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一种基于压电陶瓷的目标精跟踪系统

作者:时间:2010-10-19来源:网络收藏
  摘 要:在试验中,希望接收来自一公里的光斑在成像系统的中心,而由于大气湍流的影响,光斑在成像系统中心附近抖动。就是要通过改变的角度使光斑始终在成像系统的中心。为此,使用位敏传感器采集光斑的位置,微处理器处理数据,得到光斑的的偏移量,最后通过驱动晶体改变角度。

引 言

  激光在大气传输时,由于与大气湍流的相互作用,导致光波振幅和相位的起伏。其抖动频率主要是低频成分,晶体的响应频率在1000Hz 以上,能满足消除大气湍流带来的光斑抖动的影响。在光学跟踪系统中,传统的用于器件为CCD。由于CCD 采集的数据量很大,对后面的数据处理单元的要求很高,并且处理大量的数据增加了处理的复杂性和处理时间。本跟踪系统采用PSD 采集光斑位置信息,输出只有四路信号,只需要五次加法运算、一次减法运算和一次除法运算,运算量大大减少。并且本系统的微处理器采样dsPIC33F系列单片机,它有40M 的指令周期。其内部加减运算为单指令周期,除法只需要19 个指令周期,大大提高了计算速度。

1.校正系统的组成与原理

  校正系统总体框图如图1 所示,来自一公里之外的光束,经激光雷达系统接收,通过反射,光束经分光镜分光,一部分进入成像系统,一部分进入PSD 。由采集光斑位置,形成四路电流信号,经电流电压转换放大之后,由单片机进行A/D 转换并计算出光斑的偏移量,并根据光斑的偏移量计算出驱动所需要的电压。最后将驱动电压值进行D/A 转换,并通过高压驱动器驱动PZT(压电陶瓷晶体)改变倾斜镜的角度,从而使光斑始终在成像系统的中心。


图1 跟踪系统框图

2.总体系统设计

  2.1位敏传感器系

  位敏传感器是由Si 光电二极管组成,输出信号为电流信号。电流大小与光斑位置和光强强弱有关。其初级电路必须是电流电压转换电路。四路输出信号与光斑位置的关系为:


  其中i1, i2 , i3, i4 为四路输出信号。上式求x, y 时用到除法运算,消除了光强变化对位置的影响,从而获得与光强无关的位置信号。

  2.2单片机控制系统

  本系统采用dsPIC33F 系列单片机实现12 位的高速A/D 转换、PID 控制、与D/A 转换器的通信及与计算机的通信。

  系列单片机的A/D 部分采用逐次比较式A/D 转换,最多有32 路转换通道,可实现自动通道选择模式采样,拥有16个结果缓冲器。在本系统中我们用125K 的采样速率进行四路模拟信号采样,当16 个结果缓冲器都满之后,产生一次中断,并对每路信号取四次的平均值。逐路采样延长了每一路信号的采样时间,并采取四次采样取平均值的方法,一方面可以减小采样误差,另一方面,可以起到滤波的作用。

  目标精跟踪系统需要实现快速反应,这要求我们的算法必须实现快速收敛。我们采用PID(比例-积分-微分)增量算法,可以实现系统的快速收敛。其中P 项为比例项,当误差大的时候,P 的系数也大,可以实现快速调整;当误差小的时候,P 的系数也小,可以实现小幅度的调整。随着时间的消失,P 项有利于减小系统的总误差。但总有一个静态误差。I 项为积分项,对误差进行积分,可以实现误差的精度调整,使静态误差积累到一定的值乘以I 项的增益因子之后输出,消除静态误差的影响。D 项为微分项,用来实现快速调整,,它对误差信号的变化率进行响应。

  增量算法推导如下:


  其增量式为:


  微分项的系数。由(2)式可以看出,由于PID 输出与历史状态有关,计算工作量很大,需要对偏差信号进行累加。而采用增量式PID 算法,既(2)的算法,输出量为误差的增量,可以减小计算量。

  转化采用的是SPI 通信方式,D/A转换器选用的时TLV5638,它是双路输出的D/A 转换器,其输出的最高电压是参考电压的2 倍,其饱和电压为电源电压VDD -0.4v ,也是说参考电压不应该大于V DD -0.4v ,另外,D/A 转换必须在片选信号CS 的下降沿。而对运放偏移量、PID 系数的确定等都是通过计算机控制,MAX232 串口与计算机的通信,很多资料都有介绍,在这里不再累述。

  


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