基于增量式碼盤舵片姿態(tài)的識別系統(tǒng)設(shè)計

劉鳳麗 李榮輝 張嘉易 郝永平

(沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110159)

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化、智能化在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中將發(fā)揮著越來越重要的作用?；鹋谧鳛閭鹘y(tǒng)的武器，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中仍被廣泛應(yīng)用，但是由于炮彈在發(fā)射后受到溫度、濕度、地理環(huán)境等因素的影響不能對目標(biāo)實施精確打擊，為了增加火炮的精確打擊能力，提出了彈道修正技術(shù)的理念。彈道修正技術(shù)就是在炮彈的飛行過程中通過彈載計算機實時解算出彈體的角度、位置，計算出實際彈道。通過與理論彈道數(shù)據(jù)進行對比分析，及時調(diào)整舵機的姿態(tài)，來進行對炮彈的修正，從而減小偏差，提高精確打擊能力[1]。

在調(diào)整舵機姿態(tài)時，需要計算出舵片的實時角度、轉(zhuǎn)速以及停止角。所以為了得到舵片的姿態(tài)信息，我們利用編碼器來測量。由于光電式編碼器具有能夠準(zhǔn)確測量角位移，高精度以及較高分辨率，因此大多數(shù)采用光電式編碼器。在刻孔方式上又分為絕對式和增量式，絕對式編碼器在每個位置都有其唯一的對應(yīng)角度，無需找參考不會受到斷電影響，抗干擾能力強，其精度與條紋碼的精度有關(guān)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。增量式碼盤的位置卻是相對的，所以需要增加一個零點位置識別，以此來標(biāo)定初始位置以及記錄圈數(shù)，增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單和便于實現(xiàn)等優(yōu)點，在位置識別中具有廣泛應(yīng)用。由于二維修正彈舵片內(nèi)部的空間有限，故本次設(shè)計采用的是增量式編碼器。

二、光電增量式碼盤原理

增量式編碼器的單位角度與脈沖信號是一一對應(yīng)的，每個脈沖信號對應(yīng)一個單位角度。由于沒有參考點，所以無法判斷舵片當(dāng)前的絕對位置。因此需要建立一個零點標(biāo)志位，通過參考零點解算舵片當(dāng)前真實角度。

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖，由三個通道A、B、Z組成。其中把Z相作為零點標(biāo)志位，舵片每旋轉(zhuǎn)一周，Z相只產(chǎn)生一個脈沖信號，利用光電傳感器識別舵片內(nèi)部的莫列波紋，當(dāng)Z相傳感器旋轉(zhuǎn)通過莫列波紋時，便將當(dāng)前位置設(shè)定為初始角度0°。A、B相進行舵片角度的解算，在A、B相中兩個光電傳感器需要平行放置，且他們之間的相位差為90°[2]。兩光電傳感器相鄰間隔為N+1/2個信號格[3]。如圖1,為傳感器位置圖。

圖1 傳感器位置圖

兩光電傳感器A、B放置于舵機定子上莫列波紋放置于舵片內(nèi)部，當(dāng)舵片相對于定子轉(zhuǎn)動時，由于A、B相之間的相位差，會讀取到01、11、10、00四種不同編碼組合信息，由于編碼的順序是固定的，所以可以根據(jù)編碼的順序判斷出舵片旋轉(zhuǎn)方向。如表1為舵片正反轉(zhuǎn)識別。

表1 正反轉(zhuǎn)編碼圖

舵片角度的識別精度與光電增量式碼盤的分辨率有關(guān)，分辨率由光電傳感器識別能力決定，即舵片旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出的脈沖數(shù)，單位為PPR(脈沖/秒)。本次設(shè)計中，舵片內(nèi)部的莫列波紋數(shù)為120，光電編碼器的分辨率為120PPR，因為有A、B兩個相，所以共有240個邏輯組合，假設(shè)編碼器的分辨率為T，采樣數(shù)為N，舵片的角度A計算公式為：

A=N*360/2T

三、硬件設(shè)計

由于彈體內(nèi)部空間有限且需要較高精度的傳感器，經(jīng)過綜合信息比對，最后選用的傳感器為反射式光電傳感器，型號為ITR8307。該種型號傳感器具有體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)時間快速，靈敏度高，便于安裝，受環(huán)境干擾小等特點。如圖2所示，為ITR8307型傳感器的感應(yīng)特性曲線。從圖中可以看出，當(dāng)莫列波紋與光電傳感器間距為0.6～0.7mm時，感光特性最好，電流百分比達到最大，經(jīng)過實際測試證明，當(dāng)傳感器與莫列波紋間距為0.7mm時，電壓幅值達到最大，具有最好的測試效果。

圖2 傳感器特性曲線圖

選用LM339(四路差動比較器)組成邏輯門電路。LM339具有電壓失調(diào)小，共模范圍大，對比較信號源的內(nèi)阻限制很寬，電壓范圍寬，輸出端電位可靈活方便地選用，差動輸入電壓范圍很大等特點。由于本次設(shè)計只用3路邏輯電路，為了不產(chǎn)生信號干擾，將第4路中的管腳與GND直接相連。

如圖3是碼盤電路原理圖，由于傳感器接收與發(fā)射端都需與DSP中I/O口相連接，為了保護I/O口，傳感器兩端電壓為3.3V。在傳感器的發(fā)射端需要串聯(lián)個100Ω的電阻，以免電流過大，損壞器件。在傳感器的接收端需要串聯(lián)一個電阻，起到分壓的效果，可以調(diào)節(jié)接收端電壓的大小。經(jīng)過反復(fù)試驗，電阻的阻值為15KΩ時，效果最好。將傳感器接收端與LM339的中任意一路的同相輸入端相(+)連接，與其對應(yīng)的反向輸入端(-)電壓進行比較，當(dāng)“+”端電壓高于“-”端電壓時，輸出高電平。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端電壓時，輸出低電平。方向輸入端即為比較電壓，為了可以方便調(diào)節(jié)比較電壓值得大小，將其串聯(lián)一個滑動變阻器，其電阻值為0-5KΩ。在輸出端與正電源之間需要接一只電阻，選用不同阻值的上拉電阻會影響輸出端電位的值。經(jīng)過試驗，上拉電阻值為1KΩ時，輸出端電位值為3.3V，效果最好。

圖3 碼盤電路原理圖

四、實驗測試及結(jié)果

在碼盤測速中，一般分為三種方法：“M”法、“T”法、“M/T”法[4]。在低轉(zhuǎn)速情況下“T”法測速精度比“M”法測速精度高，高轉(zhuǎn)速下“M”法測速精度更高。在二維修正中，由于舵片的轉(zhuǎn)速是不確定的，所以前兩種方法都有一定的局限性，因此我們采用“M/T”法測速。設(shè)兩光電傳感器識別脈沖數(shù)N1和時鐘脈沖數(shù)N2，則舵片轉(zhuǎn)數(shù)公式為：

n=60 N1f/4MN2=15 N1f/MN2

如圖4所示，為“M/T”法測速原理圖，需要在DSP中多加一個定時器，在定時器時間間隔內(nèi)，光電傳感器的脈沖數(shù)為N1、時鐘的脈沖數(shù)N2，將N1和N2代入舵片轉(zhuǎn)速公式中進行運算?！癕/T”法消除了計數(shù)器溢出等問題，兼?zhèn)洹癕”法和“T”法在不同轉(zhuǎn)速下的優(yōu)點，解算精度較高。

圖4 “M/T”法測速原理圖

如圖5所示，是舵片以一轉(zhuǎn)每秒的轉(zhuǎn)速下勻速轉(zhuǎn)動的角度曲線圖。從圖中可以看出，在舵片旋轉(zhuǎn)的第一周內(nèi)會出現(xiàn)亂碼的情況，此時為第一次尋找零點的時候，所以會出現(xiàn)角度沒有到360°時就進行清零。由于炮彈飛行前段并未進行修控，所以不會對修正效果產(chǎn)生影響，并不會影響角度識別。從圖中的角度變化曲線可以看出，角度在0-360-0之間均勻變化，舵片在平穩(wěn)勻速轉(zhuǎn)動。

圖5 勻速轉(zhuǎn)動的角度曲線圖

如圖6所示，這是舵片在加速過程中繪制的數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看出舵片旋轉(zhuǎn)速度是由慢到快的。角度的變化頻率也是越來越快，圖中的曲逐漸密集，說明舵片處于加速過程中。

圖6 勻加速曲線圖

通過兩相鄰角度之間的角度差與其對應(yīng)的時間就可以解算出當(dāng)前舵片的轉(zhuǎn)速，通過多次測量，解算出的舵片轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速相一致的，該碼盤滿足本次實驗要求。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計了基于增量式碼盤舵片姿態(tài)的識別系統(tǒng)，搭建了碼盤基礎(chǔ)電路，并進行了測試實驗，實驗結(jié)果表明，本次設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，并且可以有效測出舵片的角度及其轉(zhuǎn)速，具有一定的實用價值。