公开 光电吊舱地面控制仪设计与应用

公开 光电吊舱地面控制仪设计与应用

伏克峰波

凯迈（洛阳）测控有限公司 河南 洛阳 471003

摘要：为实现对光电吊舱伺服功能和传感器基本功能的内、外场测试,设计了光电吊舱地面控制仪。文中对光电吊舱地面控制仪的基本功能要求进行了深入分析，介绍了控制仪的基本原理和主要功能组成，并对其软、硬件内容、硬件选型、布局设计进行了详细的描述。经过内、外场使用验证，可满足多型光电吊舱功能性测试要求。

关键词：光电吊舱；地面控制仪；设计

引言

无人机载光电吊舱是集光、机、电于一体的高技术任务载荷，主要为无人机系统提供实时的目标可见光图像、红外图像以及吊舱姿态参数，为无人机对战场目标监视、目标定位、指引打击提供情报资源和参考依据[1]。

光电吊舱地面控制仪，主要目的是模拟无人机系统，实现对光电吊舱进行控制、功能检测。既可用于内场产品交付试验，又可用于外场联试。在内场配合其他测试设备，对吊舱的性能指标进行充分测试验证、环境适应性进行功能检查，在外场对吊舱单独供电、通讯控制、视频采集等，检查其功能是否完好。

1 设计要求

无人机载光电吊舱通常由稳定转塔和升降机构组成，两部分独立工作。稳定转塔内部集成可见光电视、红外热像仪、激光测照器、伺服控制器、通讯跟踪器、二次电源等。地面控制仪的设计要充分考虑对光电吊舱伺服系统功能和内部传感器基本功能的测试要求，实现对光电吊舱功能的充分验证，因此其应具备以下基本功能：

1. 具备对光电吊舱提供稳定直流28V电源及加电、断电控制功能；

2. 具备实时显示输出电压、电流值功能，便于监测供电情况；

3. 具备对红外热像仪、可见光电视等传感器的控制功能；

4. 具备对光电吊舱搜索态、锁定态、扫描态等伺服状态控制及切换功能，控制目标跟踪框实现对目标捕获和跟踪功能；

5. 具备与稳定转塔内的通讯部件进行通讯，实现对其功能控制，接收并显示其通讯跟踪器反馈的内部组件信息功能；

6. 具备对光电吊舱输出视频进行采集、显示功能；

7. 具备控制升降机构进行升降，并显示其上、下到位状态的功能。

由于光电吊舱技术发展迅速，因此在视频格式、通讯总线、电源功率方面，地面控制仪应考虑兼容性设计，总体设计遵循通用化、模块化原则，满足不同型号光电吊舱的使用；此外应考虑外场使用条件，增加减振设计，减少不必要部件，满足便携要求。

2 系统设计

地面控制仪与光电吊舱通过电缆进行连接，实现各种电气信号的交联。稳定转塔在地面控制仪安装的控制软件作用下进行工作，升降机构在地面控制仪面板按键控制下完成升降工作。

针对地面控制仪功能要求进行地面控制仪的系统设计,以实现其各项功能。首先确定地面控制仪基本功能单元,然后模块化和组合化原则设计功能单元,系统设计主要包括硬件设计、软件设计等方面的内容。

地面控制仪由嵌入式计算机、电源及参数显控单元、通讯控制单元、视频切换显示单元、升降机构控制单元等主要硬件组成。电源及参数控制单元由大功率直流电源、电压、电流表头及采样显示、控制电路组成，可将市电转换为稳定转塔、升降机构提供稳定的直流电源，实时显示输出电压、电流值，且可对最大输出电流值进行限流设定，对光电吊舱进行保护的同时又方便调试工作。通讯控制单元由便携式计算机、总线通讯模块组成，可对不同通讯总线方式的稳定转塔进行控制，实现稳定转塔的伺服功能控制和传感器功能控制，接收稳定转塔反馈的自身伺服姿态信息、传感器状态信息。切换显示单元可以实现对同时输入的不同格式视频进行手动选择切换，从而显示不同视频源的图像。升降机构控制单元可实现对升降机构进行供电和升降控制，并对升降机构的到上或下到位信息通过指示灯进行显示。地面控制仪系统组成框图见图1。

图1 地面控制仪系统框图

3 系统硬件设计

硬件设计主要包括地面控制仪整体设计、硬件选型、布局设计。

3.1 整体设计

地面控制仪采用基于下翻盖式便携机设计，副屏侧翻的双屏显示结构形式，机箱采用铝镁合金加固型设计。硬件安装于便携式加固机中，内部板卡加固设计，具备抗震性能。加固机左侧面板主要安排计算机系统的对外接口，与产品交联的航插、视频接口都分布在右侧面板上，机箱各角均使用橡胶垫保护，防止磕碰。地面控制仪设计专用的减震拉杆箱，可防潮、防雨、出入包装方便快捷，适用于较为恶劣环境下工作。

3.2 硬件选型

3.2.1 计算机

计算机系统是整个地面控制仪信息处理中枢，考虑到外场使用条件，选用宽温（-20℃-60℃）、抗振且体积小的计算机主板和SSD固态硬盘。

3.2.2 电源

电源直接对光电吊舱供电，电源设计上要求安全、可靠，纹波满足产品使用要求。选用的电源模块具备过压、过流、短路、过热保护功能。结合当前大部分光电吊舱功耗要求，同时考虑便携性，选用功率600W的开关电源，电源纹波不大于280mV。

3.2.3 通讯模块

光电吊舱主要的通讯方式采用RS422、CAN总线等， RS422通讯模块已有成熟的技术与产品；CAN总线接口卡的选用要适合外场使用，支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，符合ISO/DIS 11898-1/2/3标准、带电气隔离模块的产品。

3.2.4 显示屏

显示屏的选择主要考虑外场使用条件，选用宽温、高亮、全高清的液晶屏组件，分辨率1920x1080，面板亮度不低于400cd/m²，满足日光下对显示屏可读性要求。

3.3 布局设计

为便于运输，地面控制仪（见图2）机箱顶部设计有把手，键盘与主机之间通过卡扣锁紧，打开卡扣后键盘下翻，副屏可向左侧翻转，主屏作为电脑显示屏，副屏显示不同制式视频图像。

图2　地面控制仪实物图

主屏下方左侧设计有电压、电流显示表头，可实时检测设备供电情况，为方便产品调试，主屏下方中部设计了电流输出限流调节旋钮，右下部设计了升降装置上升、下降控制按钮，并可通过上、下到位信号灯直观显示升降装置工作情况。

主屏右侧设计有选择按键可根据指示在三种六路不同视频源（SDI/PAL/差分PAL）间切换显示；机箱右侧上部设计通风口，下部为设备电源、计算机电源和28V电源输出开关，以及与吊舱连接的航插XS1、XS2，通过XS1接口实现对RS22总线光电吊舱进行供电、通讯控制功能，通过XS2实现对升降机构的供电和控制功能。通过CAN总线通讯口结合电气接口XS1实现对CAN总线光电吊舱的供电和通讯控制。地面控制仪电源采用市电220V50Hz，通过AC220接口接入，右下角设置保险管，用于过流保护。

机箱左侧上部设计通风口，左侧通风口下部设计有千兆网口、USB口、RS232通讯接口以及VGA视频输出接口。

4 系统软件设计

光电吊舱控制软件主要功能，是经通讯端口向稳定转塔发送伺服状态、传感器控制指令，通过控制稳定转塔工作在惯性态、锁定态、扫描态和跟踪/跟踪搜索态等不同工作模式下，配合对红外、可见光传感器变倍、调焦等功能的控制使目标清晰明显，最终实现对目标的捕获跟踪；同时接收稳定转塔反馈指令，并进行解读，将稳定转塔当前工作模式，方位、俯仰角度，传感器焦距值、状态等信息进行显示。

控制软件基于Visual Basic软件开发，主要由7个功能模块组成，分别是传感器功能模块、传感器电源模块、伺服控制模块、跟踪功能模块，数据收发模块、反馈信息显示模块、伺服调试模块。

a）传感器功能模块主要实现可见光、红外、激光测照器等传感器的功能控制，可完成可见光电视变倍、调焦、透雾、近红外等功能控制，可完成红外热像仪变倍、调焦、增益、亮度、正/负像、图像校正等功能的控制，可完成激光测照器测距、照射、停止等功能控制；可见光、红外、激光测照器等传感器单独上电、断电功能；

b）传感器电源模块主要实现可见光、红外、激光测照器等传感器单独上电、断电功能；

c）伺服控制模块主要实现稳定转塔启动态、惯性态、扫描态、回收态、锁定当前等工作模式切换功能，锁定态方位、俯仰角度值设定功能，自动扫描态扫描幅度、速度设定功能；

d）跟踪功能模块主要实现可见光或红外视频图像上目标的选取、捕获跟踪；

e）数据收发模块主要实现发送和接收数据的显示，并对发送、接收的数据进行计数；

f）反馈信息显示模块主要实现接收通讯跟踪器反馈的各种信息并进行显示，显示的内容有，可见光电视、红外热像仪焦距值，激光测照器工作状态信息（准备好、测距、照射）以及测距值；方位、俯仰角度值信息；当前稳定转塔工作模式。

g）伺服调试模块主要实现吊舱零位调试参数的修正，通过控制界面实现对伺服控制板内参数进行修正。

由于各型号光电吊舱通讯总线、通讯协议等的差异，不同型号的光电吊舱需编写不同的程序控制软件界面，配合不同的工艺电缆实现对光电吊舱的控制功能。

结束语

光电吊舱地面控制仪经过对系统功能要求的分析,同时考虑使用特点制定了系统的设计原则,根据系统的基本功能单元对系统硬件系统进行通用化、模块化设计,设计完成的地面控制仪集成度高，携带便利，结构简单，可靠性高，操作方便，维护便利、配合不同软件控制界面可以满足多型光电吊舱内、外场使用要求。本系统的设计原则与方法对同类型系统的设计实现有一定的借鉴指导意义[2]。

参考文献：

[1] 赵星龙，郑幸，成坚，等.. 无人机机载光电吊舱地面控制系统研究[C].第七届中国指挥控制大会论文集.北京.2019:123-126.

[2] 李大健，贾伟，齐敏，等.. 无人机地面控制站设计与应用[J].计算机测量与控制.北京.2011.19(6):1351-1356.

[作者简介] 伏克峰（1977－），男，河南洛阳人，本科，工程师，主要研究方向为光电吊舱调试及试验工艺方法。