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观瞄仪稳定平台控制系统研究

作　者: 杨景照
导　师: 刘政华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 稳定平台 AT91R40008 μC/OS-II ARM 复合控制嵌入式系统
分类号: TP271.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 83次
引　用: 1次
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内容摘要

稳定平台由于能隔离载体扰动,不断测量平台姿态和位置的变化,精确保持动态姿态基准,从而使安装在平台上的设备能够快速准确的瞄准、跟踪目标,因此其应用相当广泛,一直是各国研究的热点。近年来更是发展迅速,被广泛应用于弹舰制导、机载、舰载、车载武器等军事领域以及空间遥感探测、公安消防、环境监测等民用领域。本文根据《无人炮塔车长指挥镜系统》项目的要求,对车载观瞄仪稳定平台的控制系统进行了研究设计。研究内容具体包括:1.通过调研国内外稳定平台的研究现状,分析了平台的稳定隔离原理,用理论建模和实验建模相结合的方法建立了平台控制系统模型。2.对主要干扰力矩进行了分析和仿真。根据项目的性能指标要求,选取双速度环的控制结构和基于经典PID和重复控制相结合的复合控制策略,设计了控制器参数,并进行了仿真分析和实验验证,实现了对稳定平台控制的快速性和稳定精度要求。3.深入研究了AT91R40008微控制器的功能原理,设计了基于AT91R40008微控制器芯片的嵌入式硬件系统平台。主要内容包括ARM核心控制模块以及ISP外围处理模块的设计,介绍了各个硬件模块的功能原理和具体实现方法,并为底层硬件设计了相关的API函数。4.阐述了基于uC/OS-II实时操作系统的嵌入式系统软件设计过程,研究了μC/OS-II在AT91R40008上的移植过程以及内核提供的主要服务包括多任务、消息邮箱和中断处理机制在平台控制系统中的具体应用,实现了uC/OS-II在AT91R40008上的移植。其中重点研究了控制系统多任务规划与多任务实现原理。最后基于上述嵌入式系统的硬件和软件建立了系统的最终RTOS。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-18
  1.1 课题来源及研究意义  12-13
    1.1.1 课题来源  12
    1.1.2 课题研究背景及意义  12-13
  1.2 稳定跟踪平台研究现状  13-14
    1.2.1 国外稳定跟踪平台研究现状  13-14
    1.2.2 国内稳定跟踪平台研究现状  14
  1.3 关键技术分析及研究现状  14-16
    1.3.1 控制策略的研究现状  15
    1.3.2 嵌入式系统的现状和发展趋势  15-16
  1.4 论文研究的主要内容以及组织结构  16-18
    1.4.1 论文研究的主要内容  16
    1.4.2 论文的组织结构  16-18
第二章观瞄仪稳定平台原理及理论模型分析  18-29
  2.1 功能及稳定跟踪原理  18-23
    2.1.1 平台功能与结构  18-19
    2.1.2 稳定跟踪原理与耦合分析  19-23
  2.2 单轴速度环控制模型的理论分析  23-28
    2.2.1 直流电机及负载平台的传递函数  24-26
    2.2.2 直流电机电流环模型分析  26-27
    2.2.3 平台速度控制回路模型  27-28
  2.3 系统性能要求  28
  2.4 本章小结  28-29
第三章平台控制系统建模与控制参数设计  29-52
  3.1 俯仰轴的干扰分析与仿真  29-34
    3.1.1 俯仰轴的力矩干扰分析  29-31
    3.1.2 俯仰轴的姿态干扰分析  31-33
    3.1.3 俯仰轴的干扰的仿真分析  33-34
  3.2 平台控制系统建模的方法与实现  34-42
    3.2.1 控制系统建模方法  34-36
    3.2.2 观瞄仪稳定平台俯仰轴的理论建模  36-39
    3.2.3 观瞄仪稳定平台俯仰轴速度环的实验建模  39-42
  3.3 平台控制系统结构分析及控制参数设计  42-49
    3.3.1 双速度环特性分析  42-45
    3.3.2 基于经典PID 和重复控制的复合控制研究  45-47
    3.3.3 平台控制系统参数设计  47-49
  3.4 平台控制系统效果分析  49-51
    3.4.1 系统对指令信号的响应效果仿真  49
    3.4.2 系统对干扰信号的隔离效果仿真  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章基于AT91R40008微处理器的嵌入式系统硬件设计  52-74
  4.1 嵌入式系统的硬件构成及硬件选型  52-54
    4.1.1 硬件系统功能构成  52-53
    4.1.2 嵌入式硬件平台的选型  53-54
  4.2 平台控制系统核心控制模块设计  54-59
    4.2.1 嵌入式微处理器的选型  54
    4.2.2 AT91R40008 微处理器简介  54-56
    4.2.3 AT91R40008 微处理器模块设计  56-57
    4.2.4 双口RAM 模块设计  57-58
    4.2.5 ISP 模块设计  58
    4.2.6 存储器扩展模块设计  58-59
  4.3 平台控制系统外围各功能模块的设计  59-61
    4.3.1 A/D 模块设计  59-60
    4.3.2 D/A 模块设计  60
    4.3.3 串口模块设计  60
    4.3.4 数据I/O 模块设计  60-61
  4.4 基于MCP2515 CAN 控制器的通信接口设计  61-68
    4.4.1 CAN 总线概述  61
    4.4.2 MCP2515 CAN 控制器介绍  61-63
    4.4.3 MCP2515 的SPI 接口的设计  63-66
    4.4.4 基于TJA1050CAN 总线驱动电路设计  66-68
    4.4.5 CAN 通信SPI 工作方式设计  68
  4.5 基于ISP LEVER 的数字系统设计  68-70
    4.5.1 开发环境ISP LEVER 介绍  68
    4.5.2 数字系统设计  68-70
  4.6 底层硬件API 函数设计  70-73
    4.6.1 I/O 操作函数  71
    4.6.2 串口操作函数  71
    4.6.3 A/D 操作函数  71-72
    4.6.4 D/A 操作函数  72
    4.6.5 CAN 操作函数  72-73
  4.7 本章小结  73-74
第五章基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式系统软件设计  74-87
  5.1 嵌入式系统软件开发概述  74
  5.2 μC/OS-Ⅱ在AT91R40008 上的移植及仿真环境介绍  74-82
    5.2.1 μC/OS-Ⅱ操作系统简介  74-75
    5.2.2 μC/OS-Ⅱ在AT91R40008 上的移植  75-80
    5.2.3 Embest IDE for ARM 仿真环境介绍  80-82
  5.3 控制系统中CAN 通讯协议的设计  82-84
  5.4 平台控制系统软件设计  84-86
    5.4.1 平台控制系统软件功能分析  84
    5.4.2 平台控制系统的工作流程  84-85
    5.4.3 平台控制系统的多任务规划  85-86
  5.5 本章小结  86-87
第六章总结与展望  87-89
  6.1 本文工作总结  87-88
  6.2 未来工作展望  88-89
致谢  89-90
参考文献  90-93
作者在学期间取得的学术成果  93-94
附录硬件原理图  94

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