基于ARM平台的红外制导仿真系统

摘要

红外制导仿真技术一直是国内外精确制导武器仿真技术的一个研究热点，是当今世界各军事强国争相发展的先进技术，直接决定着红外制导武器的发展速度，具有巨大的经济价值和国防战略意义。红外制导武器在战时环境下可以对目标进行搜索、跟踪和锁定，不断调整飞行姿态跟踪目标，最终摧毁目标。红外制导仿真系统是在实验室环境下使用红外成像系统捕捉目标，对目标的红外图像信息处理后得到其坐标信息，并控制导引头伺服系统调整光轴指向和导引头姿态，模拟导弹实战情况下的目标捕获与跟踪过程。 本文通过研究红外制导武器在真实战地环境下的工作原理，设计了一套红外制导仿真系统的实现方案。该仿真系统主要由成像系统、控制单元和上位机图像处理系统构成，红外成像系统对待跟踪目标的红外信息进行图像采集，并上传至上位机进行处理，获取其相对视场的偏移位置信息并下传至控制单元，由控制单元对模拟导引头进行控制来实现对目标的捕获与跟踪功能。其中，仿真系统控制单元的设计以及控制单元对导引头驱动电机控制策略的制定是本文研究的核心内容。 根据系统总体设计方案中的要求，本文采用基于ARM的硬件平台来实现红外制导仿真系统中的控制单元。由于控制单元硬件电路较为复杂，本文采用分层设计思想将控制单元的硬件电路分为转接层、驱动层、核心控制层和电源层。为了实现控制单元对电机的角位移控制的精确性和快速性，提出了一种两级串行比例-积分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）闭环控制方案，其中内环控制伺服系统用于对电机调速，外环控制伺服系统用于调整电机角位移。本文首先对直流电机建立了数学模型，对常规PID、单神经元PID、RBF神经网络PID和改进的RBF神经网络PID这四种控制策略进行了仿真，分别从阶跃响应调节时间、超调量以及控制系统对时变信号的位置跟踪能力方面对仿真结果进行了分析和评价。通过对常规PID控制策略的仿真结果进行分析后可知，其存在调节时间较长，存在超调量，位置跟踪偏差和时间滞后量偏大等不足，不符合系统设计指标。针对常规PID控制策略存在的问题，本文将常规PID控制与神经网络结合，研究了单神经元PID控制策略并进行了仿真。相比于常规PID控制策略，单神经元PID控制策略加速了调节过程，同时减小了位置跟踪偏差和时间滞后量，使得控制性能得到了一定提升。为了进一步改善单神经元PID控制策略的调节时间和位置跟踪能力，将系统辨识理论与单神经元结合起来优化单神经元PID中的学习规则，得到了RBF神经网络PID控制策略，仿真结果表明，其调节时间、超调量和位置跟踪能力都得到了改善，控制性能得到提升。由于神经网络PID中都使用神经元比例系数来调整输出控制增量的增益，但是该系数往往需要离线预置，不能根据现场状态进行调整，这里对该比例系数的调整方式进行了改善，使其可以随着控制过程动态调整，从而改善控制性能。因此，提出了一种改进的RBF神经网络PID控制策略，仿真表明，与其它三种控制策略相比，该控制策略在保留了RBF神经网络PID控制的位置跟踪能力的基础上进一步减小了调节时间，提高了系统控制性能。 最后，在QtCreator集成开发环境下，使用C++语言开发了PID控制台软件，在Keil-MDK集成开发环境下，结合主控芯片的运行机制，使用C语言实现了常规PID控制策略和单神经元PID控制策略。将软件系统与硬件系统进行联调，得到了与仿真结果趋势一致的控制输出曲线。

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