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弹道跟踪转镜伺服控制与驱动技术研究

作　者: 张嫚
导　师: 宋玉贵
学　校: 西安工业大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 测试靶场 高速摄相机 跟踪转镜 伺服控制 ARM
分类号: TJ06
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


在靶场测试领域中,采用跟踪转镜高速摄影来记录弹丸的滚动、章动、尾翼张开及脉冲点火等过程,进而用来测量分析弹丸飞行姿态、稳定性及弹丸参数成为一种有效的测试手段。其中,转镜的伺服控制及其驱动技术是系统实现的关键与难点。本文运用外弹道理论及空气动力学的研究成果,深入研究了弹丸运动规律,建立了控制转镜运动的数学模型,并着重分析了控制电机运动的主要参数。系统采用AT91RM9200作为核心控制器控制伺服电机运动,使得水平方向飞行的弹丸能够通过一块平面反射镜成像在相机中,用伺服电机带动转镜运动,当转镜的速度与被跟踪目标速度相匹配时,在一定的误差范围内,被跟踪目标在相机中的像将保持相对静止状态,这样高速摄相机就可以拍摄到弹丸飞行时的清晰像,达到实时跟踪的目的。基于ARM技术,完成了转镜伺服控制系统与驱动技术的设计方案,在以VxWorks为操作系统的开发平台上完成了应用程序开发,主要包括与上位机之间的串口通信、弹丸速度采集、温度采集、伺服控制程序。另外设计了以单片机为核心控制单元的硬件驱动电路,实现了RS485逻辑电平方式的脉冲输出,满足伺服电机电子齿轮方式的控制要求。通过仿真实验及模拟实物进行追踪拍摄,验证了该控制系统的数学模型及控制方案的可行性与可靠性。实验结果表明,采用ARM控制系统可以提高系统的实时性,保证了系统的延迟在1ms以内,同时以电子齿轮方式控制伺服电机运动能够满足伺服控制的精度要求,针对初速度为100m/s-1500m/s的弹丸可以跟踪拍摄100m的轨迹,并达到0.5°的跟踪精度。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-16
  1.1 前言  8-9
  1.2 国内外相关技术研究状况  9-10
  1.3 伺服控制系统介绍  10-12
    1.3.1 伺服系统的结构组成  10-11
    1.3.2 伺服系统的分类  11
    1.3.3 伺服系统的技术要求  11-12
  1.4 嵌入式微控制系统介绍  12-14
    1.4.1 嵌入式芯片AT91RM9200介绍  12-13
    1.4.2 嵌入式操作系统VxWorks特点  13
    1.4.3 Tornado开发环境简介  13-14
  1.5 课题研究的主要内容  14
  1.6 课题研究的意义  14-15
  1.7 论文的组织结构及安排  15-16
2 弹道跟踪转镜控制系统组成  16-26
  2.1 转镜控制系统原理  16-17
  2.2 弹丸初速度采集系统  17-18
  2.3 远程计算机控制系统  18-21
    2.3.1 弹丸运动轨迹影响因素分析  18-19
    2.3.2 布靶参数分析  19-21
  2.4 转镜伺服控制系统  21-24
    2.4.1 伺服电机驱动系统介绍  21-23
    2.4.2 电子齿轮方式精度分析  23
    2.4.3 伺服电机控制精度分析  23-24
  2.5 CCD相机拍摄系统  24-25
  2.6 本章小节  25-26
3 伺服控制数学模型建立  26-33
  3.1 转镜运动规律计算  26-28
  3.2 最大跟踪允许误差计算  28-30
  3.3 离散曲线最大间隔时间和最大速度间隔计算  30-31
  3.4 存储数据量内存计算  31-32
  3.5 本章小节  32-33
4 基于ARM的伺服控制与驱动总体设计  33-49
  4.1 系统硬件控制方案设计  33-34
  4.2 星光AT91RM9200开发板介绍  34-36
  4.3 系统总体设计  36-48
    4.3.1 ARM内核定制及操作系统的移植  36-37
    4.3.2 串行数据通信以及数据存储管理  37-41
    4.3.3 弹丸速度采集  41-44
    4.3.4 伺服电机温度采集  44-45
    4.3.5 伺服控制与驱动设计  45-48
    4.3.6 相机开启触发控制  48
  4.4 本章小节  48-49
5 实验结果分析  49-53
  5.1 输出脉冲测试  49
  5.2 电机运行测试  49-51
  5.3 联机结果测试  51
  5.4 跟踪结果误差分析  51-53
6 结论  53-54
  6.1 主要工作总结  53
  6.2 存在的问题及展望  53-54
参考文献  54-58
攻读硕士学位期间发表的论文  58-59
致谢  59-61

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中图分类: > 工业技术 > 武器工业 > 一般性问题 > 测试技术及设施
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