光学勘探陀螺安稳体系作为一种高精度的瞄准线安稳体系，能够供给对地、对空方针的全景式大范围勘探和盯梢。既可作为独立的光电观瞄体系用于侦办使命，也可作为火控体系的组成部分完结战场作战使命。其重要功用是阻隔载体角运动，使勘探器在惯性空间内坚持安稳;能够呼应指令信号，在必定视点范围内对方针进行查找，在人工辨认确认后能够按勘探器信号主动盯梢方针，并给出方位、俯仰信息。可实时对地上灵敏区域进行监督，履行昼夜监督、海岸巡查、战场侦办等特定使命。在国防和民用范畴具有宽广的运用远景。
1 体系结构与规划方针
1.1 体系结构
体系首要由渠道部件、电子部件、显控部件三部分组成。
渠道部件包含结构、俯仰/方位电机、大/小视场CCD、激光测距仪、俯仰/方位旋转变压器(以下简称旋变)。CCD摄像机装置于彼此正交的内、外两个结构上，由两个力矩电机操控能够在航向和俯仰两个自由度的方向上扫描。在内、外结构上别离由速率陀螺感测方位和俯仰运动，其输出送入安稳体系调理器，再经功率扩大后至力矩电机，使结构依照指令旋转(扫描)或安稳瞄准线。
电子部件包含体系主板、电视盯梢器、电机驱动及数据收集坚持电路。电子部件依据体系的要求对体系的航向、水平、俯仰、横滚和方位进行修正和补偿操控;依据陀螺仪的温度漂移特性曲线进行温度补偿操控;主动采样、监测体系信号;完结体系首要参数的常量有挑选地动态显现。
显控部件包含操控盒、工控机。首要用于显现由CCD摄像机摄入的图画及体系状况信息，并完结查找、确认、解锁等操作。
1.2 体系首要规划方针
安稳轴相关规划方针如下：方位、俯仰轴角速度大于40°/s，方位、俯仰轴角加速度大于60°/s2。
静态下对不大于3 000gcm的扰动力矩，视点动摇不大于30″且安稳后无静差。
安稳阻隔精度技术方针为：摇晃台在摆幅为3°、频率为1Hz的正弦扰动下，渠道俯仰通道摆幅应小于2′;摇晃台在摆幅为2°、频率为1Hz的正弦扰动下，安稳渠道方位通道摆幅应小于2′。
2 操控体系规划
当渠道遭到载体的运动搅扰时，假如光轴作用点间隔较远，即便相对惯性空间发生很小的差错角偏移，也会使远间隔外的盯梢点脱离视场。因而体系首要针对搅扰力矩下渠道视点输出安稳后无静差这一要求来进行规划。
在一般的速率反应计划中，校对环节选用PID校对仅能完结体系角速度无静差，不能完结视点无静差。假如要让体系视点输出无静差，则需要在校对环节中含有两层积分环节，因而规划了在速率陀螺反应的基础上选用PII2校对环节的操控办法。因为直流力矩电机电枢电感值一般十分小，疏忽其时间常数的影响，模型简化后的安稳回路操控框图如图1所示。
(3) 主导极点：有必要满意特征多项式中一对具有复实部的共轭复根为体系的主导极点，应满意α>5。
选用极点装备的办法来确认(份额-积分-二重积分)校对环节的三个系数，可得：
kp=7.2，ki=245，ki2=6 500，依据上述参数，施加一个1 000gcm的搅扰力矩，在MATLAB中仿真的成果显现体系调理时间及视点静差均满意要求，但体系超调过大。增大体系的开环增益，将体系校对环节中kp、ki、ki2 三个参数均扩大三倍，调查闭环零极点图，发现系数扩大后，共轭复根的复实部并未发生较大改变，而其虚部变小，这可削弱体系动态特性中的正弦振动然后减小超调。一起系数扩大三倍后复实轴上的极点愈加远离共轭复根，然后使得共轭复根的主导极点的方位更为加强，体系的特性更挨近规划希望的特性。相同1 000gcm扰动力矩下，体系调理时间及视点静差均满意要求。方位轴3 000gcm扰动力矩下视点输出如图2所示(在60秒时间施加搅扰力矩，纵坐标单位角秒，横坐标单位秒)。
在体系反应操控中，内环是一个力矩电机的电流环，用于输出安稳无差的转矩。次内环为结构惯性速率环，最外环为方位盯梢环。惯性速率环的反应元件为速率陀螺，丈量结构相对于惯性空间的角速率。方位盯梢环由旋变来完结视点的丈量。陀螺安稳体系是一个力矩平衡体系，由陀螺感测扰动力矩引起的角运动，经过反应回路发生一个操控力矩来抵消扰动力矩，然后到达安稳的意图。在本陀螺安稳渠道操控体系中， 电机的操控形式选用转矩操控形式，使转矩(电流)环的输出电流值与闭环的输入电压给定值成份额关系，这样能够明显进步惯性速率环的操控作用，然后进步安稳精度。
3 体系硬件规划
操控器中心选用TI公司TMS320LF2407A数字信号处理器，选用模块化主核算机板、显现操控板、A/D 板、R/S 板及图画盯梢板。体系资源有必定冗余度，进步了体系的可靠性。整体扩展框图如图3所示。
3.1 陀螺信号输入接口
陀螺选用俄罗斯FizopTIka公司的光纤陀螺VG941-3AM，用于丈量负载结构相对于惯性空间的角速率，输出模仿电压信号(0～3V)，陀螺信号经过信号处理电路转成与A/D 芯片匹配的输入电平。本体系选用2 片ADI公司的16位A/D芯片ADS7805U，可一起采样，转化时间为4μs，满意体系要求。A/D转化后的16位信号送到两片锁存器(SN74HC574)中，由DSP操控74LS138选通锁存来读取陀螺信号。
3.2 直流力矩电机伺服驱动接口
电机功放电路选用IR公司的电机驱动芯片IR2104。IR2104是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，作业电压10～20V。体系运用两片IR2104操控四片N沟道的IGBT(IRF540N)组成一个全桥驱动电路操控一台直流力矩电机。IR2104经过HO输出别离操控全桥驱动电路的上半桥Q1、Q3的导通与关断，而IR2104的LO输出别离操控全桥驱动电路的下半桥Q2、Q4的导通与关断，然后到达操控电机转速与正回转的意图。电机驱动接口如图4所示(仅画出一路)。
3.3 旋转变压器信号接口
在本体系中，选用DDC公司的专用RDC模块19220，接纳来自旋变粗、精通道的激磁信号，其间精通道的bit4-bit11转化后直接送到低位锁存中，bit1-bit3送到中位锁存的低三位，精通道的bit1-bit5再和粗通道在MD27C256中精粗精组合后送到中、高位锁存，构成旋变的18位数据，分辨率为4.94″。单路旋变接口完结如图5所示。
4 体系软件规划及功用
软件规划包含初始化、自检、操控算法、毛病处理、以及各功用模块的编写，考虑到安稳模块的实时性比较高，整个体系程序选用汇编语言规划编写，伺服采样周期为1ms。
体系操控指令既能够由操控盒宣布，也能够由上位机宣布。上位机还能够设定如测漂参数、方位指令参数等以完结各种体系监测所需的参数设置，一起上位机还接纳、显现存储来自渠道的包含陀螺、旋变、电机等各种实时信息，用于数据处理和分析判断。软件选用模块化规划，便利软件的调试，可扩展性、可移植性强。体系软件框图如图6所示。
跟其他渠道比较，本体系的一大特征是功用比较丰富，体系软件具有安稳测漂、旋变确认 、方位指令、方针查找、光电盯梢等五种状况，还可完结比如负载才能试验、模仿摇晃试验、带宽预测验等体系试验。
(1) 旋变确认
体系依据旋变信息对渠道施矩，将其操控到旋变的电零位，旋变确认状况继续5秒钟后完毕并主动转入陀螺安稳状况。
(2) 安稳测漂
操作员键入采样周期和采样时间后，体系进入安稳测漂状况，测漂完结后主动补偿陀螺漂移。
(3) 方位指令
体系接纳到方针的纬度、经度、高度三个参数，然后从载体体系中读入本身的横滚角、俯仰角、方位角三个参数，依据这六个参数核算得出本身所要滚动的俯仰、方位视点，然后操控渠道电机滚动到相应方位。
(4) 方针查找
此刻由操纵杆操控俯仰、方位两个电机的运动，DSP接纳到方针查找的指令码后，别离取出地上操控台给出的俯仰、方位两个电机的速度值，然后依照操纵杆给出的俯仰、方位两个电机的速度值操控渠道滚动，进行方针查找。
(5) 光电盯梢
体系接纳到光电盯梢的指令码，挑选相应的盯梢方法，然后依据电视盯梢器传来的俯仰、方位的脱靶量操控两个电机渠道运动，盯梢方针点。
5 体系试验及定论
5.1静态安稳精度检测
开机使渠道进入安稳状况，别离给方位、俯仰轴增加负载。3 000gcm扰动力矩下，体系旋变视点输出如图7所示(在60秒时间施加搅扰力矩)，满意规划要求。
5.2 动态安稳精度检测
开机使渠道进入安稳状况，在俯仰安稳框装置双面反射镜，调整好双面反射镜、平行光管和光电观测仪，使方位安稳轴进入安稳功用状况，使方位摇晃轴依照正弦波作摇晃运动，调查光电观测仪的读数，假如小于要求值，即满意要求。实测安稳台方位轴摇晃起伏为0.2′，俯仰轴摇晃起伏为0.3′，远小于规划方针，满意技术方针要求。
本文具体论说了瞄准线安稳高精度体系及其软硬件规划。体系选用经典的方位速率双环操控结构，选用DSP 作为数字操控体系的中心，组成高精度瞄准线安稳体系。对各项动、静态性能方针进行了测验， 到达了预期规划方针。
