1绪论
1.1研究目的及意义
现代作战技术由以前的单一作战模式不断向高科技、多机动、海陆空结合作战模式发展。陆地车辆如坦克、装甲车等在实战环境中不可以避免受到路面的颠簸、风力影响，以及需要调头、转弯、爬坡等频繁机动，行进间同时要能快速猫准和跟踪同样机动性强的目标，使得其作战平台不仅应具有灵活的调度能力，还应具备不受车辆影响，稳定肺准、跟踪、射击能力。在这样的需求下，稳定跟踪技术一直是现代军事系统首需解决的问题。在民用领域，车载卫星天线需要快速稳定的锁定卫星，并且要求获得不间断的卫星信号，依靠人工一般很难完成，此时就需要稳定跟踪装置，使雷达天线机动地锁定卫星，并保证天线在底座扰动的情况下获得最优信号。不论是军事还是民用领域，稳定跟踪系统都获得了广泛应用⑴。稳定跟踪系统的基木功能就是在载体（飞机、舰艇、战车）运动条件下，随时测量并补偿载体姿态变化对系统带来的扰动（位置或速度），保证天线指向稳定不受干扰，并通过雷达天线等设备精确跟踪目标，尤其是锁定处于高度机动中的目标。在车辆识别与野外探测应用中，相机常常需要对高速景象作快速拍摄，并且要求获得高清晰的图像，此时就需要稳定伺服系统带动相机机动地跟踪拍摄目标，获得良好无抖动的图像质量。有些雷达天线体积庞大，惯性较大，轻微扰动都极易造成严重干扰，为了使其按既定控制指令实现目标跟踪，需要稳定系统来隔离这些千扰；在陆地反导系统中，防御对象主要来自于空域的战斗机、侦察机、导弹，必须在隔离自身运动下扰的过程中，快速精确的找准目标运动轨迹，猫准目标并且解除威胁。这些领域都离不开稳定跟踪技术。随着国家各行业整体实力的发展以及对国家军事国防能力的需求，对陆空防御设备的快速反应和机动能力，以及在机动中稳定肺准、目标跟踪的能力提出了更高的要求。在经济的发展以及便民设施的需求下，稳定跟踪技术也被应用于卫星稳动天线中，稳定传输电视、网络信号，丰富人们的精神生活。稳定跟踪系统集惯性导航技术、微惯性传感器应用技术、数据采集及信号处理技术、电机伺服控制技术、运动控制技术、运动动力学建模和仿真技术，系统工程技术等多项技术于一身，是以机电一体化、自动控制技术为主体，多个学科有机结合的产物[2]。稳定跟踪技术多年来一直被不断研究，其面对不同的应用环境与应用要求，也出现不同问题需要解决。本课题针对车载雷达天线目标跟踪系统应用，研究车载稳定跟踪系统中若干关键问题及软件设计，对于相关系统的研制具有应用前景和实践意义。
1.2研究现状
1.2.1国外研究现状
国外在稳定平台技术方面研究较早，主要研究方位是小型化、数字化和集成化，目前己被广泛应用于车载、舰载、机载、弹载等设备中[7]。20世纪40年代，为了减小行进间载体姿态改变对陆准视轴的影响，各国开始研制在坦克上安装稳定系统，它能在路况复杂、车体不断运动的情况下，将雷达探测天线瞄准视轴的方位角度始终稳定在距目标角度差很小的范围内。当时坦克火炮肺准器的稳定精度约为11密位(1密位=360°/6000)，火炮以最大速度调转时的误差不超过±4密位。从50年代开始，双向稳定器(即高低、方位稳定器)被广泛应用于坦克中，大大提高了坦克火炮的空间射击精度和作战效果，其俯仰稳定精度达到±1密位，方位稳定精度达到±3密位。1981年起美国开始生产Ml型坦克，该坦克采用了数字式坦克火控系统，炮长用主肺准镜捕获目标，炮长的火控指令和自动弹道传感器的弹道修正数据同时输入弹道计算机，计算机解算弹道并控制炮塔转动从而使火炮稳定地肺准目标。随着技术不断成熟，稳定跟踪系统被逐渐广泛应用，如俄罗斯T-82坦克、英国“标枪”导弹海上发射平台和“海枭”船用红外跟踪稳定平台等。在机载方面，美国、以色列、法国、加拿大、英国、俄罗斯等国家都已研制出用于机载、舰载设备的多种产品。如以色列研制的ESP-600C型无人机采用方位-俯仰两轴平台，可实现360。
2稳定跟踪系统总体设计
2.1稳定平台机械结构
本文研究的稳定跟踪平台应有两种基本功能：一是稳定功能，即能产生稳定力矩来抵消载体角运动产生的干扰力矩，阻止被稳定对象跟随载体运动而运动；二是跟踪功能，即系统能产生位置闭环控制回路使被稳定对象按照所需要的角运动规律相对惯性空间运动。当稳定平台系统只工作在稳定状态，不对平台空间位置进行修正，这种工作状态称为几何稳定状态[5]。当稳定平台系统在保持稳定的同时，还对平台空间进行修正，使稳定轴按照所需要的规律转动，这种工作状态称为空间积分状态。如前所述，常用的稳定平台机械结构有两轴框架结构和三轴框架结构。三轴框架可以通过对方位-俯仰-横滚的三姿态角度补偿实现载体运动的补偿，并且补偿范围较大，可以解决过顶等问题。但是同时结构复杂，设备体积较大，难以适合车载的场合。实际上，大多数场合中双轴框架结构已经能满足要求，如射击猫准线、光轴以及地垂线的稳定等[9]。两轴结构还可进一步划分成不同的实现形态，最常见的主要是AZ/EL型，即方位一俯仰型天线支架，如图2.1所示，方位轴与俯仰轴相互垂直，采用立轴式天线座，用方位轴支撑天线。这种天线座结构紧凑、调整测量方便、承载能力大，适用于本系统负载较嘉、安装空间有限等特点，本系统采用的正是这种结构。
3稳定跟踪系统稳定方法.......16
3.1稳定平台扰动补偿.......16
3.1.1坐标系定义及两轴结构.......16
3.1.2陀螺仪安装及补偿方式.......17
3.1.3速度补偿的坐标解算.......19
3.2陀螺输出数据预处理.......21
3.3卡尔曼滤波技术.......23
3.4本章小结.......30
4稳定跟踪系统控制方法.......31
4.1系统控制结构.......31
4.2位置控制算法.......32
4.2.1分区PID控制算法.......32
4.2.2伺服电机数学模型.......34
4.2.3伺服系统控制仿真.......34
4.3目标跟踪插值算法.......37
4.3.1再牛反馈控制技术原理.......37
4.3.2再牛反馈中的坐标变换.......38
4.3.3目标轨迹外推.......40
4.3.4轨迹外推算法性能.......41
4.4本章小结.......42
5稳定跟踪系统软件设计.......43
5.1软件总体设计.......43
5.1.1软件总体结构.......43
5.1.2主禾呈序流程.......44
5.2初始化模块设计.......45
5.3定时中断设计.......48
5.4状态检测与故障处理模.......53
5.5本章小结.......54
结论
本文以某公司合作的“稳定跟踪系统”的研制为背景，针对移动载体稳定跟踪系统研究并设计了两轴稳定平台，主要研究结果如下：
(1)针对稳定跟踪系统稳定方法进行两方面阐述，其一给出了两轴稳定平台姿态解算方法、陀螺仪安装方法，为系统控制打下基础，其二对陀螺仪时间序列进行建模，研究卡尔曼滤波算法在陀螺仪滤波中的应用，并对陀螺的静态与动态滤波进行仿真分析。
(2)根据前述陀螺仪安装方法，设计了速度补偿一复合前馈控制结构，给出位置-速度-电流三闭环控制方法，分析并使用智能分区PID算法做为位置控制器，利用仿真软件进行控制仿真，理论上证明了其控制方法能够减小系统的跟踪误差，在此基础上，就雷达引导模式下误差较大的问题，设计了目标跟踪插值算法-再牛反馈，并进行仿真验证，进一步提高系统精度。
(3)采用模块化思想，完成了系统软件设计，主要包括初始化模块、位置控制模块、速度补偿模块、状态检测与故障处理模块，以及外围接口驱动程序，给出了各个部分的软件实现方法、流程。
(4)结合软硬件环境，对系统进行分模块化调试，完成了数据采集、控制数据发送、驱动器及电机调试，实现了系统稳定的速度补偿算法。
参考文献
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