激光制导机器人及车 精品Word格式.docx

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波束制导系统由指挥站和精确制导武器上的控制装置组成。

指挥站发现目标后，对目标自动跟踪并通过雷达波束或激光波束照射目标，当精确制导武器进人波束后，控制装置自动测出其偏离波束中心的角度和方向，控制精确制导武器沿波束中心飞行，直至命中目标。

波束制导系统的控制装置比较简单，成本低，并且可以同时制导数枚精确制导武器，而且由于控制装置直接接收波束能量，不易受干扰。

这种制导方式的缺点是在整个攻击过程中，指挥站必须不间断地以波束照射目标，这样会使指挥站连同载体很容易受到对方攻击。

图1-2波束制导示意图

1.1.3匹配制导

匹配制导系统通常用来修正远程惯性制导的误差。

它包括地形（高度）匹配制导和景像〔灰度）匹配制导。

发射前预先把选定的飞行路线中段和末段下方的若干地区的地面特征图储存到弹上的计算机内，当导弹飞行到这些地区时，将探测器现场实测到的地面图像同预先储存的地面图像作相关对照，计算出导弹的飞行误差，形成控制指令，就能控制导弹沿预定的航线飞向目标。

储存在弹上的地面图像由侦察卫星或侦察飞机预先测定，经过处理转换成数字信息后储存在弹上的计算机中。

由于同一地域对于可见光、微波、红外、微光所表现的地面特征不尽相同，从而可构成各种地图匹配制导，如微波雷达图像匹配制导，可见光电视摄像匹配制导，激光雷达图像匹配制导，红外成像匹配制导等。

匹配制导的制导精度与射程无关，可使射程为几千千米的导弹达到较高的命中精度。

1.1.4惯性制导

惯性制导是一种只依靠弹上惯性部件提供制导数据，而不依赖外部信息的自主制导方式。

惯性制导技术主要用于弹道式导弹，它利用陀螺仪、加速度计等惯性元件来测量和确定导弹的运动参数，控制导弹飞行。

它的精度随射程的增大而降低，所以只装有惯性制导系统的武器不可能成为精确制导武器。

但是惯性制导最大优点是不受外界的干扰，只要它的精度能保证将制导武器引导至末制导系统的作用范围，就不失为一种简便可靠的中段制导方式。

1.1.5卫星定位（GPS）制导

卫星定位制导也称“GPS”制导，是指制导武器接收全球定位系统中卫星播发的导航信号，实现三维精确定位和获取速度、时间信息的制导方式。

美国的全球定位系统在1993年已全部完成并投人使用，这个由24颗卫星组成的定位系统可用于各种军用与民用的定位与导航。

如果在精确制导武器上安装全球定位系统的接收机，就可以在飞行过程中情确地测出自己的空间位置和匕行速度，用来修止惯性制导的误差C虽然其作用与地形匹配制导相似，但是攻击前的准备工作却简单得多，所以用全球定位系统制导来代替地形匹配制导，可改善远程精确制导武器的性能。

1.1.6复合制导

复合制导是采用两种或两种以上不同物理特性的探测器组成的制导系统。

在制导时，若探测器串行使用，为复合制导;

若并行使用，为多模制导或并联复合制导。

任何一种制导方式都有其优缺以，如能取长补短则能趋利避害。

一般，远程精确制导武器都采用两种以上的制导方式构成复合制导系统，这样不仅能提高制导精度而目也能增强抗干扰能力。

如法国的“飞鱼”反舰导弹，发射后先按惯性制导做超低空掠海飞行，在接近目标时才转为雷达主动寻的制导;

前苏联的SA-4防空导弹，发射后先用作用距离比较远的指令制导，飞行末段转用精度较高的半主动雷达寻的制导;

美国的“战斧”巡航导弹，在整个飞行过程中除用惯性制导外，中段制导过去是用地形匹配制导，而现在改用全球定位系统来修正惯性制导的误差。

复合制导系统虽然比较复杂、体积大、成本高，而且因元器件多降低了系统的可靠性，但是随着科学技术的发展，复合制导系统的小型化、低成本、高可靠性会逐步得到解决。

1.2精确制导技术的发展趋势

未来的精确制导武器除了进一步增大射程，提高命中精度，缩短任务规划时间，增强攻击目标选择能力外，提高抗干扰能力和全天候作战能力，实现人工智能化、模块化、通用化和提高突防能力应成为今后重要的发展方向。

从技术和性能的角度分析，精确制导武器未来的发展趋势主要是[3]:

（1）采用新的制导技术，提高命中精度，缩短任务规划时间和增强目标选择能力。

未来的巡航导弹可能采用惯性加GPS加红外成像制导，这样可取消地形匹配和景像匹配系统，进行任务规划就不需要大量的电子图像信息。

激光雷达、合成孔径雷达和毫米波寻的技术将来也可能用于巡航导弹的制导。

（2）采用新型发动机和高能高密度燃料，大幅度增加射程。

研制隐身性能更好的制导武器，进一步提高突防能力。

通过综合利用雷达、红外和声学等隐身技术，未来巡航导弹的雷达反射截面、红外信号特征和噪声将进一步减小，使防御系统对其进行探测和跟

（3）研制新的计算机算法，提高制导武器的进攻能力。

如通过在任务规划系统采用新的计算机算法和建立导弹之间的通信链路，未来的巡航导弹能够利用通信链路在飞行中进行数据交换，识别特定目标和进行毁伤评价，如果原定目标被摧毁，能够重新选择航线攻击备选目标.从而显著增加作战效能。

（4）采用模块化设计，提高不同军种间的通用性，即一弹多用，可降低研制经费，缩短研制周期，并且有利于使用和维修保养。

（5）今后还要研制巡航导弹的领弹，领弹在攻击时提供开路先锋，对目标定位，导引后续导弹对目标实施攻击。

领弹可回收和重复使用。

1.3激光制导的三种方式

在众多的精确制导方式中最引人注目、发展最快的要数激光制导了。

激光制导具有其他精确制导方式所无法比拟的许多优点，因此最具发展潜力。

激光制导与控制武器具有制导精度高；

抗干扰能力强；

可与红外或雷达等构成复合制导；

体积小、重量轻。

激光制导方式有半主动寻的式、主动寻的式和波束式（驾束式）三种。

目前激光制导武器中大都采用半主动激光制导方式，即导引头与激光照射装置分开配置于两地，前者随弹飞行，后者置于弹外。

激光照射器用来指示目标，故又称激光目标指示器。

导引头通过接收目标反射的激光或直接接收照射激光，引导导弹飞向目标[4]。

1.3.1半主动式激光制导

半主动式激光回波制导系统的工作过程是：

激光发射机作为信号源装在地面、车船或飞机上，发射激光束为制导武器指示目标，弹上的激光导引头接收目标反射的激光信号，并跟踪目标上出现的激光光斑，引导战斗部飞向激光光斑，最终命中目标。

半主动式回波制导广泛应用于各种武器的制导系统中，如激光制导炸弹、激光制导导弹、激光制导炮弹等，是所有制导武器中制导精度最高的。

例如，美制海尔法激光制导导弹就是半主动激光制导导弹的典型代表，主要用于攻击坦克、战车、雷达等地面军事目标。

图1-3激光半主动寻的系统

1.3.2主动式激光制导

这种制导方式是将激光照射器和目标寻的器都装在弹上，由激光照射器发射激光，目标寻的器接收目标反射回的激光信号，再通过弹上控制系统将弹体引向目标。

1.3.3波束式激光制导

激光波束制导又称激光驾束制导，其工作过程是：

激光制导系统瞄准目标并连续发射激光，位于弹尾的激光接收器接收激光，控制弹体像“骑”着激光一样沿光束中心飞行。

激光束指向哪儿，弹体就飞到哪儿，紧紧“咬”住目标不放，直到命中。

但激光驾束制导必须在通视条件下才能实现，因而适合短程作战使用，射程一般在3km以内。

瑞典RBS-70便携式导弹即属此类，由于其命中率极高，已成为反低空飞机的得力武器。

图1-4激光驾束制导示意图

2知识准备

激光制导是一个复杂的系统工程，在实验室进行模拟试验必须具备必要的知识储备和硬件实验设备。

以下我就激光制导实验所涉及到的一些专业的必备知识和一些设备作一下简单介绍。

2.1氦氖激光器

氦氖激光器是具有连续输出特性的气体激光器。

虽然它的输出功率一般来说并不很高，通常只有几毫瓦，最大也不过百毫瓦，但由于它的光束质量很好；

光束发散角很小，一般能达到衍射极限；

相干长度是气体激光器中最长的，另外由于器件结构简单，操作方便，造价低廉，输出光束又是可见光。

基于上述优点，使氦氖激光器在精密计量、准直、导航、全息照相、通信、激光医学等方面得到了极其广泛的应用。

氦氖激光器是放电激励的气体激光器的典型代表[5]。

它的工作过程、制造工艺及设计器件的方法等对其它气体激光器都可以作为参考。

氦氖激光器的几种结构形式：

（a）内腔式He-Ne激光器结构图

（b）外腔式He-Ne激光器结构图

（c）半外腔式He-Ne激光器结构图

图2-1He-Ne激光器结构图

按照组成激光共振腔的两块反射镜相对于激光放电管安置方式是否是直接接触，氦氖激光器可分为三种结构形式。

如图2-1所示。

图中（a）为内腔式，两块反射镜直接贴在放电管两端，这种形式的最大优点是使用方便，反射镜贴好后就不能再调整，其缺点是由于发热或外界扰动等原因而造成放电管发生形变，使两块反射镜的位置发生相对变化，导致共振腔失调，因而使输出频率及功率发生较大的变化[6]。

图中（b）是外腔式，组成共振腔的两块反射镜与放电管完全分离，反射镜安装在专门设计的调整支架上，放电管两端用布儒斯特窗片以布儒斯特角密封。

这种结构的优点是能避免因放电管形变而引起的共振腔失调，同时获得线偏振光。

这对某些应用和光学研究是必要的。

其缺点是需要不断调整腔镜，使其输出最佳，使用不如内腔式方便。

图中（c）是半外腔式，它的放电管一端直接贴反射镜，另一块反射镜与放电管分离。

输出光束也是线偏振光，其性能介于（a）和（b）两者之间。

2.2摄像器件的工作原理

1摄像头简介

摄像头（CAMERA）又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。

近年以来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的水平。

普通的人也可以彼此通过摄像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通，另外，人们还可以将其用于当前各种流行的数码影像、影音处理。

2摄像头的分类

摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。

模拟摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。

模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。

数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。

现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主，目前市场上可见的大部分都是这种产品。

除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但目前还不是主流。

由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高等原因，USB接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是USB接口的数字摄像头。

以下主要是指USB接口的数字摄像头。

3摄像头的工作原理

摄像头的工作原理大致为：

景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。

注1：

图像传感器（SENSOR）是一种半导体芯片，其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。

光电二极管受到光照射时，就会产生电荷。

注2：

数字信号处理芯片DSP（DIGITALSIGNALPROCESSING）功能：

主要是通过一系列复杂的数学算法运算，对数字图像信号参数进行优化处理，并把处理后的信号通过USB等接口传到PC等设备。

本实验中所用的摄像头是一款CCD摄像头，输出的是PAL制式的模拟复合视频信号。

2.3复合视频信号

1．复合视频（Composite-Video）

由于分量视频信号各个通道间的增益不等或直流偏置的误差，会使终端显示的彩色产生细微的变化。

同时，可能由于多条传输电缆的长度误差或者采用了不同的传输路径，这将会使彩色信号产生定时偏离，导致图像边缘模糊不清，严重时甚至出现多个分离的图像[7]。

插入NTSC或PAL编解码器使视频信号易于处理而且是沿单线传输，这就是复合视频。

复合视频格式是折中解决长距离传输的方式，色度和亮度共享4.2MHz（NTSC）或5.0-5.5MHz（PAL）的频率带宽，互相之间有比较大的串扰，所以还是要考虑频率响应和定时问题，应当避免使用多级编解码器，复合视频的传输特性如下：

-传输介质：

单根带屏蔽的同轴电缆

-传输阻抗：

75欧姆常用接头：

BNC接头、莲花（RCA）接头

-接线标准：

插针=同轴信号线，外壳公共地＝屏蔽网线（见图1-6）

图2-2

2.色差信号（Y,R-Y,B-Y）

图2-3

对视频信号进行处理而传输图像时，RGB分量视频的方式并不是带宽利用率最高的方法，原因是三个分量信号均需要相同的带宽。

人类视觉对亮度细节变化的感受比彩色的变化更加灵敏，因此我们可以将整个带宽用于亮度信息，把剩余可用带宽用于色差信息，以提高信号的带宽利用率。

将视频信号分量处理为亮度和色差信号，可以减少应当传输的信息量。

用一个全带宽亮度通道（Y）表示视频信号的亮度细节，两个色差通道（R-Y和B-Y）的带宽限制在亮度带宽的大约一半，仍可提供足够的彩色信息。

采用这种方法，可以通过简单的线性矩阵实现RGB与Y,R-Y,B-Y的转换。

色差通道的带宽限制在线性矩阵之后实现，将色差信号恢复为RGB分量视频显示时，亮度细节按全带宽得以恢复，而彩色细节会限制在可以接受的范围内。

色差信号也有多种不同的格式，有着不同的应用范围，在普遍使用的复合PAL、SECAM和NTSC制式中，编码系数是各不相同的。

2.4步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

反应式步进电机原理

由于反应式步进电机工作原理比较简单。

下面先叙述三相反应式步进电机原理。

A、结构：

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A’与齿5相对齐，（A’就是A，齿5就是齿1）

B、旋转：

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

由此可见：

电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：

电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。

只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

C、力矩：

电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比S其磁通量Ф=Br*SBr为磁密，S为导磁面积F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径Br=N•I/RN•I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力*半径

力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

3方案论证及各功能模块的实现

3.1方案论证

3.1.1制导方式选择

（1）全主动式激光制导。

这种制导方式是将激光照射器和目标寻的器都装在弹上，由激光照射器发射激光，目标寻的器接收目标反射回的激光信号，再通过弹上控制系统将弹体引向目标[8]。

由于目标物体与周围环境相互影响，这种制导方式必须能够对目标物体进行图象识别，需要强大的数字视频信号处理器和相当复杂的程序算法。

这样复杂的系统工作不可能在短短的几个月之内完成。

（2）波束式激光制导

激光波束制导又叫激光驾束制导,其工作过程是：

激光照射器先捕捉并跟踪目标,给出目标所在方向的角度信息,然后经火控计算机控制弹体发射架，以最佳角度发射导弹，使它进入激光波束中（进人波束的方向要尽可能与激光束轴线的方向一致）。

弹体在飞行过程中,弹上激光接收机接收到激光器直接照射到弹上的激光信号,从中处理出制导所需的误差量,即弹体轴线与激光束轴线的偏离方向和大小,并将这个误差量送入弹的控制系统,由控制系统控制弹的飞行方向和姿态,始终保持弹与激光照射光束的重合,最终将战斗部引导于目标上。

此种制导方式就像让导弹骑在激光束上滑行一样,所以俗称"

驾束制导"

[9]。

这种制导方式需要强大的功率激光器，但我系实验室不具备这样的激光器。

而且这种制导方式需要整个导引系统都处于激光束的照射范围之内，这就要求激光束的束腰半径比较大，我系实验室不具备这样的激光器。

（3）半主动式激光制导

半主动式激光回波制导系统的工作过程是:

激光发射机作为信号源装在地面、车船或飞机上,发射激光束为制导武器指示目标,弹上的激光导引头接收目标反射的激光信号,并跟踪目标上出现的激光光斑,引导战斗部飞向激光光斑,最终命中目标。

半主动式回波制导广泛应用于各种武器的制导系统中,如激光制导炸弹、激光制导导弹、激光制导炮弹等，是所有制导武器中制导精度最高的[10]。

由于这种方法简单易行且各种实验设备基本具备，我采用了半主动式激光制导的方式导引小车的行进。

3.1.2激光探测器的选择

（1）四象限探测器

人们把四个性能完全相同的探测器按照直角坐标要求排列成四个象限做在同一芯片上中间有十字形沟道隔开，即所谓四象限管，其结构示意图如图3-1所示。

图3-1四象限探测器结构示意图

四象限探测可作为二维方向上目标的方位定向，用于军事目标的探测或工业中的定向探测。

用脉冲激光器作光源（加固体脉冲激光器），它发出脉冲松窄（ns量级脉宽）而峰值功率很高的激光脉冲，用它照射远处军事日标（坦克、车辆等）。

被照射的目标对光脉冲发生漫反射，反射回来的光由光电接收系统接收。

接收系统由光学系统和四象限管组成[11]。

四象限管放在光学系统后焦面附近，光轴通过四象限管十字沟道中心。

远处日标反射光近似于平行光进入光学系统成像于物镜的后焦面上，四象限管的位置团略有离焦，于是接收到目标的像为—圆形光斑。

当光学系统光轴对准目标时，圆形光斑中心与四象限管中心重台。

四个器件因受照的光斑面积相同，输出相等的脉冲电压。

经过后面的处理电路以后，没有误差信号输出。

当日标相对光轴在x、y方向有任何偏移时．目标像的圆形光班的位置就在四象限管上相应地有偏移，四个探测器因受照光斑面积不同而得到不同的光能量，从而输出脉冲电压的幅度也不同[12]。

经过调查，市场上的民用四象限探测器较少，而军用品的价格又非常高，因此不适合采用这种探测器件。

（2）CCD成像器件

电荷耦合器件（ChargedCoupledDevice）简称CCD，最早出现在70年代初，由美国贝尔实验室的W．S．Boyle和G．E．Smith首先提出，后来被Amllo等人的实验所证实；

CCD的优点是结构精细。

体积小，坚实可靠并且在低电压下工作。

经过二十多年的发展，CCD主要应用于下面两个领域，一是电子计算机或其他数字系统中用作信息存贮相信息处理；

二是用于摄像装置，其作用是把光学图像转换为电子图像，再通过存贮、自扫描输出时间序列的电信号[13]。

日前，在固体摄像器中发展最快、应用最广的是电荷耦合器件。

我设计了外围电路对视频模拟信号进行行场分离等处理之后，能够成功的实现目标的探测与定位。

因此我才用了CCD摄相头作为目标激光探测器。

3.2激光定位模块

3.2.1目标定位信息的提取

摄象机输出的复合视频信号输入LM1881的视频输入引脚，即经内部电路的处理分离出场同步脉冲和行同步脉冲，1脚输出行同步脉冲，3脚输出场同步脉冲（如图3-2所示）。

行、场同步脉冲分别输入74LS126的A、B两个三态门的输入端，目标定位单片机的P1.0与P1.1分别通过控制A、B两个三态门