Magnetic Sensor Products user manual.Honeywell Application Note.2001
[55]Set/Reset Pulse Circuits for Magnetic Sensors.Honeywell Application Note.2001
[56]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,2002
[57]刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997
[58]左健民.机电控制工程基础.北京:机械工业出版社,2002
[59]张学孚,陆怡良.磁通门技术.北京:国防工业出版社,1995
[60]刘延柱.航天器姿态动力学.北京:国防工业出版社,1995
[61]王划一.自动控制原理.北京:国防工业出版社,2001
[62]史敬灼.步进电动机伺服控制技术.北京:科学出版社,2006
[63]马明建.数据采集与处理技术.西安:西安交通大学出版社,2005
[64]张军.AVR单片机应用系统开发典型实例.北京:中国电力出版社,2005
[65]王儒策,刘荣忠,苏玳,王晓鸣.灵巧弹药的构造与作用.北京:兵器工业出版社,2001
[66](苏)阿法拉谢耶夫.磁场参数测量器具.北京:科学出版社,1983
[67](苏)B.M扬托夫斯基.地磁学.北京:地质出版社,1959
[68](苏)卡拉什尼科夫.地磁及其应用.北京:科学出版社,1956
[69]徐文耀.地磁学.北京:地震出版社,2003
[70](苏)A.A德米特里耶夫斯基,韩子鹏等.外弹道学.北京:国防工业出版社。2000
[71]徐明有,丁松滨.飞行动力学.北京:科学出版社,2003
[72]浦发,芮筱亭.外弹道学.北京:国防工业出版社,1989
[73]徐明友.火箭外弹道学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004
[74]杨新勇,黄圣国.磁罗盘的罗差分析与验证.电子科技大学学报.2004,33(5):547-550
[2]田菁,吴美平,胡小平.三轴磁强计姿态确定.国防科技大学学报.2001(5):17-21
[3]王广龙,祖静,张文栋,马铁华.地磁场传感器及其在飞行体姿态测量中的应用.北京理工大学学报.1999,19(3):361-364
[4]杨忠根,栾晓明.利用椭圆性质提取椭圆.中国图象图形学报.1997,2(7):517-519
[5]张卫华,侯文,杨瑞峰,郑浩鑫.地磁感应线圈法探测火箭弹的滚转运动.测试技术学报.2004,18(2):171-173
[6]李磊源,李汉军,施文康.飞行器的一种空间定向与导航的方法.探测与控制学报.2003,25(2):20-22
[7]刘世平,易文俊.弹丸飞行姿态的计算机采集与处理.弹道学报.2001,13(3):73-78
[8]杨忠根,栾晓明,胡辉.利用极点一极弦性质提取椭圆.哈尔滨工程大学学报.1997,18(5):70-77
[9]卢鸿谦,尹航,黄显林.偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法.宇航学报.2007,28(4):897-902
[10]李春宝.地磁的数学理论和计算公式.大连海事大学学报.2001,27(3):1-6
[11]Andrew Fitzgibbon,Maurizio Pilu,and Robert B.Fisher.Direct Least Square Fitting of Ellipse.Pattern Analysis and Machine Intelligence.1999,21(5):476-480
[12]吴刚,李一博..磁阻传感器HNCl021应用.电子测量技术.2005(3):20-21
[13]薛程,王士同.椭圆检测算法的比较.江南大学学报.2006,5(6):674-678
[14]陈勇巍,程翔,张河.弹道修正弹滚转角辨识系统模型与误差分析.探测与控制学报.2006,28(4):44-51
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[17]杨晓浩.地磁信号姿态技术在弹道修正引信中的作用.南京理工大学硕士学位 论文.2006,6
[18]王宇飞.基于地磁环境仿真系统的卫星导航算法研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006,6
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[20]谷素梅,张经武.CCD摄象机光学惯性稳像跟踪头.光学技术.1995(2):21,47
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[25]王曦,张剑平,邓伟.单片机数字伺服系统设计.微机处理.2002(2):58-60
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[27]武文杰,李奇,杨海峰.电视导引头伺服稳定平台数字控制器的研制.控制工程.2007,14(2):192-194,219
[28]董传昌,刘仁水.电视导引头特性分析.电光与控制.2003,10(4):58-60
[29]杨海峰,李奇,姬伟.高精度伺服稳定跟踪平台数字控制器研制.东南大学学报.2004,34(增刊)
[30]邢卓异.光电平台伺服系统设计及控制算法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2005,12
[31]朱涛,鲍德宁,许江宁,卞鸿巍.航空摄影陀螺稳定平台的嵌入式计算机控制系统.中国惯性技术学报.2002,10(3):42-45
[32]王新安.基于DSP的CCD二维指向机构控制器的研制.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006,6
[33]朱红平,李润求.基于Maflab的PID参数最优化设计.测控技术.2004,23(1):39-40
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[35]王霆,李清军,王志达.基于TMS320F240的CCD相机消旋控制器,光学技 术.2004,30(3):363-364
[36]薛辉,王丛岭.基于单片机采用PH3算法的电机运行控制系统设计.机床电器.2006(1):51-52
[37]李维军,韩小刚,李晋.基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统.机电一体化.2004(5):49-51
[38]王霆,李小鹏,金晋,葛文奇.基于内模控制的CCD像机消旋控制器.吉林大学学报.2004,22(6):598-602
[39]张鹏.舰载摄像稳定平台的结构设计.舰船电子对抗.2006,29(3):70-73
[40]刘丹,孙鑫.舰载卫星天线稳定工作平台俯仰轴伺服系统设计研究.青岛大学学报.2003,16(3).58-63
[41]曹实实.数字化平台稳定回路的分析与设计.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2006,3
[42]韩松,张晓林.无人机机载天线单轴稳定平台设计与实现.遥测遥控.2004,25(2):51-54,59
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[44]王勇,林洁.单片机的步进电机串行开环控制系统.机电产品开发与创新.2005,18(4):104-105
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[46]段英宏,杨硕.步进电机的模糊PID控制.计算机仿真.2006,23(2):290-293
[47]张华红.步进电机伺服系统建摸技术研究.山东大学硕士学位论文.2004,4
[48]史敬灼.基于DSP的混合式步进电机伺服系统研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2001,2
[49]于纪言.运动弹丸追踪摄影方法及关键技术研究.南京理工大学博士学位论文.2007,10
[50]孟新宇.指令修正弹药组合测量和自装定.南京理工大学博士学位论文.2008,3
[51]闵俊锋.利用地磁场确定弹道修正弹的滚转姿态.南京理工大学硕士学位论文.2006,6
[52]Michael S.L.Hollis.Preliminary Design of a Range Correction Module for an Artillery Shell.ARL-MR-298,1996.3
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[55]Set/Reset Pulse Circuits for Magnetic Sensors.Honeywell Application Note.2001
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[57]刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997
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[60]刘延柱.航天器姿态动力学.北京:国防工业出版社,1995
[61]王划一.自动控制原理.北京:国防工业出版社,2001
[62]史敬灼.步进电动机伺服控制技术.北京:科学出版社,2006
[63]马明建.数据采集与处理技术.西安:西安交通大学出版社,2005
[64]张军.AVR单片机应用系统开发典型实例.北京:中国电力出版社,2005
[65]王儒策,刘荣忠,苏玳,王晓鸣.灵巧弹药的构造与作用.北京:兵器工业出版社,2001
[66](苏)阿法拉谢耶夫.磁场参数测量器具.北京:科学出版社,1983
[67](苏)B.M扬托夫斯基.地磁学.北京:地质出版社,1959
[68](苏)卡拉什尼科夫.地磁及其应用.北京:科学出版社,1956
[69]徐文耀.地磁学.北京:地震出版社,2003
[70](苏)A.A德米特里耶夫斯基,韩子鹏等.外弹道学.北京:国防工业出版社。2000
[71]徐明有,丁松滨.飞行动力学.北京:科学出版社,2003
[72]浦发,芮筱亭.外弹道学.北京:国防工业出版社,1989
[73]徐明友.火箭外弹道学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004
[74]杨新勇,黄圣国.磁罗盘的罗差分析与验证.电子科技大学学报.2004,33(5):547-550