全自动自准直经纬仪轴系精密伺服驱动系统

　　0 引言

　　国内外对于经纬仪的操作自动化和提高测量精度等方面进行了很多研究[1 -4]。但大多集中在自动调焦，自动调平对心等，且研究对象多为大型光电经纬仪。在经纬仪照准目标方面，目前国内外均未见能实现自动照准目标的电子经纬仪。

　　针对传统电子经纬仪轴系手动操作的操作时间长、受人为因素影响大等问题进行了长期研究和深入分析，拟在传统电子经纬仪基础上进行改造以实现具有目标的自动识别和照准、高精度二维测角等功能的激光全自动自准直经纬仪。为了实现全自动经纬仪的自动照准目标功能，将视频图像测量与电机驱动技术相结合，在 DT202C 型电子经纬仪轴系结构上设计精密伺服控制系统，最终通过实验测试伺服系统能达到全自动经纬仪的设计要求。

　　1 系统组成及其工作原理

　　系统主要由控制计算机，电子经纬仪、以及加装在电子经纬仪中的轴系电机驱动控制电路板，直流力矩电机和面阵 CCD相机组成。系统首先改装了电子经纬仪光学系统，安装了面阵CCD 相机以实时接收采集到的视频图像。而后由上位机通过亚像素定位技术进行数字图像处理，得出目标中心在水平和俯仰方向上偏离 CCD 中心的像素数，并将结果数据记录下来，利用针孔模型[5]计算角度偏差。以此偏差信号作为驱动信号由上位机输入到运动控制芯片 dsPIC30F6012A 中，由控制芯片依据所采用的积分分离式 PID 算法运算后控制直流力矩电机以减小角度偏差直至消除。控制计算机的作用为接收图像信号并进行图像处理，控制芯片的作用为运算控制算法得到驱动信号。

　　目标识别和照准可分为 3 个过程: 目标搜索过程、目标照准过程和测量过程。利用数字图像处理的方法，对控制计算机采集到的电子经纬仪视场图像进行识别处理，电子经纬仪视场内如果没有目标，则先进行目标搜索; 一旦在视场内出现目标图像，即刻进入目标照准和测量过程。当目标进入电子经纬仪视场后，控制计算机自动对目标图像进行分割处理，采用亚像素细分的方法，计算出目标图像的精确中心位置与标定的 CCD相机中心的偏差，分别控制电子经纬仪横轴和纵轴伺服电机回转照准目标。其自动测量过程如图 1 所示。

　　2 光学系统改造

　　为了实现经纬仪自动测量的功能，需要对其光学系统进行改造。文中主要在 J2 电子经纬仪光学系统的基础上，取消目镜，加装 CCD 组件，设计专用接口，通过控制计算机提取 CCD图像进行水平和垂直角度测量。改造后的电子经纬仪望远镜结构如图 2 所示。

　　3 电机控制硬件电路设计