全自动目标跟踪仪的伺服控制系统设计与实现Word文档格式.docx

1、设计与实现杨 黎（作者姓名）指导教师姓名 杜国平 高级工程师 申请学位级别 硕士 专业名称 控制理论与控制工程 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位和日期 南 京 理 工 大 学 答辩委员会主席 评阅人 2010 年 5 月 20 日注1：注明国际十进分类法UDC的类号声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日 学位论文使用授权声明。 年 月

2、日摘 要目标跟踪技术是当前军事发展的一项核心技术和最为迫切的需求，一直以来都是军事研究的一个热点，对其研究有着积极的意义。本文以此为背景，拟设计一套全自动目标跟踪仪，该设备由伺服控制系统、图像采集系统和通信系统组成。本文主要完成伺服控制系统的设计。论文分析了伺服控制系统的功能需求，结合本系统的实际要求和系统特性给出了伺服系统的控制方案，并设计了位置、速度、电流调节器。伺服控制系统的硬件电路以LPC2368为主控芯片，分为数据采集、通信、信号检测、运动控制和电源五个功能模块。结合伺服控制系统的功能需求，给出了系统硬件设计，主要包括器件选型、电路设计、系统散热与电磁兼容设计。此外，考虑到伺服控制系

3、统对快速性、精确性的要求及常规编码器在使用过程中的缺陷，系统选用了海德汉公司研制的数字接口绝对式位置编码器。本文详细介绍了该编码器与微控制器SSP接口之间的通信电路设计以及软件实现流程。系统软件设计主要包括接口驱动程序和运动控制程序。其中接口驱动程序的设计包括UART、SSP、I2C、CAN和A/D五个模块；运动控制模块的软件设计包括位置、速度、电流调节器的算法实现，全数字式三闭环位置随动系统控制算法设计，PWM电机驱动程序设计，系统故障处理程序四个部分。在完成软、硬件设计的基础上，本文对通信模块、数据采集模块、信号检测模块和运动控制模块分别进行了调试，调试结果表明系统运行良好，达到了预期的设

4、计目的。关键词： 目标跟踪，运动控制，ARM，EnDat数字编码器AbstractTarget Tracking Technology is one of the key technologies of military development, and has always been a hot point in the military research area, so it has a positive significance for such a research. Against this background, an automatic target tracker is de

5、signed. It can be divided into three subsystems, including image acquisition system, communication system and servo control system. This paper has finished the design of the servo control system.This paper gives the main control strategy of the servo control system and designs the location, speed an

6、d current regulator based on the analyses of the function requirement and features. The ARM microcontroller（LPC2368） is used as the main control chip. Hardware circuit can be divided into data acquisition module, communication module, signal detection module, motion control module and power module.

7、The hardware design includes device selection，PCB design, electromagnetic compatibility design and system thermal design.Additionally, taking into account the requirements of the servo control system for speedy and accuracy and the defect of general encoder, this system has selected digital encoder

8、which is manufactured by HEIDENHAIN. This paper introduces the communication circuit between the encoder and SSP of the main controller, and briefs the software process.System software design includes interface driver and motion control programs. The Interface drivers is divided into UART, SSP, I2C,

9、 CAN, A/D. And the motion control software includes regulator algorithm, three closed-loop digital control of position servo system algorithm, PWM motor driver design and failure processes program.Based on the hardware and software design, the communication module, data acquisition module, signal de

10、tection module and motor control module are carried out testing. The result shows that the system is running well, and achieved the anticipation.Key Words: target tracking, motion control, ARM, EnDat digital encoder1 绪论1.1 课题研究背景及意义目标跟踪是指计算机根据一定的算法实现对目标的跟踪与定位，并根据目标的动向和位置采取相应的措施12。在实际应用中，运动目标跟踪技术不仅可以

11、准确地定位目标并提供目标的运动轨迹，为下一步目标行为的理解与分析提供可靠的信息来源，而且也可以为运动目标检测提供帮助。如何精确地对运动目标进行定位跟踪，对于提高军事中的武器制导、武器打击的精确度等有着重要的影响3。在现代战争中，对实时战场信息的获取能力很大程度上决定了战争的胜负。全自动目标跟踪仪以其多样的传感器技术和灵活的使用方式，在现代战争中得到越来越多的应用，并迅速成为世界军事研究的热点4。应用全自动目标跟踪仪可以完成电子干扰，地面侦查甚至目标攻击，但目前研究最热门的是地面侦查。地面的军事目标，尤其是移动目标，是地面侦查中最有价值的目标之一。全自动目标跟踪仪通过对目标的跟踪，获取目标实时状

12、态，并向控制总部发回信息，指导对跟踪目标的攻击，其发现和跟踪目标的性能很大程度上决定了情报的准确性，从而影响了战争的走势。在无人监控过程中，对目标的准确跟踪和分析会直接决定侦查的准确性和效率，因此，全自动目标跟踪技术是当前军事发展的一项核心技术和最为迫切的需求。从当今部队的使用情况来看，地面高炮防空部队、海军岸防部队、海军舰艇部队对于防空型光电跟踪产品都有不同程度的需求，以作为雷达设备的有效补充。这些需求有很多种，但就作战方式来讲可以分成手动跟踪和自动跟踪两类。而目前国内的手动跟踪市场已经基本趋近饱和，部分自动跟踪产品因为位置传感器技术限制，不能快速地反馈目标的位置值，影响跟踪系统的准确性。现

13、在无论是从技术角度还是从需求角度来讲，都应该研制一个全自动跟踪产品。 因此本课题研究的目的是充分结合实际需求，特别是当前客观存在的舰载平台的潜在需求，研制一个多平台使用（既可以基于地面平台使用，也可以基于动基座使用）的全自动目标跟踪系统。该系统主要由伺服驱动、图像采集和通信三大模块构成。图像采集模块得到目标对象的基本信息，伺服驱动模块经由相应的控制程序驱动负载，实现对目标的实时跟踪。全自动目标跟踪仪一直以来都是军事研究的一个热点，同时其具有机动性好、成本低、生存能力强等特点，对提高军事效能，保存有生力量具有深远的意义，特别适用于恶劣环境下的作战。全自动目标跟踪仪在智能性，灵活性以及可携带等方面

14、有较大的优势，因此全自动目标跟踪仪的研制有着积极的意义。1.2 目标自动跟踪技术发展概况目标跟踪技术作为科学技术发展的一个方面可以追溯到二战前夕，即世界上出现第一部跟踪雷达站时。传统的目标跟踪技术只能用来跟踪单目标，随着电子对抗技术的发展，目标的机动性能不断改善，被测目标的不确定性越来越复杂，单目标跟踪技术已不能满足要求。与此同时，随着传感器技术和数字处理技术的发展，多传感器多目标跟踪技术越来越受到重视。多目标跟踪的基本概念是Wax在1955年首次提出的。Sittler在1964年开创性地研究了多目标跟踪理论及相关的数据关联问题。70年代开始，机动目标跟踪理论开始得到广泛的关注。1975年，B

15、ar-Shalom将Kalman滤波和数据融合结合起来应用于目标跟踪，这标志着多目标跟踪系统新的发展5。目前目标识别与跟踪技术已广泛运用于军事、交通以及导航等相关领域。自动跟踪技术能够加快反应速度、加强系统的自动化程度和提高装备的持续作战能力，是当前国内外装甲车辆火控系统的主要发展方向之一。我国在目标跟踪技术方面的研究也取得了可喜的成果，其中 “长白”舰载相控阵雷达能够实现360目标跟踪和告警，目标指示精度可达1mrad，虚警率小于1次/h。美国是研制和使用目标控制技术最早的国家，不论在技术水平还是装备的品种均领先于其它国家，迄今为止最重要的工程研究工作是Martin Electronics and Missiles与前Hughes Electro-Optical Systems公司合作研制的舰载目标跟踪系统，该系统在导弹发射演习过程中能实时探测和跟踪反舰巡航导弹目标。另一种典型的红外搜索与目标跟踪系统是荷兰研制的IRSCAN系统，质量为100kg的IRSCA稳定传感器头以78r/min的速度扫描360范围，俯仰角度为，能对32个目标进行跟踪和告警，对典型的来袭亚声速导弹的告警距离为12km。鉴于目标跟踪技术的快速发