光电跟踪伺服系统及目标跟踪方法技术方案

本发明专利技术公开了一种本发明专利技术所设计的光电跟踪伺服系统，其特征在于：它包括四象限探测器、信号放大及滤波模块、单片机、电机驱动模块、方位角调节电机、俯仰角调节电机和万向跟踪系统。本发明专利技术通过一个四象限探测器接收光信号，四象限探测器接收到光信号后转换成四路电流信号，并通过I‑V转换将电流信号转换成四路电压信号，将电压信号进行滤波放大处理，并根据跟踪光斑在四象限探测器上的位置，准确跟踪目标。

Photoelectric Tracking Servo System and Target Tracking Method

The invention discloses a photoelectric tracking servo system designed by the invention, which is characterized by four quadrant detectors, signal amplification and filtering module, single chip computer, motor driving module, azimuth adjusting motor, pitch adjusting motor and universal tracking system. The invention receives optical signals through a four-quadrant detector, which converts the optical signals into four-channel current signals, converts the current signals into four-channel voltage signals through I_V conversion, filters and amplifies the voltage signals, and accurately tracks the target according to the position of the tracking spot on the four-quadrant detector.

【技术实现步骤摘要】
光电跟踪伺服系统及目标跟踪方法
本专利技术涉及光电探测伺服控制领域，具体地指一种光电跟踪伺服系统及目标跟踪方法。
技术介绍
激光半主动制导武器具有高精度制导功能离不开其稳定的伺服跟踪系统。导引头稳定平台必须具备工作可靠、稳定、精度高的控制系统，以保证导引头系统的测量和跟踪精度。现有的伺服跟踪系统基于TMS28335设计，通过旋变解码器解算角度，定位目标，并驱动电机实施目标跟踪，伺服系统控制复杂。所以简洁、快速、稳定、精确的伺服控制系统对导引头的性能至关重要。一般情况下，单片机具有集成度高、嵌入模块多、超低功耗等特点，一个伺服系统，要经过信号的采集、转换、信号数字处理、信号控制等环节来完成指定任务。这些对功能的实现对硬件设计具有很高的要求，而且目前市场上的导引头向小型化、简洁化发展，因此尽可能使用一片芯片，实现信号的采集、定时处理、PID算法、PWM驱动，实现低功耗小型化及高精度测量跟踪，成为硬件工程师的目标。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种光电跟踪伺服系统及目标跟踪方法，本专利技术通过一个四象限探测器接收光信号，四象限探测器接收到光信号后转换成四路电流信号，并通过I-V转换将电流信号转换成四路电压信号，将电压信号进行滤波放大处理，并根据跟踪光斑在四象限探测器上的位置，准确跟踪目标。为实现此目的，本专利技术所设计的光电跟踪伺服系统，其特征在于：它包括四象限探测器、信号放大及滤波模块、单片机、电机驱动模块、方位角调节电机、俯仰角调节电机和万向跟踪系统，其中，四象限探测器固定在万向跟踪系统上，所述四象限探测器的光敏面用于接收目标反射回的光信号，信号放大及滤波模块用于对四象限探测器输出的四个象限电信号分别进行信号放大及滤波处理，所述单片机用于对放大及滤波处理后的四个象限电信号通过和差电路法将目标反射回的光信号的中心坐标进行解算得到实时的目标反射光信号的中心坐标，同时解算出万向跟踪系统的方位失调角和俯仰失调角，万向跟踪系统在方位角调节电机和俯仰角调节电机的驱动下跟踪目标，万向跟踪系统中的陀螺用于实时感应万向跟踪系统的方位速率和俯仰速率；单片机用于通过电机驱动模块向对应的方位角调节电机及俯仰角调节电机输送控制信号，并由万向跟踪系统的方位速率、俯仰速率、方位失调角和俯仰失调角对方位角调节电机及俯仰角调节电机进行速率及角度的闭环控制，使万向跟踪系统上的四象限探测器的光敏面中心与目标反射光信号的中心对齐实现对目标的跟踪。一种上述光电跟踪伺服系统的目标跟踪方法，它包括如下步骤：步骤1：目标指示器发射的激光脉冲照射在目标上，并被目标反射；步骤2：四象限探测器的光敏面接收目标反射回的光信号，并将目标反射回的光信号转换为对应的四个象限电信号；步骤3：信号放大及滤波模块对四象限探测器输出的四个象限电信号分别进行信号放大及滤波处理；步骤4：单片机对放大及滤波处理后的四个象限电信号通过和差电路法将目标反射回的光信号的中心坐标进行解算得到实时的目标反射光信号的中心坐标，同时解算出万向跟踪系统的方位失调角和俯仰失调角，万向跟踪系统在方位角调节电机和俯仰角调节电机的驱动下跟踪目标，万向跟踪系统中的陀螺实时感应万向跟踪系统的方位速率和俯仰速率；步骤5：单片机通过电机驱动模块向对应的方位角调节电机及俯仰角调节电机输送控制信号，并由万向跟踪系统的方位速率、俯仰速率、方位失调角和俯仰失调角对方位角调节电机及俯仰角调节电机进行速率及角度的闭环控制，使万向跟踪系统上的四象限探测器的光敏面中心与目标反射光信号的中心对齐实现对目标的跟踪。本专利技术设计的信号放大及滤波模块让光电探测跟踪系统具有更远的作用距离(滤波可以降低噪声，信号处理电路中的增益控制和放大电路可以放大信号，可以增加作用距离)；另外，利用四象限探测器采集的四象限信号使得跟踪系统测角精度得到极大提高。本专利技术中万向跟踪系统的方位速率、俯仰速率、方位失调角和俯仰失调角对方位角调节电机及俯仰角调节电机进行速率及角度的闭环控制，使万向跟踪系统上的四象限探测器的光敏面中心与目标反射光信号的中心对齐实现对目标的稳定准确实时的跟踪。附图说明图1为本专利技术的结构框图。图2为本专利技术中信号放大及滤波模块的电路图。其中，1—四象限探测器、2—信号放大及滤波模块、3—单片机、4—电机驱动模块、5—方位角调节电机、6—俯仰角调节电机、7—万向跟踪系统、8—目标指示器。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明：本专利技术所设计的一种光电跟踪伺服系统，如图1所示，它包括四象限探测器1、信号放大及滤波模块2、单片机3、电机驱动模块4、方位角调节电机5、俯仰角调节电机6和万向跟踪系统7，其中，四象限探测器1固定在万向跟踪系统7上，所述四象限探测器1的光敏面用于接收目标反射回的光信号，信号放大及滤波模块2用于对四象限探测器1输出的四个象限电信号分别进行信号放大及滤波处理(OP放大及RC滤波)，所述单片机3用于对放大及滤波处理后的四个象限电信号通过和差电路法将目标反射回的光信号的中心坐标进行解算得到实时的目标反射光信号的中心坐标，同时解算出万向跟踪系统7的方位失调角和俯仰失调角，万向跟踪系统7在方位角调节电机5和俯仰角调节电机6的驱动下跟踪目标，万向跟踪系统7中的陀螺用于实时感应万向跟踪系统7的方位速率和俯仰速率；单片机3用于通过电机驱动模块4向对应的方位角调节电机5及俯仰角调节电机6输送控制信号，并由万向跟踪系统7的方位速率、俯仰速率、方位失调角和俯仰失调角对方位角调节电机5及俯仰角调节电机6进行速率及角度的闭环控制，使万向跟踪系统7上的四象限探测器1的光敏面中心与目标反射光信号的中心对齐实现对目标的跟踪。当跟踪光斑与四象限中心重合时，对应着探测器的每个象限接收到的光信号强度相等，经计算处理后得到失调角信号，即失调角信号为零，已确定跟踪对准。上述技术方案中，对信号放大是为了增加探测系统的响应范围，也就是作用距离，当目标作用距离处于远端时，探测器探测到的信号比较微弱，甚至搜索不到目标，此时对信号进行放大，可以增加探测系统的作用距离；RC滤波，防止放大器产生自激振荡。上述技术方案中，四象限探测器1选用的型号为GD4316Y的高偏置电压四象限光电探测器；驱动电机采用无刷直流力矩电机直接耦合的驱动方式；速率陀螺采用陀螺稳定平台来克服载体在方位轴和俯仰轴上对负载的扰动，由陀螺来分别敏感载体在方位和俯仰上的扰动速率，通过伺服控制驱动力矩电机使其以反方向的速率转动，达到空间稳定的目的；整个系统为了保证系统数字3.3V供电，使用了TPS70302电源电路提供高纹波抑制比的电压输出，信号处理电路包括了信号的接收、放大及滤波处理。由于电路内部存在噪声，且与探测信号共存的，因此信号处理电路中先在四象限探测器的阴极加入了滤波电路，并在滤波之后对信号进行放大处理，有效提高了制导的精度和制导距离。上述技术方案中，它还目标指示器8，目标指示器8发射的激光脉冲照射在目标上，并被目标反射。上述技术方案中，所述信号放大及滤波模块2包括运算放大器D1～运算放大器D8、电阻R1～电阻R28、电容C1～电容C4，其中，运算放大器D2的同相输入端连接四象限探测器1的第一象限电信号输出端，运算放大器D2的反相输入端接地GND，运算放大器D2的输出端与其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光电跟踪伺服系统，其特征在于：它包括四象限探测器(1)、信号放大及滤波模块(2)、单片机(3)、电机驱动模块(4)、方位角调节电机(5)、俯仰角调节电机(6)和万向跟踪系统(7)，其中，四象限探测器(1)固定在万向跟踪系统(7)上，所述四象限探测器(1)的光敏面用于接收目标反射回的光信号，信号放大及滤波模块(2)用于对四象限探测器(1)输出的四个象限电信号分别进行信号放大及滤波处理，所述单片机(3)用于对放大及滤波处理后的四个象限电信号通过和差电路法将目标反射回的光信号的中心坐标进行解算得到实时的目标反射光信号的中心坐标，同时解算出万向跟踪系统(7)的方位失调角和俯仰失调角，万向跟踪系统(7)在方位角调节电机(5)和俯仰角调节电机(6)的驱动下跟踪目标，万向跟踪系统(7)中的陀螺用于实时感应万向跟踪系统(7)的方位速率和俯仰速率；单片机(3)用于通过电机驱动模块(4)向对应的方位角调节电机(5)及俯仰角调节电机(6)输送控制信号，并由万向跟踪系统(7)的方位速率、俯仰速率、方位失调角和俯仰失调角对方位角调节电机(5)及俯仰角调节电机(6)进行速率及角度的闭环控制，使万向跟踪系统(7)上的四象限探测器(1)的光敏面中心与目标反射光信号的中心对齐实现对目标的跟踪。...

【技术特征摘要】
1.一种光电跟踪伺服系统，其特征在于：它包括四象限探测器(1)、信号放大及滤波模块(2)、单片机(3)、电机驱动模块(4)、方位角调节电机(5)、俯仰角调节电机(6)和万向跟踪系统(7)，其中，四象限探测器(1)固定在万向跟踪系统(7)上，所述四象限探测器(1)的光敏面用于接收目标反射回的光信号，信号放大及滤波模块(2)用于对四象限探测器(1)输出的四个象限电信号分别进行信号放大及滤波处理，所述单片机(3)用于对放大及滤波处理后的四个象限电信号通过和差电路法将目标反射回的光信号的中心坐标进行解算得到实时的目标反射光信号的中心坐标，同时解算出万向跟踪系统(7)的方位失调角和俯仰失调角，万向跟踪系统(7)在方位角调节电机(5)和俯仰角调节电机(6)的驱动下跟踪目标，万向跟踪系统(7)中的陀螺用于实时感应万向跟踪系统(7)的方位速率和俯仰速率；单片机(3)用于通过电机驱动模块(4)向对应的方位角调节电机(5)及俯仰角调节电机(6)输送控制信号，并由万向跟踪系统(7)的方位速率、俯仰速率、方位失调角和俯仰失调角对方位角调节电机(5)及俯仰角调节电机(6)进行速率及角度的闭环控制，使万向跟踪系统(7)上的四象限探测器(1)的光敏面中心与目标反射光信号的中心对齐实现对目标的跟踪。2.根据权利要求1所述的光电跟踪伺服系统，其特征在于：它还目标指示器(8)，目标指示器(8)发射的激光脉冲照射在目标上，并被目标反射。3.根据权利要求1所述的光电跟踪伺服系统，其特征在于：所述信号放大及滤波模块(2)包括运算放大器D1～运算放大器D8、电阻R1～电阻R28、电容C1～电容C4，其中，运算放大器D2的同相输入端连接四象限探测器(1)的第一象限电信号输出端，运算放大器D2的反相输入端接地GND，运算放大器D2的输出端与其同相输入端之间并联电容C2和电阻R8；运算放大器D3的同相输入端连接四象限探测器(1)的第二象限电信号输出端，运算放大器D3的反相输入端接地GND，运算放大器D3的输出端与其同相输入端之间并联电容C3和电阻R14；运算放大器D4的同相输入端连接四象限探测器(1)的第三象限电信号输出端，运算放大器D4的反相输入端接地GND，运算放大器D4的输出端与其同相输入端之间并联电容C4和电阻R18；运算放大器D1的同相输入端连接四象限探测器(1)的第四象限电信号输出端，运算放大器D1的反相输入端接地GND，运算放大器D1的输出端与其同相输入端之间并联电容C1和电阻R2；所述运算放大器D1的输出端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接运算放大器D5的同相输入端，运算放大器D1的反相输入端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接地GND，运算放大器D5的输出端通过电阻R1连接运算放大器D5的同相输入端，电阻R4的一端连接运算放大器D5的同相输入端，电阻R4的另一端连接运算放大器D4的输出端，运算放大器D4的输出端连接电阻R22的一端，电阻R22的另一端连接运算放大器D7的同相输入端，运算放大器D7的反相输入端通过电阻R23接地GND，运算放大器D7的输出端通过电阻R17连接运算放大器D7的同相输入端；电阻R5的一端连接运算放大器D5的反相输入端，电阻R5的另一端连接电阻R20的一端，电阻R20的另一端连接运算放大器D7的同相输入端，电阻R6的一端连接运算放大器D5的反相输入端，电阻R6的另一端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接运算放大器D7的同相输入端，运算放大器D1的输出端连接电阻R19的一端，电阻R19的另一端连接运算放大器D7的同相输入端；电阻R11的一端连接运算放大器D1的输出端，电阻R11的另一端连接运算放大器D6的同相输入端，电阻R12的一端连接电阻R5的另一端，电阻R5的另一端连接运算放大器D5的反相输入端，电阻R12的另一端连接运算放大器D6的同相输入端，电阻R13的一端连接电阻R6的另一端，电阻R13的另一端连接运算放大器D6的反相输入端，电阻R15的一端连接电阻R4的另一端，电阻R15的另一端连接运算放大器D6的反相输入端，运算放大器D6的反相输入端通过电阻R16接地GND，运算放大器D6的输出端与运算放大器D6的同相输入端之间连接电阻R9；电阻R25的一端连接电阻R5的另一端，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，周奂斌，程友信，王凯，周辉，朱祥，郑丹，
申请(专利权)人：湖北三江航天万峰科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42