二维修正弹双核控制系统设计

肖 雨，杜忠华，刘仁杰，马瑞雪，魏远旺

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

二维弹道修正技术是常规弹药发展的主要方向，目前其正朝着射程更远、精度更高的方向发展[1]。弹箭精确化以普通火炮为发射平台，将其改造成体积小、抗过载能力强的新型智能弹药，在战场上形成压制火力。智能弹药与普通导弹相比，在信息含量和技术含量上有很大提高，对于我国防空反导装备和技术的发展具有极其重要的现实意义。

作为修正弹药的核心，控制系统对接收到的信息进行处理，并控制各模块协同工作完成弹道修正，其性能影响重大，对二维修正弹控制系统的研究具有重大意义。

二维修正控制系统对实时性有较高要求，基于DSP或单片机的单核控制系统难以满足实时性要求。本文设计了一种基于DSP+STM32的双核控制器，并对其进行软硬件设计和实验仿真验证。

1 二维修正控制系统原理

二维修正是在一维修正的基础上加入横向修正，提升精度的同时也增加了控制难度[2]。本方案选用连续修正阀作为修正执行机构，如图1所示，阀芯上有多个扇形出气槽，在外壁上有4个互为90°的喷射孔，阀芯上有凹槽与电机输出轴相连。电机转动时，带动阀芯旋转，通过驱动器调节电机转至不同角度，可使不同位置喷射孔喷气，以此来达到修正目的。

在发射前先将标准弹道存储在非易失性的FRAM铁电存储器中，系统上电初始化，通过GPS和地磁传感器探测到弹体实时位置与状态信息，然后DSP对接收到的数据处理，解算出弹体实际运行轨迹。将实际弹道与预先装订的标准弹道进行比较获得偏差值，再根据偏差值计算出所需的修正量[3-4]。同时根据计算得到的修正量形成控制指令，与STM32进行通信，STM32设置定时器，待定时器时间到，起爆电路引爆火工品，电机带动修正阀芯旋转，可使不同位置喷射孔喷气，实现弹道修正。

图1 修正机构示意

2 控制器设计

本文设计的基于DSP和STM32的双核控制器，具有高实时性。DSP控制器选用具备32位浮点处理单元的TMS320FF28335[5]，外设集成度高，能实时快速地实现各种数字信号处理算法，抗干扰能力强，此外，由于其具备高速处理能力，可用于数值运算密集的弹道信息处理等。而单片机的控制芯片选用STM32F427ZGT6，该芯片集成了单周期DSP指令和FPU(浮点单元)。控制器系统结构如图2所示。该系统主要由5个主要模块组成，分别是电源模块、DSP与STM32最小系统模块、升压起爆模块、存储和通信模块、修正机构驱动模块。控制器系统各模块主要功能如下：

a.DSP负责GPS和地磁信号处理，获得弹体实时坐标和姿态，输出火控参数给STM32，并输出PWM波控制电机启停及正反转，以实现弹道修正功能。

b.STM32与DSP通信，在接收到控制信号后实时控制升压起爆电路工作。

c.电源模块作为控制器的核心部分，用于向其他模块提供稳定工作电压[6]，使电路两端电位差维持在恒定状态。

d.电机驱动模块驱动电机正反转，以此带动修正执行机构精准动作，实现修正功能。

e.升压起爆模块负责引爆火工品。

f.FRAM作为数据存储载体，掉电不丢失。

g.GPS模块和地磁模块可用于测量弹体实时坐标和姿态。

图2 系统结构框图

2.1 电源模块

系统外部输入24 V直流电源供各模块使用，利用 LM2596 降压型电源管理芯片将24 V电压分别降压至5 V、3.3 V、1.9V。采用LM2577芯片输出15 V电压供电机驱动芯片工作。芯片内核工作电压为1.9 V， GPIO 口工作电压为3.3 V，5 V电压则作为IR2130等其他芯片的工作电压。电源模块设计框架如图3所示。

图3 电源模块设计

2.2 存储和通信模块

存储模块用于存储GPS数据和弹道解算参数，以便对后续的控制算法进行改进。本文选用FM24CL64作为系统随机存储器，其写数据无延时、掉电数据保持10年的特性，保证了系统的可靠性。

通信模块主要用于DSP芯片与STM32芯片的通信，当DSP弹道解算完成，输出控制信号给STM32，控制升压起爆电路工作。

2.3 修正机构驱动模块

要控制修正机构动作，需要DSP发出PWM信号来控制开关器件的导通和关闭，使功率器件为电机的绕组提供良好的谐波电压和电流，提升电机输出转矩的同时避免电磁扰动的产生。电机驱动电路如图4所示。

图4 修正机构驱动电路

为能给电机提供具有较大驱动能力的正弦波信号，本系统电机驱动模块选用IR2130高压驱动芯片，可以输出6路驱动脉冲。其中3路输出信号具有电平转换功能。为提升控制精度，在电机的转轴端配置增量式光电编码器，能有效检测转子的位置。

在图4所示驱动电路中，共包含3个P型场效应管和3个N型场效应管。P型场效应管放置在上臂，选用型号为IRFR1205，当A+端为高电平时，场效应管IRFR1205的栅极被拉低，故IRFR1205的栅极和源极之间会形成一个负电压，场效应管NA+导通。R1与电源相连，作为NA+场效应管的上拉电阻，可上拉NA+的栅极，R1的电阻值选取应适当，若过小会导致三极管导通时电流过大，反之，若阻值选取过大会导致MOSFET栅极电压上升速度缓慢，影响开关性能。R2的作用是作为基极电阻使三极管正常工作在放大区。R3的作用是下拉型抗干扰电阻。R4的作用主要是减少振荡的同时减小栅极充电峰值电流，以及保护NA-型MOSFET不被击穿。

2.4 升压起爆模块

本系统升压模块选用MAX8570系列升压转换器，其采用内部n沟道开关和p沟道输出隔离开关，电源电压2.7～5.5 V，输出可达28 V。起爆电路如图5所示。Vout_FIRE端用于为起爆模块提供25 V工作电压，火工品一端接FIRE，另一端与阴极连接。当接收到控制信号时，CTRL_OUT端变为高电平，可控硅导通，火工品起爆。同时为屏蔽方波信号的影响，选用SN74AHC86D四路2输入异或门，STM32中2个IO引脚信号经过异或门作为升压起爆模块的控制信号，以免上电复位时IO口电平不定导致误触发。

图5 起爆电路

3 软件设计

本系统DSP与STM32开发环境分别基于CCS6.0和Keil5。控制系统工作流程如图6所示。

图6 控制系统工作流程

为节省GPS定位时间，在发射前先将卫星轨道参数存入GPS接收机，并将目标和环境信息存储在非易失性的FRAM铁电存储器中[7]，作为弹道解算的参考依据。弹丸发射后系统上电初始化，GPS接收机迅速定位确定发射点，并结合地磁传感器接收弹体实时位置与状态信息，然后DSP对接收到的数据处理，解算出弹体实际运行轨迹。将实际弹道与预先装订的标准弹道进行比较获得偏差值，再根据偏差值计算出所需的修正量。同时根据计算得到的修正量形成控制指令，与STM32进行通信，STM32设置定时器，待定时器时间到，起爆电路引爆火工品，电机带动修正阀芯旋转，可使不同位置喷射孔喷气，实现弹道修正。

3.1 数据接收与处理

GPS数据帧共10位，包括1个起始位、1个停止位、1～8位数据位、不设置奇偶校验位[8]。当DSP接收到1帧有效数据，将其放入接收缓存寄存器，接收缓冲就绪标志位被置位，数据无效则重新接收。数据接收完毕，DSP对接收到的有效数据进行预处理和滤波，并将处理后的数据写入临时存储器FRAM。

为提升系统定位精度，避免随机因素干扰，本系统采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法对接收到的弹道数据进行处理[9]。UKF算法基于线性滤波框架，通过使用无迹变换来处理非线性传递问题，对精度和稳定性有保障。非线性弹道观测方程组为

(1)

X为状态量；W为过程噪声；V为观测噪声;k为时间序列；f为非线性状态方程函数；h为观测方程函数。

UKF算法处理过程主要分为以下几个步骤：

a.根据式(2)和式(3)，计算出2n+1个采样点及相应权值，也称为(无迹)UT变换。

(2)

(3)

b.计算Sigma点集的一步预测和协方差矩阵，并根据得到的预测值进行UT变换，产生新的Sigma点集。

c.将最新得到的Sigma点集代入式(1),计算出预测观测量，并通过加权求和得到系统预测的均值及协方差。

d.计算增益矩阵，并进行状态和协方差更新。

3.2 修正机构控制

本系统采用增量式光电编码器结合DSP的eQEP模块，用于检测电机的转速、转向以及电机的绝对位置信息和相对位置增量。

为提升修正机构动作精度，加快控制系统响应速度，采用基于神经网络的位置-速度双闭环PID控制算法[10]对脉冲修正机构进行精准控制。将PID控制规律与神经元网络相结合，根据控制效果进行在线学习和调整，加快收敛速度，提升控制系统性能。

PID控制由比例、积分、微分3个环节组成，并形成统一标准信号控制修正执行机构动作。将PID和神经网络相结合主要有2步：首先定义具有比例、积分、微分功能的神经元，构成PID神经元；接着根据PID神经元控制规律使基本神经元构成新的神经网络，并找到合理有效的计算学习方法。作为对传统PID控制的改进型控制算法，单神经元构造PID控制器网络输入为

(4)

PID控制器网络输出为

u(k)=W1X1(k)+W2X2(k)+W3X3(k)

(5)

Wi为PID控制器中的参数KP、KI、KD，可以通过在线调整PID的3个参数使之达到最优值，进而达到改善控制系统性能的目的。

4 实验及仿真

4.1 通信模块功能验证

利用CCS对DSP与STM32通信过程进行仿真观察，当DSP与STM32开始通信前，标志位均为初始值0;DSP向STM32发送数据后，tx_flag标志位置位，STM32正确接收后，其LED全部点亮，DSP接收到0xAA，置sci_tx_success标志位，并点亮其2个LED,最终2个芯片的LED均全部点亮，验证了该模块通信较为可靠，满足设计功能要求。

4.2 升压起爆模块功能验证

要验证电路板的升压起爆模块。首先在上电前将代码烧写入电路板，接着将火工品两端分别连接FIRE和GND线，系统上电初始化后等待数秒，点火头被引爆。同时通过示波器观察起爆瞬间火工品两端电流变化，在起爆瞬间火工品两端电压高达25 V，且只有当FIRE和CTRL控制信号同时作用才能起爆成功，起爆波形如图7所示。由图7可看出升压起爆模块功能正常，满足设计要求。

图7 起爆放电波形图

4.3 数据接收与处理仿真验证

发射2 s后开始接收测量数据，并对二维修正弹全弹道进行UKF滤波。首先设置过程噪声和量测噪声协方差矩阵、弹丸自身参数等产生初始弹道数据的初始条件。x-z平面弹道轨迹如图8所示。

图8 x-z平面弹道轨迹

仿真表明对弹道数据进行UKF滤波处理可以降低测量数据带来的误差，提升控制系统精度。

4.4 修正机构控制模块验证

要验证电机驱动模块功能是否符合设计要求，首先需要搭建实验设备，编写代码控制电机正反转，先稳定加速到最大设定值，后匀减速直到电机转速为0，再控制电机按设定规律进行反转。通过示波器观察电机空载时运行过程的PWM波形图，验证表明电机驱动模块功能正常。

为验证脉冲修正机构功能特性，搭建直流电机控制平台，采用增量式光电编码器配合DSP的eQEP模块，用于检测电机的转速、转向以及电机的绝对位置信息和相对位置增量。对脉冲修正电机控制模块进行系统建模，并采用PID神经网络控制算法进行仿真试验，验证脉冲修正机构的实时性与可靠性。选取恰当的电机阶跃信号幅值，修正机构的电机响应特性曲线和控制误差曲线分别如图9和图10所示。

图9 修正机构电机响应曲线

图10 控制误差曲线

由图9和图10可知，修正执行机构控制量能迅速响应，趋近目标值，且控制误差会在起控初期急剧下降，最后将误差限定在极小的范围内，表明采用神经网络对修正执行机构电机进行控制效果较好，能保证修正机构控制精度和实时性。

4.5 系统联调

为验证该控制系统工作性能，采用蒙特卡洛打靶法对修正控制效果进行分析，忽略随机误差的影响，图11为给出的二维修正弹算例在修正前和修正后的弹道落点散布图(模拟打靶100次)，由图11可知，修正后弹道落点散布密集度得到较大提升，满足设计要求。

图11 落点散布对比图

5 结束语

为提升二维弹道修正控制系统精度和实时性，本文采用连续修正阀作为修正执行机构，设计了一种基于DSP和STM32的双核控制器，完成了控制系统总体结构设计，并对主要功能模块展开详细的软硬件设计，采用无迹卡尔曼滤波对弹道数据进行处理，并对修正机构进行神经网络PID控制，通过实验与仿真，验证了控制系统的实时性与可靠性，为类似控制系统设计提供参考。