激光精确跟踪平台控制系统的研究

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摘 要 本文研究以多自由度运动控制器为核心的高精度转台以及二维运动平台的控制，以编码器或光栅尺作为位置反馈信息，采用PID控制算法，实现了高精度转台及二维运动平台的全闭环控制。

【关键词】运动控制器 全闭环控制 CAN总线 激光跟踪

1 引言

激光以其定向发光、光束集中和亮度极高等特点，使其在定位跟踪方面有着非常重要的作用。定位跟踪的方案也是非常之多，比如通过预测算法预估运动目标的未来位置来控制跟踪平台；根据摄像仪的激光点图像来精确控制跟踪平台运动等。

为了给激光定位跟踪方案的研究提供可靠的实验验证平台，本文基于CAN总线构建激光跟踪系统的通讯网络，配合以多自由度运动控制器为核心的精密高速跟踪平台以及二维运动平台模拟运动目标，对各种激光定位跟踪方案的可行性研究提供高精度的实验验证平台。

2 多自由度运动控制器

2.1 多自由度运动控制器的总体设计

近年来，随着DSP运算能力的增强，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，其以DSP作为核心处理器成为一种行业的发展趋势。本文在现有研究的基础上，设计了一款基于DSP和ARM的多自由度运动控制系统，其主要功能包括：伺服驱动、数据采集、与其它设备通信。在伺服驱动方面，控制器通过位置方式对伺服电机进行控制，实现精确定位；在数据采集方面，能够把闭环控制的反馈端（增量式旋转编码器或者光栅尺）的数据反馈给控制器；在通信方面，通过串口232＼485、CAN等通信方式进行通信。

2.2 DSP的eQEP模块及接口电路

TMS320F28335的eQEP 模块为增强型的正交编码脉冲模块，主要应用于运动控制系统中，通过eQEP模块可以准确得到电机的位置信息。TMS320F28335中提供了4个引脚信号经GPIO复用进入到eQEP内部的正交解码模块，QDU（正交解码单元）对接收到的编码器的正交脉冲信号进行方向和脉冲的解码，解码之后得到4倍频的位置脉冲信号和方向信号，送到位置计数器中进行脉冲计数。通过程序读取该位置计数器QPOSCNT 的值就可以得到电机实际位置信息，通过该位置信息就可以与给定位置信息进行闭环控制。

3 伺服控制系统的研究

本文根据现代控制技术的发展趋势，充分利用自主开发的多自由度运动控制器，采用科尔摩根KBM无框电机（型号KBM（S）-43X02-X）及配套的COPLEY驱动器（型号Xenus-XTL）作为高精度跟踪转台，分辨率可达9440000；采用松下A5系列的伺服电机及其驱动器，分辨率可达1048576。控制精度都为角秒级。

通过伺服驱动器的设置面板设置其采用位置控制模式，其指令脉冲输入模式采用脉冲序列+符号的控制方式。运动控制器发送指令脉冲控制电机的方式是通过定时器中断将伺服驱动接口引脚进行高低电平翻转，这样做的好处是，能够灵活的控制指令脉冲的频率和脉冲个数。

3.1 激光精密跟踪平台的研究

在激光精确跟踪系统平台中，为了实现用于激光定位跟踪的固定基站，故采用该高精度转台。精密跟踪平台是一个机电一体化伺服传动系统，由水平旋转、俯仰转动和激光束轴向距离实现空间任意一点的定位。采用具有位置反馈的伺服电机实现高速响应以及水平、俯仰同步运动，以满足对运动目标的动态跟踪；以编码器的高精度分度满足对移动目标的精确角度测量，最终实现运动目标相对于固定基站的极坐标定位。

对于一个完整的运动控制系统，除了电机及相关的驱动设备外，还需要一套合适的控制算法才能保证其正常的运转。PID控制作为经典控制算法，现在仍然是最广泛的工业控制器。本文的激光精密跟踪系统平台作为实验验证平台，应用的场所环境比较理想，同时结合与科尔摩根KBM无框电机配套的COPLEY驱动器已有的控制算法充分了解的基础上，选用PID控制，调节驱动器电流环、速度环和位置环参数。

3.2 二维运动平台的研究

本文中设计的二维运动平台，是为了模拟激光精确跟踪系统平台中运动目标。该二维运动平台中电机采用松下A5系列伺服电机及伺服驱动器，通过驱动器的控制面板进行简单的驱动器参数设定，可达到精确的电机运动控制。

通过运动控制器中DSP控制水平、竖直电机协调转动，并将光栅尺反馈回来的数据反馈到DSP控制器，实现闭环控制，从而能够精确控制该运动平台的协调运动，用于模拟激光需跟踪的运动目标。根据激光精确跟踪系统的需要，通过运动控制器DSP的1路CAN总线接口，将运动目标的实际位置信息实时发送到CAN总线上。

4 激光精确跟踪系统平台的应用

项目中的定位跟踪对象为无人驾驶智能采矿设备，故需要运用卡尔曼滤波算法对小车未来的位姿进行预测，从而控制固定基站转台实现激光跟踪。

为配合该项目中卡尔曼滤波算法的可行性研究，将激光测距传感器与高精度转台结合起来，用作固定基站的激光跟踪平台，再通过二维运动平台模拟需跟踪的运动目标，用于简化模拟小车运动。由此便构成激光定位跟踪系统实验验证平台，以便在实验室中对该算法的有效性进行验证。

通过本文提供的激光精确跟踪系统平台，实验验证了卡尔曼滤波预测方法应用于激光定位导航系统是有效的和可行的。

5 结束语

通过多自由度运动控制器的硬件系统，配合伺服驱动程序、位置反馈程序，以及DSP和ARM的CAN通信、STM32和激光测距传感器的串口通信程序，实现了高精度转台和二维运动平台的闭环控制，分别用作激光精确跟踪的基站转台和模拟需跟踪的运动目标。通过CAN总线构建通讯网络，构成激光精确跟踪系统平台，为激光精确跟踪可行性方案的研究提供可靠的实验验证平台。实验证明，本设计具有可行性，控制精度都达到角秒级，运行状态良好。

参考文献

[1]王桂荣，钱剑敏.CAN总线和基于CAN总线的高层协议[J].计算机测量与控制，2003.11（5）：391-394.

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[3]苏奎峰，吕强等.TMS320x28xxx原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2009.

作者单位

河南千年冷冻设备有限公司 河南省焦作市 454003