Дипломная (вкр): Система стабилизации линии визирования тепловизионного прибора

Рисунок 5 - Диаграмма взаимосвязей между требованиями

Эта диаграмма показывает, что основные требования к системам управления реального времени можно разделить на три основные части - это точность, производительность и аппарвтные затраты. Кроме того, каждая часть находится в обратной зависимости к другой части. Например, если необходимо повысить точность, то это может быть сделано за счет увеличения аппаратных затрат, например, увеличением количества разрядов АЦП. Или за счёт произвоительности и вычисления сложных алгоритмов работы. Обратная связь также имеет место. В какой-то степени это можно описать следующей фразой: Не существует бесплатных обедов. Другими словами, приходится платить ухудшением одного для улучшения другого. В данном случае повышение точности происходит за счет сложного алгоритма, тем самым занимается часть производительности микроконтроллера, или высокоразрядного АЦП.

Сказанное относится и к разрабатываемой системе. Она также имеет противоречивые требования. И это проблема, без решения которой невозможно осуществить дальнейшую разраотку. Решение этой проблемы позволит выполнить все требования, предъявляемые к системе. Чтобы найти это решение необходимо провести исследование.

Во-первых, это высокая точность системы или, другими словами, малая ошибка стабилизации. Она должна быть не более 5 угловых секунд. Что является на уравне современных систем. Для этого необходимо выбрать АЦП не менее 18 разрядов. И возможность изменения крутизны сигнала гироскопа, путём его усиления от 1 до 10 раз. Это необходимо для обеспечения чувствительности системы.

Во-вторых, система должна отрабатывать максимальную скорость в 40 град/с. Или другими словами, необходимо обеспечить высокуюю динамику системы стабилизации. Для этого, в первую очередь, необходимо эффективно отцифровать сигнал угловаой скорости. Не должна быть потеренна информация о высокой угловой скорости и полученна информация из всего динамического диапазона сигнала. Что сложно сделать, если сигнал будет усилен в 10 раз. Таким образом, данное требование, в некоторой степени, противоречит предыдущему.

Третье требование - это минимизация аппаратных затрат. Что влечёт за соой уменьшение стоимости, массогабаритных характеристик и энергопотребления системы. Данное требование связанно с тем, что система будет применяться на борту передвижного носителя, где важно уменьшение аппаратных затрат.

Подводя итоги, предъявляемые требования находятся в противоречии друг к другу. Что касается первых двух, то для обеспечения точности на малых угловых скоростях, тяжело получить информацию о больших угловых скоростях и наоборот. Конечно, и первое и второе требование, в какойто степени, являются точностью системы потому, что необхдимо уменьшить ошибку стабилизации и на малых, и на больших угловых скоростях. Для обеспечения этих требований одновременно нужны решения. А как было показанно ранее, эти решения могут быть как аппаратными, так и программными. Повышение производительности приводит к тому, что можно применять более сложные алгоритмы или программные решения, что показанно на рисунке 5. Но, существует требование по уменьшению аппаратных затрат. Следователно, повышение точности и динамики системы за счет схемотехнических решений не удовлетворяет поставленнуму требовонию минимизации аппаратных затра. Тогда, логично предположить, что решение должно быть на программном уровне. Такое решение было найденно и исследованоо, и оно рассматривается в следущем разделе.

Глава 2.Разработка и исследовние модели работы алгоритма восстановления ограниченного сигнала угловой скорости гироскопа на основе предложенного решения

Данная глава расскрывает такие части работы, как поиск решений для эффективного преобразования сигнала в цифровую форму. Существующие стандартные решения и их преимущества и недостатки рассматриваются в данной главе и приводятся причины, по которым эти решения не удовлетворяют поставленным требованиям. После чего предлогается решение, и создаётся модель на которой проверяется и исследуется предлогаемое решение.

.1 Обоснование структурной схемы системы стабилизации линии визирования

Необходимо рассмотреть структуру системы стабилизации, что позволит лучше понять задачу. Система стабилизации линии визирования представляет собой систему автоматического управления. И она имеет стандартные блоки в собственной структуре. Их можно разделить на три основные части - это датчики, вычислительное устройство и испольнительный механизм. Структурная схема системы стабилизации изображения показан на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема системы стабилизации линии визирования

Гироскоп является основным датчиком системы. Стабилизация происходит на основе сигнала от гироскопа. Этот сигнал имеет размерность угловой скорости. В данном случае это угловая скорость оптического блока вокруг одной или двух осей (курса или тангажа) потому, что гироскоп соединён механически с оптическим блоком. Такое расположение гироскопа приводит к тому, что сигнал угловой скорости это есть производная по времени от ошибки стабилизации. В отличие от конструкции, когда гироскоп соединен с корпусом системы. В таком случае сигнал гироскопа есть угловая скорость вращения корпуса, или, другими словами это производная по времени возмущающего воздействия .  ̇. Где точка обозначает производную по времени.

Следует отметить, что гироскоп устроен таким образом, что показавает угловую скорость. И это есть производная по времени от ошибки системы (), она показанна на структурной схеме. Её необходимо проинтегрировать для того, чтобы получить угол отклонения оптического блока от начального положения. Это нужно, если угол используется в алгоритме стабилизации. Но так же, для управления возможно использовать только угловую скорость. Для вычисления интеграла и алгоритма стабилизации применяется вычислительное устройство. В разрабатываемой системе это микроконтроллер.

Форма сигнала с гироскопа представляет собой синусоиду. И максимальная амплитуда равна 12 В. АЦП не может принять такое напряжение, поскольку напряжение опоры меньше, чем 12 В. Блок предворительного преобразования сигнала предназначен для того, чтобы сигнал мог быть оцифрованы без проблем. Структура и функциональность этого блока зависит от выбранного решения задачи. Решения могут быть реализованы на аппаратном или программном уровне. Если программное решение будет реализовано, основная часть блока предворительного преобразования сигнала будет расположена в вычислительном устройстве, что позволит снизить аппаратные затраты.

АЦП необходим для преобразования сигнала из аналогового в цифровой вид. АЦП сопоставляет цифровой код входному напряжению. Это происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Таким образом, определяется частота дискретизации. После того, как данные готовы АЦП выставляет на линии спадающий или нарастающий фрон, по которому микроконтролер определяет время, когда данные были подготовлены. Это сделанно потому, что данные могут быть переданы с задержкой от АЦП к микроконтроллеру, а сигнал готовности передается практически мгновенно. Счетчик и обработчик прерываний, встроенные в микроконтроллер, используются для получения точного времени готовности. Это время необходимо для правильной работы алгоритма стабилизации. Блок-схема показывает соединение АЦП с микроконтроллером или, другими словами, АЦП передает данные и время, когда были получены эти данные.

Микроконтроллер принимает данные и выполняет вычисления на основе этих данных. Микроконтроллер может принимать различные данные, такие как частота дискретизации АЦП, опорную частоту и сигналы от вспомогательных датчиков, таких как датчики температуры и так далее. Что касается сигнала опорной частоты, то этот сигнал нужен, чтобы определить фазу сигнала угловой скорости гироскопа. Более подробно это раскроется в следущем разделе. Сигнал опорной частоты аналогичен сигналу частоты дискретизации. И оба они обрабатываются с помощью микроконтроллереа похожим образом, с помощью встроенного счетчика и аппарата прерываний. Микроконтроллер можно представить в виде черного ящика, который имеет несколько входов и выходов.

Результ вычислений основного алгоритма стабилизации - это управляющее воздействие на двигатель, которое необходимо преобразовать из цифрового вида в аналоговый вид, что осуществляется с помощью различных цифро-аналоговых преобразователей. Например, это может быть устройство широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Устройство ШИМ обеспечивает возможность контролировать среднюю величину напряжения на нагрузке. Таким образом, можно контролировать скорость вращения двигателя.

Электродвигатель потребляет большое количество энергии. Следовательно, драйвер или усилитель необходим для управления двигателем. Драйвер усиливает слабый сигнал от микроконтроллера. Чаще всего усиление происходит и по току, и по напряжению.

Расчитаное значение или результат вычисления преобразуется в напряжение, как уже упоминалось ранее. И, как правило, напряжение, подаваемое на двигатель пропорционально крутящему моменту. Таким образом, можно регулировать вращение электродвигателя путем изменения напряжения. В свою очередь, электродвигатель вращает оптический блок. Это вращение направлено на удержание позиции оптического блока неизменной в пространстве. Таким образом замыкается обратная связь в автоматической системе управления. Итак, целью управления является поддержание фиксированного положения оптического блока в пространстве вокруг двух осей вращения, курс и тангаж. Линейные перемещения оптического блока не компенсируются.

Были рассмотренны структурная схема системы стабилизации линии визирования в целом и каждый блок был рассмотрен в отдельности. Точность и динамика всей системы зависит от правильной работы каждого блока и корректной передачи информации между ними, но данная работа не покрывает всю систему, а только некоторую её часть. Основываясь на структурной схеме, можно показать область или часть системы, в которой проводится исследование, в основном, это блок преобразования сигнала, АЦП и микроконтроллер. Другими словами, область исследования, данной работы, это преобразование сигнала угловой скорости гироскопа в цифровой вид, с целью удовлетворя всем требованим. Для этого преобразование необходимо выполнить максимално эффетивно.

.2 Исследуемая область системы стабилизации линии визирования с точки зрения предъявляемых требований

Система стабилизации должна выполнять компенсацию вращения в двух направлениях, курс и тангаж. Это углы поворота относительно вертикальной и относительно главной (горизонтальной) поперечной оси инерции, соответственно. На крен, что есть угол поворота относительно продольной оси, система не должна. Вращение относительно одной оси будет рассмотрено далее для простоты изложения, пусть это будет курс. Вращение относительно оси тангажа аналогично.

В общем случае, система может имеет как линейное, так и угловое перемещение. Такая траектория может быть разбита на множество дуг с некоторыми радиусоми. Это показано на рисунке 7а.

Рисунок 7 - Обобщённое (а) и упращённое (б) движение системы стабилизации линии визирования и ошибка стабилизации α

Фигура, изображённая на русунке, показывает вид сверху схематически изображённой системы стабилизации, представленна в виде двух основных частей: корпус и оптический блок. Эта абстракция сделанна для облегчения рассмотрения работы. Оптический блок - это светопреломляющее тело (линза или зеркало), которое остается неподвижным в пространстве относительно инерциальной системы координат, за счет чего достигается стабилизация линии визирования. В свою очередь, корпус движется в пространстве и может совершать как угловые вращения, так и линейные перемешения. Другими словами, траектория корпуса может быть любой, и он может иметь любую угловую скорость в определённом диапазоне. Следовательно, оптический блок вынужден совершать линейные перемещения. И оставаться полностью неподвижным в пространстве он не может. Но он может, и более того, он должен совершать только поступательное движение и оставаться неподвижным в плане углового вращения. Поступательное движение - это такое движение, при котором любой отрезок прямой, связанный с движущимся телом, форма и размеры которого во время движения не меняются, остается параллельным своему положению в любой предыдущий момент времени. Это достигается за счет работы системы стабилизации. Другими словами, цель работы системы стабилизации - это осуществление точного поступательного движения оптического блока.

Далее, линейные перемещения, рассматриваться не будут, потому что система не реагирует на них. Она не можен на них реагировать из-за своей конструкции. Но она реагирует и отрабатывает угловые перемещения. Это обстаятельство упрощает схему функционирования системы, которая показана на рисунке 7 (б). В этом случае и корпус, и оптический блок совершают только угловые перемещения относительно центра масс. Когда корпус отклоняется на угол β, оптический блок должн оставаться в состоянии покоя. Это идеальная работа системы стабилизации. Но в действительности, оптический блок поворачивается на определенный угол α. В сущности, этот угол есть ошибка работы системы или ошибка стабилизации, которая существует всегда, но важна её величина. Чем она меньше, тем лучше. В основном, она связанна с трением между корпусом и оптическим блоком и неточной работой электронной аппаратуры, которая должна компенсировать трение на основе сигналов с датчиков используя двигатели. Другими словами, цель системы состоит в сведении к нулю угла α. Когда система работает, то угол α всегда меньше угла β, но если система выключена, угол α может быть любым, даже больше чем β.

Таким образом, система должна минимизировать угол α. Это делается на основе сигнала угловой скорости гироскопа. Гироскоп соединён механической связью с оптическим блоком. Когда он начинает менять положение в пространстве, система реагирует на это. И оптический блок возвращается в исходное положение с помощью электродвигателя.

Обобщая вышесказанное, в реальности, оптический блок, отклоняется на небольшой угол α от исходного положения, когда корпус врящается. Угол α это ошибка стабилизации. Угол β это угол отклонения корпуса от начального положения или это возмущение воздействие на систему.

Реакция системы на возмущающее воздействие не является мгновенной. Тоесть, существуют переходные процессы. Примееры таких переходных процессов показаны на рисунке 8. Возмущающее воздействие показанно красной линией. Это угол поворота корпуса (β). Реакция системы или ошибка стабилизации показана зеленой линией. Это угол отклонения оптического блока от начального положения (α).

Рисунок 8 - Примеры реакции системы на различные возмущающие воздействия

Эти графики показывают ошибку стабилизации при различных возмущающих воздействиях. Это только пример, и не обязательно, что на практике будут такиеже графики. Но русунок 9 показывает общий смысл работы системы. То есть, ошибка система не постоянна с течением времени. Она зависит от возмущающего воздействия и конфигурации системы.

Существует два главных момента в работе системы стабилизации. Первое, система стабилизации должна уменьшать максимальную ошибку системы при различных возмущающих воздействиях во времени. При этом, это должно происходить с максимальной точностью, тоесть ошибка стабилизации должна стремится к нулю. И второе, система должна правильно реагировать на быстрые или резкие возмущающие воздействия. Первое можно назвать точностью, а второе динамикой. Конечно, в общем смысле динамика и точность являются примерно похожими понятиями в конкретном случае. То есть и то, и другое есть минимизации ошибки стабилизации. Но главное отличие в том, насколько большое возмущающее воздействие в каждом случае. В первом случае ошибку системы необходимо свести к нулю с высокой степенью точности. В другом случае, достаточно среагировать правильно на возмущающее воздействие. Потому что, в конце концов, все сводится к первому случаю. Большая угловая скорость постепенно уменьшается за счёт работы системы стабилизации. И поэтому, важно, чтобы система в полной мере среагировала на ранней стадии возникновения большой угловой скорости, а затем достаточно быстро и точно довела ошибку к нулю. И так, точность реакции системы не важна на больших угловах скоростях, а важна правильность реакции. А на малых угловых скоростя важна и правильность и самое главное точноность.