Дипломная (вкр): Система стабилизации линии визирования тепловизионного прибора

Сстема должна сводить ошибку стабилизации к нулю быстро и точно. Но, ошибка стабилизации никогда не достигнит нуля. Это связанно с не идеальностью оборудования и програмного обеспечения. Всегда существует погрешность в измерениях и вычислениях. Система должна стремиться свести ошибку стабилизации к нулю, и, в некоторых случаех, ошибка стабилизации становится настолько малой, что её невозможно определить тем оборудованием, которое находится в наличии. Такие случаи возникают, когда система находится в покое и на неё не действует возмущающее воздействие. Ошибка стабилизации достигает своего максимума при сильном внешнем воздействии, и в этот момен она различима с помощью имеющегося оборудования. В целом, понятие ошибки стабилизации определяется как максимальная ошибка стабилизации при разных возмущающих воздействиях.

Также стоит отметить, что возмущающее воздействие можно разделить на резкое и плавное, если основываться на понятие угола. А если основываться на производной угла, то можно разделить, соответственно, на большое и малое возмущающее воздействие. Известно, что производная по времени от угла это есть угловая скорость. Другими словами, резкое возмущающее воздействие соответствует большой угловой скорости. Эта большая угловая скорость корпуса и оптического блока. Поскольку, оптический блок механически соединен с гироскопом. А сигнал с гироскопа показавет угловую скорость. Поэтому сигнал с датчика или гироскопа есть угловая скорость оптического блока.

Ключевым фактором точности стабилизации, является сигнал угловой скорости гироскопа. И необходимо его подробно рассмотреть. Форма сигнала представляет собой синусоиду. Амплитуда, которой, прямо пропорциональна угловой скорости вращения гироскопа. А фаза содержит информацию о направлении, в котором происходит вращение. Конечно, фаза относительная величина и измеряется относительно опорного сигнала, имеющего постоянную частоту. Опорная частота и частота информационного сигнала постоянны и равны. Сам сигнал гловой скорости гироскопа может быть представлен в виде выражения (1).

 (1)

В этом выражении, - это амплитуда, - это фаза, - это дрейф сигнала или постаянная составляющая и угловая частота. Параметры этих переменных следующие: ;;;Стоит отметить, что дрейф сигнала - это паразитное явление, и его величина очень мала по сравнению с полезным сигналом. В некоторых случаях эта составляющая сигнала может быть проигнорирован. Такие случаи будут расмотренны далее в работе, на этапе моделирования.

Рисунок 9 показывает соотношение между амплитудой, фазой, величиной и направлением угловой скорости гироскопа. Например, если фаза равна нулю, то вращение происходит только вокруг оси тангажа. Таким образом, сигнал возможно разложить на состовляющие двух направлений, зная амплитуду и фазу.

Рисунок 9 - Соотношение амплитуды, фазы, величины и направления угловой скорости гироскопа

Кроме того, напряжение сигнала ограничивается значением плюс-минус двенадцить вольт. Это показано пунктирной окружностью на рисунке 9. Если фаза равна нулю, а амплитуда равна 12 вольт, это соответствует максимальной угловой скорости вокруг оси тангажа. Другими словами, 12 вольт соответствует максимальной угловой скорости, которую может показать гироскоп. Это значение соответствует. Суммируя вышесказанное, и амплитуда, и фаза несут в себе информацию о угловой скорости гироскопа.

Сигнал угловой скорости имеет широкий динамический диапазон. Максимальное значение которого больше, максимальновозможного входного значения на аналогово-цифровом преобразователе (АЦП). Следовательно, возникает проблема корректного преобразования сигнала в цифровую форму. Итак, проблема возникает на этапе обработки сигнала гироскопа. Большинство аналого-цифровых преобразователи (АЦП) имеют напряжение питания 5 вольт по отношению к земле. А опорное напряжения может быть еще меньше, чем напряжение питания. Но входного напряжение АЦП не может быть больше, чем опорное напряжение, в противном случае происходит сбой. Но, сигнал може иметь амплитуду в 12 В, что было рассмотренно ранее.

Например, аналого-цифровой преобразоватнль ADS1250 используется для оцифровки информационного сигнала U. Этот АЦП от фирмы Analog Devices и имеет следующие ключевые характеристики:

Напряжение питания +5 В;

Напряжение опоры 4.096 В;

Разрешеение 18 Бит;

Поскольку опорное напряжение равно 4,096 В, то невозможно точно оцифровать сигнала с гироскопа, который имеет полный размах 24 В. Можно попробовать уменьшить амплитуду сигнала с помошью изменения алалогового коэфициента усиления. При этом точность преобразования теряется. А если не уменьшать масштаб входного сигнала, то теряется информация о высоких угловых скоростях, следовательно, динамика системы ухудшится, то есть система будет реагировать на большое возмущающее воздействие как на не большое. Поэтому, необходимо поставить задачу по решению данной проблемы. И только решив её возможно обеспечить и точность, и динамику системы сабилизации одновременно. Эти требования противоречивы друг другу. Об этом говорилось раньше и это следует из подробного анализа сигнала угловой скорости. Также при выполнении задачи стоит учесть, что существуют требования по минимизации аппаратных затрат.

.3 Задача эффективного преобразования сигнала угловай скорости гироскопа в цифровую форму

Как было рассмотренно ранне, форма сигнала угловой скорости гироскопа представляет собой синусоиду, амплитуда которой пропорциональна значнию угловой скорости гироскопа и оптического блока. Таким образом, неизбежна ситуация, когда гироскоп движется с максимальной угловой скоростью и при этом возникает максимальная амплитуда сигнала, которая составляет 12 В. В этом случае не возможно оцифровать сигнал без дополнительного преобразования потому, что опорное напряжение АЦП равно 4,096 вольта, а АЦП не может обработать напряжение, которое превышает напряжение опоры. Для решения данной проблемы существуют два основных пути решения, которые показанны на рисунке 10.

Рисунок 10 - Два основных пути предварительного преобразования сигнала угловай скорости

Первый способ состоит в уменьшении амплитуды сигнала приблизительно в шесть раз. Таким образом, АЦП преобразует сигнал без потерь. Второй способ заключается в неизменности амплитуды сигнала. В этом случае все, что больше, чем 4,096 В будет восприниматься как 4,096 В. Или, другими словами будут сигнал будет «срезан» или ограничен на уровне 4,096 В. Каковы преимущества и недостатки каждого из решений? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо ввести критерии для сравнения.

Первый критерий для сравнения - это потеря информации о больших угловых скоростях. По этому критерию первый путь решения лучше, так как весь диапазон сигнала полностью оцифрован. При использовании второго пути решения теряется информация о больших угловых скоростях. Следует отметить, что потеря информации на больших угловых скоростях ухудшает динамику системы. Например, угол отклонения оптического блока меняется очень быстро. В это время сигнал гироскопа имеет большую амплитуду, и АЦП не воспринимает этот сигнал и ограничивает его. Соответственно, микроконтроллер получает ограниченное значение, на основании которого вычисляет неправильное управляющее воздействие для двигателя. И двигатель поворачивает оптический блок на неправильный угол. Таким образом, ошибка системы компенсируется не так как должна компенсирваться, в следствии чего она увеличивается. Это происходит на больших угловых скоростях оптического блока. Но, постепенно угловая скорость уменьшается и все приходит в норму. Таким образом, первый способ лучше с точки зрения динамики.

Второй критерий для сравнения - это точность системы. На это влияет множество параметров. Если двигаться от начала, то это ошибка гироскопа, а потом разрешающая способность АЦП, то есть максимально эффективное преобразование сигнала в цифровую форму. Имея наименьшую ошибку гироскопа и не эффективное преобразование сигнала в цифровую форму точность системы не будет высокой. Другими словами, точность системы зависит от самого “слабого” звена системы. Гироскоп не рассматривается с этой стороны в данной работе. Все внимание сосредотачивается на эффективном преобразовании сигнала угловой скорости в цифровую форму.

И так, АЦП имеет фиксированное количество бит, например, ADS1250 имеет эффективное разрешение 18 бит и 20 бит разрешение без промахов в кодах. Таким образом, в общей сложности существует  уровней квантования. Диапазон измерения полной шкалы лежит в пределах от 0 В до 4,096 В, где верхнее значение является напряжением опоры. Следовательно, цена младшего разряда АЦП выраженная в напряжении равна:

 (2)

Т.е. она постоянна и не зависит от коэффициента усиления сигнала перед АЦП. Поскольку напряжение опоры и количество разрядов АЦП фиксированные величины. Но, если цену младшего разряда выразить в еденицах угловой скорости, таких как градусы в секунду, то уже цена младшего разряда будет зависить от коэффициента перед АЦП. Расчитаем её для двух путей решения, которые были предложенны. Таким образом сравним их.

Начнём со второго пути решения. В этом случае, сигнал не подвергается изменениям и его мастаб остаётся не изменным. Тогда, как было сказано выше, максимальная амплитуда в 12 В соответсвует максимальной угловой скорости в 40 град/с. Для простоты понимания, в данном случае, погрешность принимается за ноль. Таким образом, получается, что 40/12 градуса в секунду приходиься на один вольт. В соответствии с этим можно рассчитать цену младшего разряда, выраженную в еденицах угловой скорости.

 (3)

В первом пути решения напряжение синала уменьшается в шесть раз. Тогда цена младшего разряда увеличивется в шесть раз по сравнению со вторым случаем.

 (4)

Таким образом цена младшего разряда, выраженная в градусах в секунду, меньше во втором пути решения чем в первом. А чем она меньше, тем лучше для точности системы. Потому, что система способна различать, а, следовательно, и реагировать на меньшую угловую скорость. Другими словами, это влияе на чувствительность системы. Тем самым, возможно поддерживать ошибку системы стабилизации на меньшем значении. Подводя итоги, второй путь оказался более предпочтительным, если сравнивать их по критерию точности системы. То есть предпочтительней тот, у которого меньше цена младшего разряда, выраженная в еденицах угловайскорости.

Третий критерий для сравнения - это аппаратные затраты. И в первом и во втором пути решения они примерно равны и не значительны. Поскольку, в случае, когда сигнал необходимо уменьшить операционный усилитель требуется, также, как и в случае, когда сигнал не нужно изменять. В этом случае операционный усилитель служит в качестве ретранслятора или драйвера перед АЦП.

Итак, суммируя вышесказанное, первый способ лучше, чем второй в динамике, но хуже в точности. Аппаратные затраты и в первом, и во втором случае примерно равны. Но, для выполнения требований и точность, и динамику необходимо обеспечить одновременно. Следовательно, ни один из описанных выше способов не не подходят. И необходимо найти другой путь решения, который удовлетворил бы всем требованиям. И он должен объединить все преимущества рассмотренных решений и при этом не увеличивать аппаратные затраты.

.4 Существующие сандартные решения оцифровки сигналов, имеющих широкий динамический диапазон

Для выполнения требований необходимо необходимо одновременно обеспечить динамику, точность и низкие аппаратные затраты. И для начала необходимо рассмотреть, существующие решения. Существует два распространенных решения этой ситуации. Это логарифмический усилитель [23], [24], [25] и операционный усилитель с переменным коэффициентом усиления [25], [26], [27]. Существуют различные схемы для реализации этих решений. Сложность и стоимость этих решений различны. Но принцип этих решений похож. Идея заключается в том, чтобы изменять амплитуду сигнала по определенному правилу. Это правило знает микроконтроллер, а затем микроконтроллер может легко восстановить сигнал обратно, используя это правило. Далее, каждое решение будет рассмотренно подробнее.

Логарифмический усилитель является своего рода операционным усилителем у которого выходное напряжение пропорционально логарифму входного напряжения. Наиболее важная задача логарифмических усилителей не уселение. Основная задача логарифмических усилителей является сжатие сигнала, который имеет широкий динамический диапазон, к его децибельному эквиваленту. Таким образом, цена младшего разряда, выраженная в градусах в секунду зависит от амплитуды сигнала. Тогда микроконтроллер должен преобразовать полученные данные, обратно в абсолютные величине из значений, выраженных в децибелах. Таким образом, использование логарифмического усилителя приводит к програмным затратам. И самое главное, использование логарифмического усилителя приводит к аппаратным затратам. Что недопустимо, в отличие от програмных затрат. Потому, что в соответствии с требованиями аппаратные затраты не должны увеличиваться, а про программые затраты ничего не сказанно, лишь бы они были выполними с помощью микроконтроллера. И так, подводя итоги, использование логарифмического усилителя приводит к увеличению аппаратных затрат. Значит это решение не удовлетворяет требованиям.

Усилители с переменным или регулируемым коэффициентом усиления используются для изменения амплитуды информационного сигнала в зависимомти от управляющего сигнала. Управляющий сигнал может быть аналоговым или цифровым. Далее бедет расмотренно цифровое управление, аналоговое управление имеет такой же принцип. И так, существует схема, которая может изменять коэффициент усиления в зависимости от управляющего сигнала, она может быть реализованна на одном кристале или собранна из дискретных элементов. Есть много типов реализации этой схемы. Управление осуществляется за счёт микроконтроллера, он знает амплитуду сигнала угловой скорости с гироскопа и на основе этой информации вырабатывает управляющий сигнал для усилителя с переменным коэффициентом. Сигнал управления вырабатывается по определённому алгоритму, который зашит в микроконтроллере. Таким образом, микроконтроллер знает, какой коэффициент усиления выставленн в каждый момент времени, потому, что он сам его выставляет. И разделив принятые данные на этот коэффициент микроконтроллер узнаёт реальные данные о угловой скорости. Недостатки такого решения аналогичны предыдущему решению. В первую очередь это аппаратные затраты. Кроме того, схему с переменным коэффициентом усиления трудно сделать не зависящей от климатических условий. И в добавок, во время переключения коэффициента усиления могут возникать помехи, влияющие на информационный сигнал.