光电跟踪技术范文
时间：2023-12-01 17:31:48
导语：如何才能写好一篇光电跟踪技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
关键词：太阳能；光伏电站；太阳辐射；MPPT；控制方法
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.145
、0 引言
太阳能是一种可再生的清洁能源，具有取之不尽，用之不竭的特点，随着不可再生能源的不断枯竭，太阳能得到人们更多的开发和利用，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。讨论太阳能利用技术及其发展趋势，对于太阳能的发展和利用起到重要作用。近年来，新能源在全球能源结构中的地位显著提升。[1]多种太阳能热利用方式的综合发展，将为世界节能减排以及煤油替代和能源消耗结构调整做出巨大贡献，将有非常巨大的发展空间。
光伏发电具有清洁、安全、无污染等优点，但目前，由于光伏发电系统成本高，其应用受到很大的影响。通过提高光伏转换效率，降低单位功率输出的成本，提高了使用寿命。
光伏发电功率预测技术和最大功率点跟踪技术已受到了全球的关注，最大功率点跟踪技术备受其国外学者的青睐。目前光伏发电最大功率点跟踪技术也已成为国内热门研究的技术之一。
2 光伏发电最大功率点跟踪控制方法
2.1 非自寻优的MPPT控制方法
曲线拟合法[2]：由于需要测量温度和太阳光强度，增加了系统的复杂性，并且可以根据时间的推移改变光伏特性曲线。所以此方法并不广为所用。
2.2 自寻优的MPPT控制方法[3]
此类方法是目前研究比较广泛的控制方法，因为此类方法不直接检测外界环境的因素变化，而是依据直接检测到的光伏板阵列上的电压和电流来进行最大功率点的跟踪。
干扰观察法：该方法的优点是控制算法比较简单，对电量传感器的精度要求不高。其缺点是
A.总是在附近的最大功率点的光伏冲击操作，会产生一定量的功率损耗。
B.跟踪步长的设定难以兼顾跟踪精度和响应速度，并且有时会出现判断错误的现象[4]。
目前已有文献针对干扰观察法的缺点进行了研究改进，提出了多种改进的方法和对策。
3 三种典型MPPT方法的比较（见表1）
4 MPPT控制方法研究发展方向
（1）数学模型逐步优化、智能处理方法广泛应用。基于模糊逻辑和人工神经网络的MPPT控制方法进行了介绍，虽然人工智能中有许多缺陷，但它仍然比在某些方面，人类的思维。
（2）多种控制方法的有机结合[5]。由于各种MPPT方法有一些缺点和局限性，改善它必须支付实施难度和成本的价格，各种方法的有机结合，可以避免弱点，还可以充分发挥各种方法的优势。
5 结语
本文介绍了光伏发电最大功率点跟踪技术的几种方法，并对其优缺点进行了剖析和对照。对目前在最大功率点跟踪技术领域存在的一些问题进行了讨论。如何将各种最大功率点跟踪控制方法有机结合，相互补充，使其能够更好的满足实际需要，是今后光伏阵列最大功率点跟踪控制研究的方向。
参考文献：
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篇2
【关键词】光电跟踪测量系统；传感器；融合跟踪
The Design and Realization of multiple sensors Fusion Tracking for the photoelectrical theodolite
（Troops 91351，Qiao Tie-ying，Yang Hai-qing）
Abstract：Though design the multiple sensor frame and fusion tracking arithmetic，This paper designed and realization of multiple sensors fusion tracking for the photoelectrical theodolite.A photoelectrical theodolite is designed which is be maked up of the visible light measurement，the infrared measurement and the laser measurement，the single station location measurement function is realized for the different environmental contexts.
Key words：photoelectrical theodolite；sensor；Fusion Tracking
1.引言
目前，光电测量技术得到了极大的发展，其中可见光测量技术、红外测量技术和激光测距技术日益成熟，多种型号多种功能的光电跟踪测量系统在不同的军用民用领域得到了广泛应用。如果在一套光电测量系统中，做到取长补短，综合可见光、红外光等多种测量技术融合跟踪，并形成单站定位能力，将大大提高光电跟踪测量系统的功能，在各种应用领域发挥更大作用。
2.多传感器结构设计
2.1 传感器的特点与功能
为实现近、远程目标的捕获跟踪和单站定位能力，选择测量电视系统、变焦距捕获电视系统、中波红外测量系统、长波红外测量系统和激光测距系统，集成安装在同一套光电跟踪测量系统上。
测量电视焦距较长，主要完成对目标的高精度测量，兼顾对目标的捕获和跟踪；变焦距捕获电视焦距变化范围大，可实现对近距离目标的捕获、跟踪，采用广播级的3CCD彩色相机，图像具有良好的质量；中波红外系统主要实现低能见度时对目标的捕获、跟踪和测量；长波红外系统可在夜间实现对目标的捕获、跟踪和测量，同时也可分辨目标的轮廓；激光测距系统实现对目标距离的测定，实现光电跟踪测量系统单站定位的功能。
2.2 总体布局与结构
光电跟踪测量系统中的经纬仪配备的传感器较多，总体布局与设计的原则是最大限度的集中于主视轴周围，以减少各传感器间轴系误差对总测角精度的影响。图中测量电视系统位于中心主视轴，捕获电视和激光测距系统在测量电视上方，中波红外系统和长波红外系统位于测量电视下方。结构如图所示。
2.3 垂直轴系结构设计
2.3.1 功能和组成
由于垂直轴系形成跟踪架的方位轴线，实现方位角测量、跟踪驱动、角速度反馈功能，所以，垂直轴系精度将直接影响水平轴系和跟踪架精度，对经纬仪总体精度起着决定性作用。
光电跟踪测量系统垂直轴系主要由12个部分组成，分别为：转台、垂直轴、导电环、编码器、导电环联接件、电控箱、方位力矩电机、径向轴承、止推轴承、基座、起落部件、承载圈。
2.3.2 垂直轴系结构设计特点
止推轴承采用上、下轴承环分离，径向三排滚珠均布在两轴承环之间的结构；
径向轴承环之间装有精密加工而成的优质轴承钢滚柱，采用适当的过盈配合，过盈范围0.004mm～0.006mm；
散装结构具有传动刚度好，承载能力大和旋转精度高等优点；
基座、转台采用高强度铸铁并配以足够的加强筋铸成，保证了轴承环的刚度和良好的支撑刚度及稳定性，有利于达到垂直轴系的精度要求。保证了机械的扭转刚度和较高的机械谐振频率。
2.4 水平轴系结构设计
2.4.1 功能和组成
水平轴系形成跟踪架的俯仰轴线，实现对目标的俯仰角测量、跟踪驱动、角度反馈、角度限位、手动机动切换等功能。在水平轴系统上安装有主光学系统、红外光学系统等光学传感器。在垂直轴、水平轴力矩电机的驱动下，实现对目标的跟踪，由各角度编码器分别输出方位和高低角度测量数据。
水平轴系包括左立柱、右立柱、四通、左轴、右轴、止推轴承、径向轴承、俯仰编码器、俯仰力矩电机、停档机构、手动-电动切换机构等。安装在垂直轴的转台上，跟随转台左方位旋转，四通与左轴、右轴连接在一起，支撑在左立柱和右立柱上。
2.4.2 水平轴系结构设计特点
转台、底座、承载圈的材料皆选用HT-300灰口铸铁，即高强度、低应力铸铁，可铸成薄壁结构、形状复杂的零件。铸件的残余变形和翘曲变形小，表面光洁，消振性能好，抗压强度大。经铸态时效、精加工前时效，硬度为HB≥240，sb=300N/mm2，弹性模数：E0=14000～15000kg/mm2，剪切模数：G=5600kg/mm2；
采用9Cr18结构合金钢，经稳定化处理后，尺寸稳定性好。淬火硬度：HRC59～60。强度高、承载能力强，“三防”性能好；
f900的轴承环及钢球均采用Gcr15SiMn轴承钢，经淬火处理硬度：HRC58～60。强度高、承载能力强、稳定性好、耐磨性好；
所有标准件都进行染黑，硅油封闭，镀铬、镀镍磷等“三防表面处理；
仪器外表面进行机械加工，达到减轻重量、漆层牢固、外形美观。
3.融合跟踪算法
融合跟踪是利用多传感器数据源的信息进行融合处理，以实现对目标轨迹的精确预测，从而保证在数据源遇到干扰的情况下依然能对目标进行稳定跟踪。融合处理过程主要有时间同步和量纲对准、数据关联以及状态估计。
3.1 时间同步和量纲对准
系统接收电视处理器等多传感器数据源后，首先对各传感器数据进行量纲统一，统一基准为编码器码值。此外由于各传感器的工作频率及处理时间不同，观测的数据存在时间差，在融合前进行时间对齐。考虑到编码器的采样频率最高，其它传感器的观测数据同步到该时间基准上来，同步方法采用卡尔曼滤波器的预测方程和误差协方差矩阵。
假定在时刻得到第个电视传感器在时刻的脱靶量，则将时刻的编码器值与脱靶量相加后得到带有观测误差的目标位置值，利用卡尔曼滤波方程求该时刻目标状态的滤波估计后，则目标状态估计的同步方程：
协方差的同步方程：
根据上述两式得到和后，即可根据加权航迹融合算法，忽略各传感器之间的互协方差，得到目标的融合轨迹：
3.2 数据关联与状态估计
数据关联就是判断观测点迹是航迹上的真点迹还是噪声造成的假点迹。如果是真点迹则更新目标的航迹，如果是假点迹则予以剔除。假定电视传感器时刻得到的点迹为真点迹，则根据卡尔曼滤波方程可得到时刻的目标滤波点迹，经过一个电视采样周期后，电视传感器得到时刻的目标点迹。判断该时刻点迹是否为真点迹的具体做法是，利用卡尔曼预测方程得到时刻的目标预测点迹，然后以该预测点迹为中心，设置一关联门，若目标点迹落在关联门内，则认为是真点迹，否则认为是假点迹。以选取矩形关联门为例，此时判定准则为：
式中：——测量的标准差，
——卡尔曼滤波器预测标准差，
——门限系数。
状态估计采用卡尔曼滤波器，假定目标运动状态方程形式：
观测方程：
这时目标状态的最优估计为：
其中，表示在时刻预测时刻状态值，即卡尔曼一步预测方程，增益的求解是递归进行。事先假定目标运动特性以及系统噪声、测量噪声的统计特性。
4.结论
本文设计了一种多种传感器光电跟踪测量系统，实现了多传感器综合设计安装和数据融合跟踪功能。将多个电视脱靶量数据与编码器数据合成出目标的运动轨迹，用于引导设备跟踪，不仅使光电跟踪测量系统具备了各种环境和背景下的跟踪测量能力，而且在某一传感器测量脱靶量数据出现暂时性的错误情形下依然能保持目标的稳定跟踪，提高了系统跟踪的稳定性。
参考文献
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篇3
关键词：光电技术；教学改革；光电装备；教学模式
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）29-0099-03
一、引言
现代科学技术的发展呈现日新月异的特点，新技术总是最先应用在与国家安全密切相关的领域和装备上，院校教学如果过于注重装备本身的使用和维护层面，那么几年之后学生走出校门，必然造成所学技术的滞后，面对工作岗位上的新装备，学生就会感到无所适从，产生畏难情绪，这对提高部队的战斗力以及学生的后续发展都将产生不利影响。系统的部队院校教学和教学改革，既要依托现有装备打牢学生的理论基础，培养学生的基本专业技能，同时又必须重视培养学生思想和思维的前瞻性，才能为学生的后续发展以及装备的创新提供持久动力。
二、光电技术课程教学改革的必要性
近年来发生的多次高技术局部战争反复证明，光电装备在军事上的广泛应用，已经对作战方式和作战效能产生了重大影响，成为现代战场上军事高技术对抗的制高点之一。信息化战争中，光电装备的发展水平，在一定程度上决定着武器系统的先进程度，是衡量武器系统作战能力的重要标志，是赢得高技术局部战争胜利的重要保证。院校作为人才培养的主阵地，应主动适应信息化条件下人才培养的需求和新变化，以培养学员装备保障指挥能力为目标，不断提高培养人才的全面素质和技术水平。
“光电技术”课程是军用光电工程专业人才培养方案中一门重要的专业基础课程，该课程是激光测距、激光制导、微光夜视和红外热像等后续光电装备课程的必备基础。“光电技术”课程涉及面非常广，本课程中所学到的知识将贯穿光电类专业学生本科乃至研究生培养阶段的全过程，课程教学质量的好坏直接影响后续装备课的教学，最终将影响所培养军事技术人才的质量，所以深化光电技术课程的教学改革，对于提高课程建设水平和提高教学质量具有非常重要的意义。
三、“光电技术”课程教学中存在的问题
“光电技术”课程内容覆盖面广，是涉及应用光学、物理光学、微电子技术、模拟和数字电路技术等多门类的交叉学科，需要掌握的知识点和内容繁杂[1]。若教学内容组织不够合理，逻辑主线不够清晰，理论联系实际不够紧密，很容易让学员产生内容复杂、零散、科普化的感觉，势必影响教学效果。在教学实践中我们就发现了这样的问题：许多学员在学完光电技术课进入光电类装备课学习时，或者毕业到了部队接触新的装备时，仍感到有一定困难，在一定程度上缺乏解决实际问题的能力。为什么学员已经学习了专业的基础知识，甚至学习了多种不同型号的装备课程，但在实际工作中却不能很好地发挥作用呢？因此，针对这个问题，研究在信息化条件下，如何在光电技术课程的教学过程中融入光电装备的新理论、新技术，使学员意识到光电技术课程的重要作用，激发学员学习兴趣，不断提高教学质量，是一项重要而有意义的课题。
传统的光电技术课程教学，虽然理论性和系统性比较完善，包括了辐射度学和光度学基础、光电转换的基本理论、光电器件的基本工作原理、光电探测的基本方法和光电系统构成和设计等多方面的内容，但是作为教材，其课程内容体系的形成需要有个过程，很难做到与光电装备的更新换代同步更新，教材中所采用的案例素材比较经典。作为一门技术基础类课程，从技术层面和应用层面看，案例素材的时代感和创新性稍显不足，主要是没有充分体现出现代新型光电装备发展中的新技术和新方法，或者说在教材内容中能够体现现代光电装备中新思想的案例素材比较少，时代感不强。总之，传统光电技术课程在教材的选题上缺乏针对性和时效性，与新型光电装备的结合点不够突出，从而在一定程度上导致学生缺乏兴趣和学习动力，进而影响学生分析和解决实际问题能力的锻炼培养。
四、新型光电装备及其发展趋势
立足军用光电工程专业的特点，以培养适应信息化军队建设、打赢信息化战争需要的从事军用光电装备技术保障的高素质新型装备人才为目标，依据“紧扣教学重点、瞄准发展前沿、突出军事特色”的原则，紧贴光电装备的发展，结合当前军用光电装备所涉及的新型光电器件、光电探测方法以及光电信息处理方法，旨在将光电技术课程与光电装备发展的核心理论、关键技术进行多角度的融合，深化光电技术课程改革，使光电技术课程与光电装备教学相辅相成，提高学员对光电装备的理解深度和应用光电技术的基础知识解决武器装备问题的工程实践能力，全面提升学员的专业综合素质。
信息化时代，军用光电技术与光电装备呈现出多波段、多模式、一体化、网络化、高精度的发展趋势。工作波段涵盖紫外、可见光、近红外、中长波红外、毫米波与厘米波等多波段频谱范围；探测模式从能量探测向能量与光谱探测结合的多模式方向发展；实现警戒―跟踪、侦察―跟踪、跟踪―制导、跟踪―通信、跟踪―火控等多功能一体化；实现单机单控设备向台多传感器、台多系统、多平台多传感器以及多平台多系统的网络化发展；系统定位、定向、测距的精度大幅度提高[2]。这些采用先进光电技术的装备和武器系统在战争中发挥了重要作用。当前世界各国尤其是军事大国，都非常重视光电技术的开发研究。例如，美国投入数亿美元研制生产第三代凝视型焦平面阵列红外探测器。洛克希德・马丁公司同休斯公司合作研制舰载红外点源探测（IRST）系统，以对付来袭的巡导导弹，项目耗资1500万美元，两年完成。航天与导弹系统中心还同洛克希德・马丁公司导弹与航天部门签订了159亿美元合同，进行空间的红外系统（SBIRS）高级组件的设计与制造研究[3]。
我军在先进光电装备的研发方面也投入了大量精力。例如APD光电探测器和锁相放大技术用于激光告警和光电探测；小型化的半导体激光器及其高频调制特性用于研制新型激光驾束制导仪；新型拉曼频移激光测距机中利用非线性光学理论对1.064μm激光频移，产生人眼安全的1.54um激光；激光末端制导武器系统激光照射指示器采用电光调制和预燃电弧源产生高重频脉冲序列，指示和导引炮弹命中目标；光电联合相关处理技术用于目标的快速识别、跟踪探测和火力指挥与控制等等。同时，随着光电技术的发展，光电装备的性能得以迅速提升。随着光电阴极激活工艺和制备工艺的改进，促使微光夜视装备朝着灵敏度更高、响应波段更大的方向发展。四代微光器件不仅可以直接利用微光夜视的光电转换、电子聚焦、倍增、显示等，而且具有直接平面列阵凝视、体积小、重量轻、成本低等优点。随着新型红外探测器的发展，红外热成像仪将从单波段探测向多波段探测发展，并且逐步实现小型化，特别是在单兵光电系统中[4]，小型化轻量级光电装备的发展非常迅速。就激光装备而言，发展人眼安全、大气传输性能好的激光装备是未来的发展方向。
五、光电技术课程教学改革实践的具体做法
将现代光电装备研究中的新思想融入到光电技术课程教学中，要取得良好的教学改革效果，必须从教学内容和教学方法两个方面着眼进行改革，教学内容是核心，教学方法是关键。
（一）教学内容的选择上，注重与新型军用光电装备的结合
军用光电装备的种类非常多，应用面非常广[5，6]，从光波段上分为白光装备、激光装备、微光装备、红外装备等类型。从使用功能上，光电装备包括观察、瞄准、测量、探测、跟踪、打击等不同使用功能。具体形式上可分为激光测距、激光制导、激光告警、激光防护、激光武器；微光观察、微光瞄准；红外热像、电视跟踪、光电对抗、光电火控等等。就现代新型光电装备的发展，分门别类地去归纳和提炼出其中所蕴含的光电技术的新思想、新技术和新方法，这是引入和充实光电技术课程教学的生动案例，是开展课程教学改革最鲜活的素材。
在课程教学改革研究工作中，课程组成员发挥集体智慧，从教学素材的梳理和选择入手，重组教学内容，从新型光电装备中提炼出带有普遍性的模型化内容，寻求和挖掘光电技术的基础理论与新型光电装备技术发展的关键与结合点，如表一所示。我们将经典教材只是作为纲目，在现有教材体系结构的基础上，用大量新型光电装备的鲜活素材丰富和重构课程教学内容，将特殊性与普遍性有机结合起来，体现和彰显本专业的特色，引导学生从最核心的理论和最深层的技术中去理解新装备，提高学生分析和认识问题的深度。
在课堂教学改革中，为了将最核心的、最基本的理论与光电装备的最新发展融合起来，必须改变课程教学模式，我们采用前展后延的教学方法，将分析和归纳有机结合起来，提高学生认识问题的广度。通过典型案例，从新型光电装备的创新发展的角度引入问题，按照问题的提出、可行性必要性的分析、技术的实现、基础理论的源泉等思路导入课堂，展开问题分析后，再进一步启发，作扩展引导，将新技术延伸到其他相关领域，从而达到以点带面，触类旁通的目标。
（二）教学方法上，注重与内容相匹配采用不同的方法和组织形式
教学方法是为教学内容服务的，目的是让学生更深刻地理解基本原理、基本观念和基本方法，激发学生的学习兴趣。光电技术课程的特点是原理性叙述比较多，学生学起来比较困难，不容易掌握。针对这种情况，课题组通过调研各类型光电装备所采用的理论和技术及其最新发展，将其融入光电技术课程的教学中，开展与之相关的案例式教学、研讨式教学等方法的研究。例如，光电探测器知识模块中，结合多个光谱区光信息的响应，讲授工程上在红外区和紫外区获得待测信息的应用实例；信号变换与处理模块中，通过强背景光提取飞行目标信息的实例，生动地介绍调制盘、背景噪声抑制等重要的信息处理手段和方法。
在光电探测器部分的授课中，可以采用以现有的光电装备为例，进行启发式和研讨式教学。从两种典型的红外热像仪入手，首先从外观上进行讨论，一款较小而另外一款较大且有气瓶，究其原因是热像仪工作时是否需要制冷，那么问题就出来了，同样是热像仪，为什么有的需要制冷，而有的则不需要呢？――二者所用的探测器不同――光子探测器和热探测器――光子探测器为什么需要制冷？为什么还要使用光子型探测器？――引出光子型探测器的工作原理及特点；热探测器为什么不需要制冷？――引出热探测器的工作原理及特点。按照问题本身的逻辑链展开教学，学生普遍反映很具有启发性，也容易理解。
通过调研各类型光电装备所采用的理论和技术及其最新发展，将其融入光电技术课程的教学中，开展与之相关的案例式教学、研讨式教学等方法的研究。由于光电装备的种类和型号非常多，在教学设计和实施环节上，哪些章节需要采用案例式教学，具体的案列是什么？哪些章节需要采用研讨式教学，研讨的主题方向是什么？为什么这样做，以及这样设计的好处等，这些问题都要经过精心设计，然后在课堂上大胆实践。最终目标是达到知识的融会贯通、夯实理论基础，达到以点带面、触类旁通的效果。同时让学生实现从“学会”到“会学”的转变，从而使学生的思维能力和素质得以全面提升。
六、结论
光电技术课程的教学改革必须依据培养目标，紧贴光电装备发展，提炼出其中的新思想和新方法，融入专业基础课程教学中。从充实教学内容入手，提高教学的时效性和针对性，结合教学模式改革，从方法上引导学生分析认识问题的深度和高度，达到既夯实学生专业基础、掌握学习和研究方法，又可以掌握装备创新研究的思路，提高学生创新的思维品质和创新的持久动力。
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篇4
关键词：光纤陀螺 视轴稳定 DSP 28335
中图分类号：TJ83 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00
1引言
光电稳定平台用于车载、舰载及空载等光电成像设备对运动目标进行精密跟踪和测量，主要作用实现对载体相对惯性空间的干扰有效隔离，在此基础上对目标的位置进行精确的跟踪测量。光电稳定平台的核心是陀螺稳定装置，主要功能是隔离载体角运动对视轴的扰动，使安装在载体上光学传感器的视轴在惯性空间内保持稳定，使光电成像设备能够获得清晰的成像、实现稳定跟踪进而实现高精度的测量。
高精度的光电稳定平台主要由双轴视轴稳定平台和视轴稳定控制系统组成。
2双轴陀螺稳定平台结构配置
双轴陀螺稳定平台的结构配置示意图如图1所示，由方位框架和俯仰框架组成，CCD相机固定在俯仰框上，视轴的方向为Y轴。俯仰框通过支撑轴X固定在方位框上，在支撑轴的一端装有测速元件光电编码器，在另一端装有力矩电机。两个单自由的速率陀螺和装在俯仰框上，主要测量陀螺稳定平台相对于惯性空间的角速率。
3 视轴稳定控制硬件设计
视轴稳定控制系统主要由伺服控制主板、电视图像跟踪器、电机驱动模块等几部分组成，系统原理框图如图2所示。
图2 视轴稳定控制系统原理图
本视轴控制系统的核心控制电路采用美国TI公司的DSP 28335芯片，该芯片属于浮点型的数字处理芯片，能够完成高实时性要求的运算，具有大容量的SRAM内存和FLASH程序存储器，FPGA芯片选用Cyclone公司的EP1C12Q240C8，它的功能主要用来完成整个视轴稳定控制系统的逻辑控制，完成A/D等芯片的选通、PWM调宽波的产生等功能，此芯片的应用使硬件的处理电路设计具有很高的灵活性。
4 视轴稳定控制系统控制原理
视轴稳定控制系统的控制原理框图如图3所示，由陀螺速度内环和位置环组成。陀螺速度内环由 框架负载、功率放大器、速率陀螺及速度调节器组成，位置环即跟踪环，由电视跟踪器、位置调节器、速度环以及编码器组成。陀螺速度内环的反馈元件为速度陀螺，用来测量框架的角速度，框架的角速度包含了设备跟踪目标时需要的角速度和载体运动的角速度两个方面，当陀螺检测到相应的角速度时，就会产生电压信号，电压信号与输入的目标位置的信号相比较，得到了位置环的输入信号，经过位置环的调节器运算，产生了控制电机运转的调宽波信号，从而使电机输出了力矩来抵抗由于载体运动产生的干扰力矩，从而实现视轴稳定。
5 视轴稳定控制系统的数学模型
根据视轴稳定控制系统的原理图，将各环节的传递函数带入到各个环节中，便可以得到到伺服系统的数学模型图4所示。
图4 视轴稳定控制系统的数学模型
在上图中，G1（s）为速度回路调节器，G2（s）为位置回路调节器，Kf为陀螺低通滤波器的比例系数，Tf为陀螺低通滤波器的时间常数。ωb为载体运动对视轴产生的影响，影响系统视轴稳定的干扰力矩的拉氏变换式为Md（s）。
6 结语
本文基于双轴光纤陀螺稳定平台，设计一套视轴稳定控制系统，控制系统硬件采用DSP 28335 +FPGA 的核心控制电路，使控制系统具有高实时性和高精度的运算能力，同时，本文通过对视轴稳定控制系统的原理分析，建立了控制系统的数学模型。
参考文献
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篇5
纪明（以下简称纪）：直升机光电系统的发展可追溯到上世纪70年代，即第一代专用武装直升机进入成熟应用阶段时。随着武装直升机作为空中杀手得到空前发展，为各种直升机武器系统配套的光电系统也应运而生。光电系统目前主要有瞄准线稳定系统（稳瞄系统）、侦察系统、夜间飞行导航系统、光电对抗系统等，其中稳瞄系统最为复杂，性能和精度最高。
记者：那么稳瞄系统主要由哪些设备组成，经历了一个怎样的发展历程？
纪：现代武装直升机的稳瞄系统通常装备有热像仪、电视摄像机、激光指示，测距机、激光光斑跟踪器等光电传感器。根据需要，某些武装直升机可能只需装备一些基本传感器，如热像仪、电视摄像机、激光测距机等。随着光电传感器的技术发展，攻击型直升机的稳瞄系统，除装备上述传感器外，还可选装激光标识器（pointer）、激光照明器、短波红外/多光谱相机等。直升机稳瞄系统按性能和时间，大致分为三代。
第一代主要在上世纪70年代末至80年代初装备使用，如美军的AH-1“眼镜蛇”直升机的M65，法国“小羚羊”直升机的M397等。这一阶段主要是白天型，全部采用直视光学通道观察瞄准。
第二代在上世纪90年代初装备使用。这一时期武装直升机获得了飞速发展，一大批著名型号，如美国的AH-64“阿帕奇”、OH-58D“基奥瓦”，意大利的A-129“猫鼬”，南非的AH-2A“茶隼”，苏联的米-28“浩劫”和卡-50“黑鲨”等相继面世。与此同时，红外技术也获得飞速发展，因此这些直升机的稳瞄系统均加装了红外热像仪，形成昼夜两用型。
第三代稳瞄系统主要从上世纪90年代后期开始使用。随着红外、激光技术与信息处理技术的飞速发展，先进国家纷纷在第二代稳瞄技术的基础上进行更新换代，主要特点是采用三代大面阵热像仪、连续变倍光学系统、半导体泵浦双模激光指示/测距仪、多目标跟踪、信息融合等先进技术。如AH-64D“长弓阿帕奇”武装直升机的“箭头”，AH-IZ“蝰蛇”的TSS等。
RAH-66“柯曼奇”是美国研制的最新型武装侦察直升机，虽然已下马，但其装备的EOSS稳瞄系统装有当前最高水平的各种光电传感器，而且它的总线技术，信息处理与融合、隐身、一体化稳定平台等技术，都代表着当前最高技术水平。
记者：从这几型武装直升机看，光电转塔有几种安装位置，比如在机头下方或上方，驾驶舱顶部，旋翼上方。这几个位置各有什么优缺点？
纪：这几种布置分别叫鼻锥式、顶棚式、桅杆式，还有侧挂式等几种。它们之间的优缺点并不算很明显，主要还是与主机设计有关。
桅杆式稳瞄具安装位置最高，从理论上说可让直升机隐蔽在障碍物后探测，生存力较高。但直升机的桅杆不适应大载重，有的在顶部装了毫米波雷达，因此装不了桅杆瞄具。顶棚式目前相对少见，主要是因为顶棚强度较差，对飞行员安全是个威胁。大多稳瞄系统还是安装在鼻锥处，当然这也和直升机鼻锥处有什么其它设备有关。
记者：光电稳瞄设备，在坦克、步兵反坦克导弹系统、固定翼战斗机等其它方面也需要。那么和这些平台相比，直升机平台对光电稳瞄系统有什么特殊影响？比如武装直升机和坦克上的振动，会有所区别吧？
纪：直升机的旋翼振动很厉害，旋翼的叶片数和转速确定了直升机的主振频率。坦克稳瞄难以抑制的是低频摇摆，直升机稳瞄难以抑制的是振动。由于直升机稳瞄系统作用距离更远，需要精确制导，因此它的稳定精度通常要比地面车辆上用的高。后者稳定精度一般为100微弧度，武装直升机上的稳瞄系统则要达到20-50微弧度，最新一代直升机稳瞄系统甚至要求达到5-10微弧度（1微弧度的稳定精度对应10千米距离晃动1厘米）。
记者：那为了实现这种稳定精度，武装直升机光电稳瞄系统的稳定设备。经历了怎样的发展阶段，用什么样的技术实现稳定？
纪：我们已经说过，武直光电稳瞄系统的发展基本分三代。第一代还没有热像仪，光路单一、作用距离有限。它们采用反射镜稳定方式，或陀螺直接稳定，或两轴两框架陀螺稳定平台，已能满足要求，精度在50-100微弧度。
第二代装备了扫描型热像仪，昼夜使用；第三代大多采用大面阵凝视型热像仪，而且加上了各种图像处理和其它先进技术。目前装备应用的光电产品大多属第三代。
后两代武直光电稳瞄系统，大多采用两轴四框架稳定平台，其目的是有效隔离扰动，提高稳定精度，其精度范围可达20-40微弧度。未来更高精度（5-10微弧度）的稳定方法，我个人认为还得依靠粗精组合稳定来实现。
记者：什么是两轴四框架稳定平台？
纪：陀螺稳定平台通常可稳定三个轴，但直升机等用于瞄准的稳瞄系统通常只需稳定方位和俯仰两个轴，横滚方向不需要稳，即所谓“两轴”。四框架是指方位和俯仰各有内、外框架共四个框架。多个框架的目的主要是隔离风阻和减小平台轴上的干扰力矩。
记者：您刚才提到的粗精组合稳定技术，发展现状怎样？技术难点主要在哪里？
纪：粗精组合稳定技术问题，我在上世纪90年代初就提出并发表过多篇论文。不过当时对直升机稳瞄的高精度需求还不迫切，加上当时快速驱动的反射镜技术（FSM）还不成熟，挠性结构支承技术还存在负载能力和伺服带宽上不去等问题，因此国内一直未引起关注。
近年来随着微驱动技术的快速发展，国外在机载稳瞄和IRST（红外搜索跟踪系统）、激光通信、战术激光武器等方面，已开始大量采用粗精组合稳定技术。FSM的特点是高带宽、微位移、体积小、重量轻（约200克），将其与陀螺稳定平台进行组合，可以补偿瞄准线的残余误差，提高瞄准线稳定精度。根据目前的技术成果，可以在振动环境下将瞄准线稳定在5微弧度。
记者：除了刚才提到的稳定精度，直升机光电稳瞄系统和地面车辆、单兵使用的相比。还有哪些区别？
纪：武装直升机上的光电稳瞄系统，功能更复杂，传感器种类更多，重量要求更轻。其次是，它的光电传感器的作用距离要更远，比如激光照射距离通常要达到6-8干米，而单兵使用。的光电系统，只需2-3千米。
另外，装甲车辆上的光电稳瞄系统以潜望式为主，直升机的则以球形吊舱或转塔为主，结构更复杂。
记者：与固定翼战斗机相比，它们又有什么区别？比如直升机飞行高度低，固定翼飞机的光电系统有时还考虑对空探测，这会对光电稳瞄系统的性能要求产生哪些区别？
纪：固定翼飞机对空搜索和预警的IRST，主要用于空中预警，传感器主要是红外和激光测距。而且红外主要是采用点源成像，以发现目标为主，因此作用距离通常可达几十千米。
固定翼飞机的光电吊舱，则多以对地侦察和攻击为主，和直升机稳瞄系统功能类似，所装传感器也非常近似。不同的是固定翼飞机上要考虑高速飞行摩擦，因此光电吊舱通常要采取环控，以保证内部温度恒定。至于性能上，虽然飞行高度差别很大，但5000米以上能见度非常好，对地目标识别主要还是取决于5000米以下的能见度，因此两者的性能基本相当。
固定翼飞机的吊舱通常为“长筒”形，易于外挂。目前的发展趋势是类似F-35的EOTS，采用“半埋”式。
记者：武装直升机上的光电转塔，是否也能移植到自行反坦克车、攻击机等其它武器平台上？
纪：从原理上讲，直升机稳瞄系统与很多其它武器平台的稳瞄系统相似，包括固定翼飞机的光电吊舱，因此能相互移植。比如著名的“阿达茨”导弹系统，其稳瞄系统就是以AH-64“阿帕奇”的TADS/PNVS的一个增强性能版本为基础。以色列也把战斗机挂载的AA0-28吊舱的头部移植到直升机上，FLIR公司则把他们的AN/AAQ-22稳瞄系统（已被用于ARH-70侦察直升机和MO-SB无人直升机）用到了侦察车上。当然，各种武器平台的使用环境和安装位置，以及对体积和重量要求均有所不同，移植时需要做相应改进。
记者：F-35战斗机的光电系统，特别是分布式孔径系统，是一亮点。既然机载光电系统与直升机的光电系统有很多共同之处，那这种分布式孔径技术能否应用到武装直升机上？
纪：分布式孔径光电系统可广泛应用机、坦克、舰船等，应该是未来光电系统的发展方向。它可以结合光电传感器和图像处理技术，实现诸如探测、跟踪、瞄准和飞行导航等功能。但目前受限于很多因素，其应用还有一定局限性，比如远距离和宽视场的矛盾，传感器分辨率、图像处理的速度等，限制了它的很多功能和性能。在固定翼飞机上，它目前还主要用于空中预警、飞行导航和防撞，能形成360°视觉包络，也即所谓透明座舱。
我认为在武装直升机上应用，目前和固定翼飞机还有较大区别，主要取决于直升机对空中预警的需求有多大。作为直升机驾驶员夜间飞行和着陆系统应用，就目前技术来看，还是可行的。至于能否替代直升机稳瞄系统，受限于上述因素，短期内还不可能。
记者：您已经介绍过，武装直升机的光电系统中需要多种传感器。我们平常看它的光电转塔，也经常会看到两三个窗口，尺寸、颜色各不同。这种尺寸、颜色区别，应该与红外、激光等不同设备的工作波段有关吧？
纪：对，窗口色彩就是因为采用不同波段的材质和膜层造成的。目前热像仪采用最多的是3-5微米的中波和8-12微米的长波，其中长波热像仪的光窗，通常采用硫化锌或锗玻璃，中波热像仪通常采用氟化镁、蓝宝石和尖晶石等。它们能让红外线通过，却不易让可见光通过，因此这些窗口在我们肉眼看来经常是不透明的。激光或电视光窗通常采用石英玻璃，透明，但它们经常要根据需要镀制各种膜层，如增透膜、硬碳膜等。红外传感器的窗口也常镀膜。因此，不同材料和膜层结合起来，就让这些光窗有不同的颜色，比如棕红、黄色、白色、蓝色等。热像仪的光窗看起来就像一面镜子，而且一般是最大的，因为光学孔径越大，接收的能量越多，作用距离也越远。
记者：不同光电传感器的工作波长不同，那在热像仪上是不是无法看到可见光波段的激光光斑，这对激光指示器、瞄准等是否会有影响？
纪：激光测距机、指示器大多工作在在1.06或1.54/1.57微米，和红外传感器的3-5微米、8-12微米波段不兼容。因此我们在直升机的显示器上看电视或红外图像时，一般看不见激光光斑。不过这不会影响制导精度，因为电视、红外和激光光轴是严格校准的，十字线压住的目标，激光光斑也必然会照在瞄准点上。当然，制导误差取决于准直、瞄准、跟踪等各种误差的综合。
记者：这些不同传感器的窗口能合并或减少吗？
纪：这些窗口可以合并，即所谓“共窗口”或“共光路”。比如MO-9无人机最新的MTS-B稳瞄系统，固定翼飞机的“狙击手”吊舱，采用了共窗口。这是一种发展趋势，但目前有一定难度，主要是因为需要宽光谱材料。另外还涉及分光、共光路等复杂的光学设计和膜系设计等一系列问题。
记者：除了共窗口，图像融合也是现代光电系统的一个发展趋势。这种技术已经在哪些武装直升机上应用了？
纪：在“阿帕奇”的M-TADS/PNVS“箭头”稳瞄系统，以及目前多款新一代稳瞄系统（如FLIR公司的系列产品）中，图像融合技术已经获得应用。
记者：这项技术是为了综合利用中波、长波红外，微光、电视，甚至雷达等各种传感器采集的信息，互相弥补它们的缺点。您能否说说这些传感器各有哪些优缺点？
纪：各种传感器的优缺点要详细述说，过于专业了，只能简单说明一下。
成像雷达如SAR（合成孔径雷达）还主要用于无人机、卫星等载体，并且采用的是推扫成像，目前还难以与光电成像进行图像融合，尤其是适时融合。
微光电视和热像仪的原理不同，是借助星光或月光的，直观的看，图像细节要比热像仪丰富。但受气候限制。目前其探测距离等还比不上热像仪。
热像仪能看到微光电视难以分辨的细节，如烟雾遮挡以及丛林中发热的物体和人员等。这其中，长波和中波红外相比。敏感的大气窗口不同。通常在高热高湿地区，中波红外比长波红外有更好的探测能力。但长波红外有更好的透烟雾能力。中波、长波红外孰优孰劣，目前还是一个争论的课题，需要在不同的环境条件下通过大量的实验对比。
图像融合，就是上述成像特征的互补。
记者：看您的论文介绍说，图像融合主要是像素级的。这种融合是把缸外、电视等图像叠加在一起，还是在一个屏幕上分别切换？
纪：目前能够进入工程应用的主要还是像素级的图像融合，是将两幅性质不同的视频图像通过图像处理，合成一幅图像，集中反映两幅图像的特征，如红外和电视、红外和微光等。当然，这些图像是可以相互切换的，需要融合时可以通过开关切换。两幅图像的重叠在技术上称为图像配准。图像融合涉及软硬件技术，目前的主要技术难点在于图像的快速配准和图像融合算法，以及图像处理的实时性。
记者：您前面曾提到，直升机光电系统中，除了最复杂的稳瞄系统，还有光电对抗系统，这也对保障直升机生存能力至关重要。现在直升机已开始采用定向红外干扰系统，它与以前的干扰设备，比如早期“阿帕奇”用的ALQ-144相比，在原理、结构、技术上有什么区别？
纪：ALQ-144是一种对抗老式导弹的红外干扰系统，通过调制红外源来诱骗干扰导弹导引头。目前该系统已为大多数用户所废弃。定向红外干扰系统目前已趋于向集成式发展，和过去的光电对抗相比，将告警系统、红外捕获与跟踪系统、激光干扰系统、高速数据处理系统等综合集成在一个吊舱内，可挂载在直升机或飞机的两侧形成全方位包络。
记者：最后对于我国光电稳瞄系统的发展，您有哪些建议，比如武装直升机的光电系统如何尽量通用化？
纪：光电稳瞄系统目前除军事应用外，在民用领域和准军事领域的应用也日趋广泛，如森林防护、电力巡视、环境监测、空中摄影、治安巡逻、搜救等。但由于它的技术复杂性和高成本，目前在国内应用还受到一定限制。
我个人认为，光电稳瞄技术推广应用的关键，目前是急需开发出低成本、模块化、开放式结构的产品，包括光电传感器，以适应国内外民用和准军事应用的需求。其次是光电传感器尤其是热像仪，提高性能、降低成本是一个推广应用的重要因素。在这点上，只有从上至下形成共识，才可能引起重视并加大投入。
篇6
【关键词】光电跟踪系统；红外电视；DSP；自动调焦
1.引言
随着红外成像技术的快速发展，红外测量电视成为光电跟踪系统的重要组成部分。红外相机的自动和连续调焦，是保证红外电视成像质量，实现光电跟踪系统高精度稳定跟踪的关键技术。一般来说，影响红外电视成像的因素有很多，而目标的距离和环境温度等参数对成像质量影响较大，如何根据目标距离和环境温度等影响目标成像质量的信息，实时调整相机的位置，从而获得清晰的目标图像，需要进行广泛深入的研究，对实现红外跟踪测量系统稳定高精度跟踪测量功能具有重要意义。
2.调焦控制器的硬件设计
2.1 总体结构及原理
光电跟踪测量系统调焦控制系统要实现的功能主要包括：接收综合控制器的控制命令，实现红外电视的变倍与调焦功能，兼具自检功能和故障诊断能力，故障诊断到线路板。
系统采用基于DSP+FPGA的调光调焦控制器。该控制器的硬件原理框图如图1所示。
其中DSP(TMS320F2812)作为调光调焦控制器核心。TMS320F2812是TI公司针对数字控制领域而推出的，它是目前控制领域最高性能的处理器，具有控制精度高、速度快、使用灵活以及集成度高等优点，已广泛应用于工业自动化、光学网络以及自动化控制等领域。
系统选用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作为整个调光调焦控制器的时序和逻辑控制核心，EP1C12Q240C8提供12060个逻辑单元(LE)和173个I/O口，可以内嵌4K的RAM。
应用TMS320F2812全部外设接口的一部分，如GPIO接口和EVA/EVB接口。
采用可编程逻辑器件（FPGA），可以非常简单的设计DSP的硬件电路。将DSP的数据总线、地址总线、读写控制线以及中断信号线全部引入到FPGA中，根据特定的要求，在FPGA内完成时序和逻辑设计。其中为TL16C554，AD7864提供地址选通信号，为光栅尺计算提供四倍频鉴相和计数逻辑。
由于电机的信号线、限位开关线数量很多，需要本系统的I/O口的数量较多，可以在FPGA内完成扩展I/O口的功能。
2.2 FPGA的设计
FPGA内部采用模块化的设计思想，对FPGA设计进行模块分解。主要包括，实现FPGA扩展I/O口的功能，为TL16C554和AD7864提供片选和读写信号，提供四倍频鉴相和计数逻辑计算光栅尺位置量。FPGA内的功能模块如图2所示。
TL16C554地址译码模块：在FPGA内部，针对DSP的读写以及地址信号进行译码，为TL16C554提供读写信号以及片选等信号。
AD7864地址译码模块：对DSP的地址信号进行译码，为AD7864提供读写、片选以及通道选择等信号。
光栅尺逻辑计算模块：光栅尺输出两路正交的方波信号A、B和零位信号Z输入到FPGA中，在FPGA中实现对A、B信号的倍频及鉴相功能，然后通过16位计数器和锁存器与DSP相连，通过读取计数器的数值可得到光栅尺的位置数值，系统框图如图3所示。
3.实验验证与精度分析
3.1 实验验证
调焦系统由安装在望远物镜筒上的光学机械部分和电控部分组成。光学机械部分包括调焦组件、变倍组件等。电控系统以DSP2833为核心处理器，利用FPGA实现时序和逻辑控制，配以电路、执行电机及位置反馈部件。电控系统位置反馈采用精密线绕电位器和光栅尺，执行电机采用步进电机、超声电机和永磁直流电机。变倍系统两端靠电限位和机械限位来保证定位。
根据以上设计方案进行实践，调焦电控系统采用两块电路板进行工作，分别为控制电路板和功率驱动板。图4为控制电路板，图5为功率驱动板。通过试验，较好的完成了红外电视自动调焦及变倍功能。
3.2 精度分析
3.2.1 红外电视调焦控制
红外电视调焦范围为200m～∞，调焦执行电机选用海顿直线电机型号为21000系列Size 8直线步进电机，步长为0.0015mm，其工作电压为5V，每相电流为0.24A，在每秒钟1000步的速度下可产生60N的推力。满足使用要求。位置反馈采用增量式光栅尺。
调焦电控系统误差来源是直线步进电机的步长与光栅尺的精度。直线步进电机步长0.0015mm。由以上条件计算得出如下结论：
a）直线步进电机步长为0.0015mm，调焦机构的分辨力为直线步进电机的步长为0.0015mm；
b）采用光栅尺作为位置测量传感器，其测量精度高，其测量精度可达5μm，满足±0.01mm的分辨力精度要求；
c）每秒钟1000步的速度是电机的常用速度，也就是每秒钟行程为1.5mm，因此该速度满足调焦时间的要求。
3.2.2 红外电视变倍控制
红外两档变倍电机选用江苏春生公司的超声电机，型号为TRUM-60。红外变倍系统为100mm/300mm两档变倍，采用半自动控制方式，由电控系统控制超声电机切换变倍镜组，从而切换红外电视的焦距。
超声电机的断电自锁特性保证了旋转变倍机构的稳定性。超声电机断电自锁力矩大于其驱动力矩30%左右。超声电机的旋转轴与变倍镜组的外壳直接连接，这种结构简单可靠，并且占用空间小。
由于超声电机的转速可以达到4～150r/min，对于这种只需要转动90?的变倍机构，如果要求切换时间小于2s，则只要转速n满足：
就可以满足使用要求。因此采用的超声电机完全满足技术(下转第135页)(上接第128页)要求。
4.结论
光电跟踪测量系统红外电视的调焦控制是该系统能够稳定高精度跟踪目标的关键技术，采用DSP为核心处理器、FPGA为时序和逻辑控制器设计的红外电视调焦控制器，通过实践检验和精度分析，满足了光电跟踪系统根据目标距离、环境温度等参数实时进行焦距调整的技术指标要求。
参考文献
[1]王岚,于惠珠.260电影经纬仪摄影自动调焦系统[J].光学精密工程,1995,3(5):93-97.
[2]于惠珠,陈涛.测量电视变焦距的控制系统[J].光学精密工程,1999,7(3):71-73.
[3]梁翠平,李清安,乔彦峰等.简述光学系统自动调焦的方法[J].电光与控制,2006,13(6):93-96.
作者简介：
张文江（1975—），男，辽宁北镇人，大学本科，92853部队工程师。
篇7
关键词：光伏；跟踪系统；智能控制
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 12-0000-01
进入21世纪，资源短缺已经成为比较严重的世界性问题，各个国家纷纷提出节能环保的发展战略，并在此基础上开始大力提升可再生能源的开发利用。其中，太阳能就是可再生能源中最具代表性的一种，在很早之前就已经开始被开发利用，而经过这些年的发展，太阳能光伏发电取得成果最为显著，并成为最主要的可再生清洁能源并广泛应用在各行业当中。但是，由于光伏发电成本比较高，在一定程度上限制了其进一步发展和提升，因此，科学研究人员开始致力于跟踪技术的研究，并尝试开发智能控制系统。
一、常用光伏智能跟踪系统
（一）光电智能跟踪系统
光电智能跟踪系统比较常用的一种光伏跟踪系统，主要通过利用光敏器件对阳光照射强度的感应来实现对太阳的跟踪。光电智能跟踪系统的优势在于系统灵敏度高，结构简单，成本也比较低，因此，在之前的一段时间里，该系统非常的流行。但是，该系统也有一个致命的缺陷，那就是比较容易受到天气变化的影响，尤其是阴天和雨天，由于没有阳光，光敏器件不能通过阳光对太阳的位置进行扑捉，就会影响到系统的正常运行，无法实现太阳跟踪。
（二）单轴智能跟踪系统
单轴智能跟踪系统按照跟踪方向的不同可以分为东西跟踪和南北跟踪两种方式，其中，南北跟踪方式的焦线是东西水平布置，而东西跟踪的焦线，可以是南北水平布置，也可以是倾斜布置。两种跟踪方式的原理一样，都是通过实现单轴旋转来控制跟踪系统对太阳位置进行定位跟踪。这种跟踪系统的优点在于系统结构简单，成本低廉，并且整个管理过程中不需要管理人员的参与，也不会受到天气变化的影响。缺点则在于利用该跟踪系统对太阳位置进行定位跟踪，在一整天当中，只有中午时刻太阳光才是直接照射在系统的接受面上，才能够获得最大的太阳能，而其他时间，阳光都无法直接照射在系统的接受面上，会在很大程度上受到弦效应的影响，不能全面接受太阳光所带来的辐射能量，所吸收的太阳能会有所折扣。
（三）极轴式全跟踪系统
极轴式跟踪系统能够实现对太阳进行全方位跟踪，是一种比较高效的跟踪设备。在该系统的设置过程中，跟踪器的极轴要平行于地球的自转轴，除此之外，还要设置一根与极轴相垂直的赤纬轴。极轴式全跟踪系统的优点在于，该系统能够实现对太阳进行全范围跟踪，最大限度的吸收太阳能，并且，系统设计比较简单，系统调整也比较容易。缺点则在于，该系统在对跟踪器结构进行设计时存在一定困难，既要保证极轴与地球自转轴相平行，赤纬轴与赤道保持一直，还要保证接受面的重量不能作用在极轴上，避免对极轴转动造成影响。
二、光伏跟踪智能控制技术
利用智能控制技术对光伏跟踪器进行控制的主要目的就是为了能够让接受面对太阳位置进行跟踪，最大限度的吸收太阳光辐射所带来的太阳能。智能控制技术的主要功能就是对跟踪器进行智能控制，保证跟踪器的接受面从早上太阳刚刚升起的那一刻开始就对太阳的位置进行跟踪，吸收太阳能。然后，在接下来一整天的时间里，智能控制技术还要控制着跟踪器损失对太阳变化进行检测，对太阳位置进行跟踪，等到太阳落山之后，再将跟踪器归位，等待新一轮跟踪过程的开始。
当前，按照部件结构的不同，可以将智能控制技术分为两种，一种是开环伺服系统，一种是闭环伺服系统[3]。
开环伺服系统大多采用步进电机进行驱动，没有位置反馈装置和校正控制装置，在跟踪过程中，对接受面跟踪精度也主要依靠布距角和传动结构来进行控制。因此，由于步进电机对开环的控制容易受到负载的影响，经常发生丢步和过冲问题，导致系统跟踪性能大大降低。比如，上文所介绍的光电智能跟踪就属于该种系统，在其运行过程中，需要将光敏器件按照规定要求角度安装在遮光板下方，这样，在跟踪系统运行过程中，光敏器件可以通过对阳光照射强度的感应来控制跟踪器对太阳进行跟踪。正常情况下，阳光会直接照射到遮光板上，这样光敏器件就会正好位于遮光板所形成的阴影中。而如果太阳位置发生偏移，阳光无法直接照射在遮光板上，光敏器件无法被遮光板所形成的阴影笼罩，就会暴露在阳光下，就会感受到阳光的照射并将阳光的照射强度转变成微电流信号输送到系统中，然后系统会根据信号的强弱对太阳的位置进行判断，调整跟踪器角度完成跟踪。系统中既没有传感装置，也没有位置控制装置，跟踪精度比较容易受到外界因素影响。
相比开环伺服系统，闭环系统的跟踪精度要高很多。闭环系统中除了设有控制器之外，还设有传感检测装置，可以对跟踪位置进行反馈和检测，保证跟踪精度。当接受面接受太阳辐射时，传感装置会将接受到的传感信号传递会控制系统中，然后系统会通过对信号进行分析和计算，对跟踪精度进行评估，并针对评估结果对跟踪器位置进行调整，保证跟踪精度。
比如上文所介绍的极轴式全跟踪就属于该种系统，系统中设有控制器和传感装置。在其运行过程中，跟踪器的接受面会绕着极轴以相同于地球自转角度的速度，相反于地球自转方向的方向进行运转，进而实现全方位对太阳进行定位跟踪。同时，在跟踪器转动过程中，系统中的控制器就会对赤纬轴进行控制，使其会与地球自转过程中赤道的变化保持一致。传感器也会对阳光照射强度进行感应，并转化成信号传递回系统，然后系统就会对信号进行分析，通过控制器对赤纬轴角度进行适当调整，保证跟踪器转动角度变化的精度，使接受面始终能够直接接受太阳光的照射，最大限度的接受太阳光辐射带来的太阳能。
三、结束语
提高和完善光伏跟踪系统智能控制技术对提高跟踪器的跟踪精度和太阳能接收能力有着极为重要的影响作用。当前，使用比较广泛的控制技术主要有开环和闭环伺服系统两种，其中，闭环伺服系统精确度相对较高，能够有效提升跟踪器的跟踪精度。
参考文献：
[1]王长贵.太阳能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2011.
篇8
关键词：CPCI、伺服控制卡
中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0001-02
1 引言
某船载的光电跟踪设备要求具有很高的可靠性，根据以往研制设备的经验，新研制设备的伺服控制系统欲采用CPCI工控机，CPCI工控机的板卡采用CPCI总线的连接方式，CPCI使用的是高可靠的欧洲卡结构，采用2mm密度的针空连接器，具有高性能连接技术，为船载光电跟踪设备的伺服系统提供最优化的结构。
2 伺服控制系统的组成
伺服控制系统的硬件主要包含伺服控制卡、CPCI通讯卡和CPCI工控机。CPCI计算机通过CPCI总线连接串行通讯卡、伺服控制器，实现与其它分系统的通讯功能，同时对编码器、脱靶量及引导数据进行融合运算，并将运算结果通过CPCI总线传递至伺服控制卡进行融合跟踪。
CPCI计算机软件接收各图像探测器的目标特征与航迹信息以及设备的实时状态信息，实现对同一目标不同谱段的多探测器、多数据源的数据融合处理和跟踪过程的智能决策处理。软件运行环境为Windows XP操作系统。软件在VC++ 6.0环境上进行开发。伺服控制分系统的组成结构如图1所示。
CPCI计算机软件通过CPCI总线向伺服控制卡发送融合引导数据，实现融合跟踪功能，
融合跟踪是利用光电跟踪设备上多传感器数据源及外引导数据源的信息进行融合处理，以实现对目标轨迹的精确预测，从而保证在数据源遇到干扰的情况下依然能对目标进行稳定跟踪。
3 伺服控制卡的设计
伺服控制卡采用内插CPCI总线架构，其主要由DSP芯片、FPGA、PCI接口芯片、串行通讯芯片、A/D芯片等组成。伺服控制卡硬件结构如图3，主要完成功能有：
（1）位置回路、速度回路的运算；（2）采集编码器，电视脱靶量串行通讯数据；（3）单杆
模拟量采集；（4）读取操控按键，并点亮相关指示灯；（5）与工控机进行CPCI总线数据交换。
3.1 DSP 模块设计
DSP采用目前TI公司定点数字信号处理器TMS320C6416，主频1GHz，运算速度可达8000MIPS，最高速指令周期时间为1.0ns，每周期可执行8条32bit指令，具有VelociTI.2先进VLIW结构内核。8个独立的功能单元。6个ALU（32、40bit），每个单元每周期都可完成一个32bit、两个16bit或者4个8bit算术运算。2个乘法器支持每周期完成4个16×16bit乘法（结果是32bit）或者8个8×8bit乘法（结果是16bit）。
DSP6416具有运算精度高、速度快的优点，与以前的伺服控制卡的处理器具有很大的优势，为伺服控制系统应用更复杂的、先进的控制算法提供了硬件基础。
3.2 FPGA 模块设计
FPGA采用高性能的XILINX公司的XC3S2000型FPGA作为伺服控制卡的协处理器，具有200万的系统门，高达260MHz的系统带宽主要完成融合引导数据的采集、产生PWM调宽波信号、存储管理、实现DSP与数据交换、A/D芯片和串口芯片的接口逻辑、实现CPCI总线接口芯片的本地仲裁。
由于系统设计时，采用了可编程逻辑器件FPGA，使系统的逻辑控制和总线控制的设计非常简单、灵活。在设计的过程中，将DSP的地址总线、数据总线及读写控制等全部接入到FPGA内，利用FPGA的可编程特性，进行系统的时序和逻辑控制，内部设计结构图如图3所示。
3.3 CPCI 模块设计
CPCI模块的设计主要是PCI接口设计，常用的设计方法主要有两种方法，第一种方法是充分利用FPGA器件的资源，用VHDL语言编程实现PCI接口的功能，第二种方法是利用专用的PCI总线的接口芯片，通过比较两种方法可知，第一种方法开发难度大，成本较低，第二种方法开发比较容易，开发周期短。考虑到本系统实际，在设计时，采用第二种方法，所选用的芯片是PCI9054。CPCI模块设计如图4所示。
4 伺服控制系统的软件设计
伺服软件设计主要包括两部分：CPCI工控机程序和伺服控制卡的DSP程序。
CPCI工控机程序开发环境采用Visual C++，C语言编程。应用程序通过CPCI总线接收伺服控制卡发送的脱靶量和编码器数据，完成融合处理和记忆跟踪等算法。DSP伺服控制卡的软件开发环境采用TI公司的CCS，C语言编程，DSP程序接收编码器数据、电视脱靶量及跟踪状态，完成状态的切换、捕获算法和位置回路，速度回路的计算。CPCI工控机应用程序软件流程如图5所示。DSP控制卡软件流程如图6所示。
为了保证实时性的要求，修改串口卡的驱动程序，在驱动程序中完成数据打包和收发，以简化硬件底层与应用程序数据交换。
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关键词：步进电机；PSD传感器；二维自动旋转台
中图分类号：S21 文献标识码：A
1概述
太阳能是数量巨大的环保清洁能源，每年到达地球表面的太阳辐射能约为目前世界能耗总和的2×104倍，世界环保协会近日的一份报告上说，从目前到本世纪中叶，太阳能的开发将进入，它在全球能源中占的比例将从目前的l％激增50％。大部分的太阳能系统都是采用固定式，所以随着不同时段太阳照射位置的不同，无法随时让太阳能光电板与阳光保持垂直，因此也无法使太阳能板可以长时间发挥其最大效率，尤其在上午与下午太阳斜射时，效果最差。为了能随时或分时段变换太阳能电池板的旋转角度，从而达到最大限度地吸收太阳能目的的，新型的节能环保技术--太阳能追日系统应运而生。
2系统总体结构设计
经过各种系统方案的比较，本系统确定总体结构图如图1所示，该系统主要由感光元件、单片机、传动组件、步进电机以及电源系统等组成。
图1 系统结构示意图
2.1 二维PSD传感器
在所设计的系统中采用二维位置敏感器件PSD (Position Sensitive Device)。PSD光电器件是一种光能/位置转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统。本设计应用它来检测太阳光的入射光线与固定平面法线的夹角，安装时，PSD的遮光罩的顶部平面以及受光面均要与旋转台的固定平板面平行。
2.2 单片机的选择
本系统设计采用搭配A/D转换器的8051单片机来执行对信号的接受、处理及对步进电机的控制，以达到随太阳照射角度不同随时调整的目的。
8051单片机问世于二十世纪八十年代早期。由于8051CPU内核有着杰出的特性以及功能，在本世纪仍然可以得到良好的应用。现今不同的芯片供应商可提供超过200种8051派生器件。有超过半数的嵌入式项目使用8051系列单片机。作为嵌入式处理器，8051是一枝独秀的。典型的8051家族成员包含8051CPU内核、数据存储器、程序存储器和一些功能。灵活的存储器界面使用户可以通过标准的外设和存储器件扩展8051的性能。
8051单片机共有40个引脚，按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。
1、电源
（1）VCC-芯片电源，接+5V；
（2）VSS-接地端；
2、时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3、控制线:控制线共有4根。
(1)ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲；
(2)PSEN：外ROM读选通信号；
(3)RST/VPD：复位/备用电源；
(4)EA/Vpp：内外ROM选择/片内EPROM编程电源；
4、I/O线
8051共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）
5、P3口第二功能
P30 RXD 串行输入口
P31 TXD 串行输出口
P32 INT0 外部中断0（低电平有效）
P33 INT1 外部中断1（低电平有效）
P34 T0 定时计数器0
P35 T1 定时计数器1
P36 WR 外部数据存储器写选通（低电平有效）
P37 RD 外部数据存储器读选通（低电平有效）
2.3 追日方式的选择
本系统采用2个步进电机，驱动2组涡轮蜗杆，传递动力至太阳能板，以使太阳能板达到精确的追踪太能照射光线的变化。在追日方式上，经过论证比较，采用X/Z双轴追日系统。
太阳能追日系统的主要目的是随时让太阳能光电板与阳光保持垂直，以便于在单位面积内能吸收到最多的太阳能。该系统共有三个可以调整的轴，X轴主要是调整太阳能光电板呈水平，或是朝南倾斜，Y轴主要是调整太阳能光电板呈水平，或是朝东倾斜，或是朝西倾斜，Z轴主要是调整太阳能光电板正面朝南，或是往东旋转，或是往西旋转。虽然在设计上，本系统设计了三个可以调整的轴，但是，事实上，只要调整X轴与Z轴，就可以达到使太阳能光电板与阳光保持垂直的目的。并且采用X轴与Z轴双轴调整时，效果最理想。
3 系统工作原理图
太阳能追日系统工作原理图如图2所示。
图2太阳能追日系统工作原理图
太阳光透过二维PSD传感器的透光孔到达传感器的受光面后，受光面的四个电极就产生电流，这些电信号依次经过前置放大电路、滤波电路以及采样保持电路后，再经过A/D转换器转换成数字量后保存到8051单片机的寄存器中。
若入射点光的位置在受光面的中心，则受光面的各个电极的电流均相等，此时入射光线与固定平面垂直。
若入射点光的位置不在受光面的中心，受光面的电极电流不相等，可通过下列步骤调整旋转平面：
①通过确定入射点与受光面中心的相对位置，计算出入射光线与固定平面法线的夹角；
②通过计算出控制水平转动的步进电机和控制竖直转动的步进电机的旋转角度，使入射太阳光线与固定平面法线之间的夹角为零度；
③计算出输出控制字节M，再由单片机根据计算结果发出控制指令，通过单片机与步进电机的接口电路以及多路转换开关来依次选择控制步进电机，并使它们转动到对应的角度，使太阳光的入射光线与固定平面法线的夹角为零度。
结论
本文利用步进电机设计了一种用于太阳能集热装置的自动二维旋转台，它能够使固定在该装置上接受太阳光部件的表面始终与太阳光垂直，大大提高了太阳能的利用效率。该结构采用二维PSD传感器的方法，随时随地的测量入射光线与固定平面法线的夹角，通过A/D转换器后接入至单片机，再通过单片机来控制两台步进电机以便调整固定支架的位置，直到固定平面与太阳光垂直，使旋转台上固定接受太阳光部件的表面始终与太阳光垂直，因而能大大提高其太阳能的利用效率。
参考文献
[1]Cucuno，M.，Kaliakatsos，D.and Marinelli，V，“General Calculation Methods for Solar Trajectories”，Renewable Energy，Vol.11，No. 2，pp.223-234(1997).
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[5]林山城，林赐鸿.太阳能面板的可追日控制方法，发明专利申请号：CN200810006728.X，2008年.
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2、光电成像器件及宽束电子光学：主要从事各种光电成像器件的原理与技术、设计、检测及应用技术，宽束电子光学系统及设计等方面的研究工作。
3、虚拟现实与增强现实技术：主要从事虚拟现实与增强现实算法、技术、系统，及其在各领域的应用等方面的研究工作。
4、微光与红外热成像技术：主要从事微光与红外成像探测理论、技术与系统的设计、测试、模拟仿真及总体技术，目标与环境光学特性，图像目标探测、识别与跟踪技术等方面的研究工作。
