張志利，王東波，劉春桐

(第二炮兵工程學院202室，陜西 西安 710025)

0 引言

國內(nèi)外對于經(jīng)緯儀的操作自動化和提高測量精度等方面進行了很多研究[1-4]。但大多集中在自動調(diào)焦，自動調(diào)平對心等，且研究對象多為大型光電經(jīng)緯儀。在經(jīng)緯儀照準目標方面，目前國內(nèi)外均未見能實現(xiàn)自動照準目標的電子經(jīng)緯儀。

針對傳統(tǒng)電子經(jīng)緯儀軸系手動操作的操作時間長、受人為因素影響大等問題進行了長期研究和深入分析，擬在傳統(tǒng)電子經(jīng)緯儀基礎上進行改造以實現(xiàn)具有目標的自動識別和照準、高精度二維測角等功能的激光全自動自準直經(jīng)緯儀。為了實現(xiàn)全自動經(jīng)緯儀的自動照準目標功能，將視頻圖像測量與電機驅動技術相結合，在DT202C型電子經(jīng)緯儀軸系結構上設計精密伺服控制系統(tǒng)，最終通過實驗測試伺服系統(tǒng)能達到全自動經(jīng)緯儀的設計要求。

1 系統(tǒng)組成及其工作原理

系統(tǒng)主要由控制計算機，電子經(jīng)緯儀、以及加裝在電子經(jīng)緯儀中的軸系電機驅動控制電路板，直流力矩電機和面陣CCD相機組成。系統(tǒng)首先改裝了電子經(jīng)緯儀光學系統(tǒng)，安裝了面陣CCD相機以實時接收采集到的視頻圖像。而后由上位機通過亞像素定位技術進行數(shù)字圖像處理，得出目標中心在水平和俯仰方向上偏離CCD中心的像素數(shù)，并將結果數(shù)據(jù)記錄下來，利用針孔模型[5]計算角度偏差。以此偏差信號作為驅動信號由上位機輸入到運動控制芯片dsPIC30F6012A中，由控制芯片依據(jù)所采用的積分分離式PID算法運算后控制直流力矩電機以減小角度偏差直至消除?？刂朴嬎銠C的作用為接收圖像信號并進行圖像處理，控制芯片的作用為運算控制算法得到驅動信號。

目標識別和照準可分為3個過程:目標搜索過程、目標照準過程和測量過程。利用數(shù)字圖像處理的方法，對控制計算機采集到的電子經(jīng)緯儀視場圖像進行識別處理，電子經(jīng)緯儀視場內(nèi)如果沒有目標，則先進行目標搜索;一旦在視場內(nèi)出現(xiàn)目標圖像，即刻進入目標照準和測量過程。當目標進入電子經(jīng)緯儀視場后，控制計算機自動對目標圖像進行分割處理，采用亞像素細分的方法，計算出目標圖像的精確中心位置與標定的CCD相機中心的偏差，分別控制電子經(jīng)緯儀橫軸和縱軸伺服電機回轉照準目標。其自動測量過程如圖1所示。

2 光學系統(tǒng)改造

為了實現(xiàn)經(jīng)緯儀自動測量的功能，需要對其光學系統(tǒng)進行改造。文中主要在J2電子經(jīng)緯儀光學系統(tǒng)的基礎上，取消目鏡，加裝CCD組件，設計專用接口，通過控制計算機提取CCD圖像進行水平和垂直角度測量。改造后的電子經(jīng)緯儀望遠鏡結構如圖2所示。

3 電機控制硬件電路設計

電機控制硬件電路主結構圖如圖3所示，主要電路有:光電隔離電路、H橋功率驅動電路和電機驅動邏輯與信號放大電路等。系統(tǒng)所采用的dsPIC30F6012A芯片是將高性能16位單片機的控制特點和DSP高速運算的優(yōu)點相結合的控制芯片[6]。它主要用于接收上位機送來的輸入信號，然后將此信號在控制器中根據(jù)積分分離PID算法進行運算，得到對直流力矩電機的PWM，DIR，BRAKE控制信號，并將控制信號送給直流力矩電機。

圖3 電機控制硬件電路主結構圖

3.1 光電隔離電路

電機驅動控制系統(tǒng)中，光電隔離電路將驅動信號與驅動控制電路電氣隔離，減少驅動控制電路對外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號經(jīng)電機驅動邏輯電路產(chǎn)生電機邏輯控制信號，分別控制H橋的上下臂。系統(tǒng)采用芯片TPL117作為光電耦合器。

3.2 H橋功率驅動電路

采用4個相同的N溝道功率MOSFET的雙極型H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性。還可以方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。

3.3 邏輯驅動與放大電路

電機驅動邏輯及放大電路主要實現(xiàn)外部控制信號到驅動H橋控制信號的轉換及放大。控制信號DIR、PWM、BRAKE經(jīng)光電隔離電路后，由門電路進行譯碼，產(chǎn)生4個控制信號M1′、M2′、M3′、M4′，然后經(jīng)三極管放大，產(chǎn)生控制 H 橋的 4個信號M1、M2、M3、M4。其電路如圖4所示。其中Vh是Vm經(jīng)電荷泵提升的電壓，Vm為電機電源電壓。

4 軟件設計

軟件設計主要由PC機上的串口軟件設計和主控制器上的軟件設計2部分組成。PC機上的串口軟件主要作用是發(fā)送輸入信號，設計中采用現(xiàn)有的串口調(diào)試助手V2.2[7]。主控制器上軟件主要包括串口接收識別程序和主控制程序。

在位置調(diào)節(jié)中，采用積分分離PID算法。其基本思想[8]是:當系統(tǒng)偏差較大(如電機處于啟動、制動或大幅度增減)時，去掉積分環(huán)節(jié)，以快速減少偏差;當偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可消除穩(wěn)態(tài)誤差，又可避免飽和超調(diào)。假設e(k)為偏差值，u(k)為按照一定算法運算后的控制輸出量，ε為人為設定閾值(ε＞0)，則

主程序流程圖如圖5所示。主要完成dsPIC30F6012A芯片的端口配置、初始化控制寄存器、配置A/D轉換和PWM波、初始化軟件中所需控制變量、設置中斷服務優(yōu)先級及中斷源等。

圖5 主程序流程圖

中斷調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖6所示，主要完成位置調(diào)節(jié)的積分分離PID算法控制以提高控制精度，速度調(diào)節(jié)是輔助位置環(huán)控制以提高響應速度。

在控制系統(tǒng)軟件設計過程中，開發(fā)環(huán)境采用的是MPLAB IDE 6.50，并用Microchip C30C語言編譯器進行編譯，使用MPLAB ICD 2進行調(diào)試和編程。

圖6 中斷調(diào)節(jié)子程序流程圖

5 實驗驗證

經(jīng)緯儀的一測回水平方向標準偏差是描述儀器各單項誤差綜合作用后儀器的測量準確性[9]，也是衡量經(jīng)緯儀精度的重要技術指標之一。該實驗依據(jù)JJG414—2003《光學經(jīng)緯儀檢定規(guī)程》要求對該標準偏差采用多目標法在室內(nèi)進行檢定。檢定方法是:在水平面內(nèi)布置5個目標(平行光管)，檢定時，將經(jīng)緯儀安置在檢定臺上并精確整平。項目前期已加裝CCD相機并以此接收目標發(fā)出的光信號。首先以正鏡位置照準目標1并按下“置零”，而后依次驅動電機按目標1至目標5的順序測量角度并記錄，最后再照準目標1回零讀數(shù)。將經(jīng)緯儀望遠鏡翻轉180°，以倒鏡位置逆時針方向旋轉，分別照準目標1，5，4，3，2，1分別讀數(shù)，此為一測回，共進行4個測回。為降低誤差影響，每測回起始角按180°/4=45°的角度變化值增加。

設在[10]第i測回觀測中，目標j相對于目標1的角度值為αij，則

式中:Lij，Rij為目標 j在第 i測回的盤左、盤右讀數(shù);Li1，Ri1為目標1在第i測回的盤左、盤右讀數(shù)。

αij的殘差為

一測回水平方向標準偏差為

式中:m為測回數(shù);在實驗中m=4;n為目標個數(shù)，在實驗中n=5。

實測結果記錄見表1。

表1 每測回各目標水平方向實測值

將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)～(3)中求得一測回水平方向標準偏差Uc=±2.377″。蘇州一光DT202C型電子經(jīng)緯儀的標稱精度為±2″，即在理想實驗條件下一測回水平方向標準偏差Uc=±2″。實驗數(shù)據(jù)與DT202C型電子經(jīng)緯儀的標稱精度誤差為0.377″，小于JJG414—2003光學經(jīng)緯儀檢定規(guī)程中限差1.6″的要求，說明誤差在允許范圍之內(nèi)。即加裝電機后的電子經(jīng)緯儀能實現(xiàn)軸系自動轉動且能保持其原有測量精度。

在實驗中誤差的主要來源[11]有:平行光管設計理論誤差，平行光管的視差，經(jīng)緯儀標準檢定裝置穩(wěn)定性及重復性誤差，經(jīng)緯儀安置誤差，望遠鏡照準誤差和經(jīng)緯儀讀數(shù)重復性誤差等。

6 結束語

系統(tǒng)由加裝的CCD相機采集圖像，經(jīng)圖像處理后得到角度偏差并以此信號驅動電機轉動，將視頻圖像測量與電機驅動技術相結合，實現(xiàn)了電子經(jīng)緯儀的自動照準目標功能。實驗結果表明:儀器在實現(xiàn)了軸系自動照準目標功能的同時能保持其原有測量精度，縮短了操作時間，提高了自動化、智能化水平。

[1]林兆華，劉鑫，王嵐，張淑梅.采用MSP430單片機的自動調(diào)焦控制系統(tǒng)在經(jīng)緯儀上的應用.電光與控制，2011，18(1):48-52.

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