基于LabVIEW的經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 佳，賈文武

（1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077；2.中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，華陰714200）

經(jīng)緯儀是一種高精度的光學(xué)測(cè)量?jī)x器，一般用于跟蹤導(dǎo)彈和飛行器的彈道。為了敏捷且精確地探測(cè)和跟蹤目標(biāo)，通常在經(jīng)緯儀上安裝光電跟蹤和瞄準(zhǔn)設(shè)備。經(jīng)緯儀作為現(xiàn)代射擊場(chǎng)最基本的光電測(cè)量?jī)x器，廣泛用于軍事科學(xué)研究領(lǐng)域，如航空航天和武器試驗(yàn)等。由于經(jīng)緯儀更換負(fù)載后，伺服系統(tǒng)各控制參數(shù)都要重新整定，而伺服系統(tǒng)的整定需要反復(fù)調(diào)試，不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且占用經(jīng)緯儀的使用時(shí)間，造成基于經(jīng)緯儀的各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)度延誤。

為解決伺服控制系統(tǒng)參數(shù)整定繁瑣的問(wèn)題，可以通過(guò)建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型的方法，將伺服系統(tǒng)參數(shù)整定的工作從實(shí)物轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)模型上來(lái)。其優(yōu)勢(shì)在于，一方面在計(jì)算機(jī)模型上進(jìn)行參數(shù)整定而不占用經(jīng)緯儀的使用時(shí)間，另一方面利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來(lái)提高參數(shù)整定的效率。

在此，以某型經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)臺(tái)在負(fù)載變化時(shí)存在失穩(wěn)現(xiàn)象為研究背景，以建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型為目標(biāo)，討論通過(guò)多種手段采集經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而為最終建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型并實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)模型上進(jìn)行參數(shù)整定奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體概述

經(jīng)緯儀的伺服控制系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀本體及安裝于經(jīng)緯儀上的可見(jiàn)光、紅外相機(jī)和光學(xué)鏡頭等負(fù)載的運(yùn)動(dòng)。伺服控制系統(tǒng)的精度和性能直接決定了經(jīng)緯儀的跟蹤和探測(cè)技術(shù)指標(biāo)，因此經(jīng)緯儀的伺服控制系統(tǒng)是其關(guān)鍵組成部件之一。

通常，伺服控制系統(tǒng)通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)，經(jīng)由編碼器反饋的位置、速度信息調(diào)整經(jīng)緯儀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度的跟蹤和探測(cè)。由此可知，為了保證經(jīng)緯儀達(dá)到最佳工作狀態(tài)，必須將伺服控制系統(tǒng)的各項(xiàng)閉環(huán)反饋控制參數(shù)整定至最優(yōu)。通過(guò)建立經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型能夠更加便捷的對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定。

目前，工程應(yīng)用中針對(duì)已有系統(tǒng)的建模方法主要是“灰箱建?！狈??；蚁浣７ㄊ且环N有效的工程系統(tǒng)建模法，它將機(jī)理建模法又稱“白箱建模”，與實(shí)驗(yàn)建模法又稱“黑箱建?！毕嘟Y(jié)合，互為補(bǔ)充。大部分工程應(yīng)用系統(tǒng)都屬于“灰箱”問(wèn)題，通常情況下是對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很多了解，因此可以推導(dǎo)出系統(tǒng)特定的數(shù)學(xué)模型[1]。對(duì)此，只要定階和確定模型中的參數(shù)就可以確定系統(tǒng)模型，使建模問(wèn)題簡(jiǎn)化為參數(shù)估計(jì)問(wèn)題。有效的參數(shù)辨識(shí)策略有兩個(gè)方面：盡可能多地掌握系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，即盡可能地使系統(tǒng)“白化”；對(duì)依然“黑”的部分，對(duì)理論建模法不能確定的部分和參數(shù)，采用系統(tǒng)辨識(shí)方法。

在經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)中，由于經(jīng)緯儀平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部電磁耦合和機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的摩擦力等存在非線性關(guān)系，使用機(jī)理建模法得到的數(shù)學(xué)模型無(wú)法保證模型精度，因此需要采用實(shí)驗(yàn)建模法來(lái)獲取非線性因素的數(shù)學(xué)模型。故在此設(shè)計(jì)了經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)。

經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)包括直流電源、開(kāi)環(huán)控制機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集卡、串行通訊模塊等。系統(tǒng)的工作原理如下：通過(guò)向經(jīng)緯儀施加特定的激勵(lì)信號(hào)，采集經(jīng)緯儀在該激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)曲線，從而探索出經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)輸入輸出之間的傳遞函數(shù)，為建立精確的經(jīng)緯儀伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型提供支持。

2 硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)緯儀內(nèi)部集成了其專用的伺服控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，如跟蹤、定位等。該伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制，因此經(jīng)緯儀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦、阻尼等非線性因素經(jīng)由閉環(huán)反饋控制后都將被消除。但是，要建立經(jīng)緯儀的計(jì)算機(jī)模型必須掌握經(jīng)緯儀自身的摩擦、阻尼等特性參數(shù)，而這些參數(shù)只有通過(guò)開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)才能得到，因此經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀加載開(kāi)環(huán)激勵(lì)信號(hào)，并同步采集其在開(kāi)環(huán)激勵(lì)信號(hào)作用下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

根據(jù)經(jīng)緯儀開(kāi)環(huán)參數(shù)采集的需求，硬件設(shè)計(jì)可以分為兩部分，一部分實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的加載，另一部分實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集。經(jīng)緯儀內(nèi)部的機(jī)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是直流力矩電機(jī)，直流力矩電機(jī)為系統(tǒng)的執(zhí)行元件。經(jīng)緯儀內(nèi)部安裝有2臺(tái)直流力矩電機(jī)，分別為方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)。其中，方位角電機(jī)型號(hào)為J400LYX06WZ，電樞電阻4.71 Ω，電樞電感8.35 mH；俯仰角電機(jī)型號(hào)為J160LYX07A，電樞電阻5.1 Ω，電樞電感15.43 mH。探測(cè)裝置和平臺(tái)框架為慣性負(fù)載加在電機(jī)的軸系上。

將經(jīng)緯儀與伺服控制系統(tǒng)斷開(kāi)后，使用外部電源直接為經(jīng)緯儀的直流力矩電機(jī)施加直流驅(qū)動(dòng)電壓可以實(shí)現(xiàn)其開(kāi)環(huán)運(yùn)行。為避免經(jīng)緯儀的2臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行產(chǎn)生耦合干擾，通過(guò)多功能I/O 板卡控制兩路繼電器，實(shí)現(xiàn)方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)的通斷控制[2]，確保在進(jìn)行開(kāi)環(huán)運(yùn)行測(cè)試時(shí)同一時(shí)刻僅有一臺(tái)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，從而保證經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集的精度與可靠性。

2.1 激勵(lì)信號(hào)加載部分

激勵(lì)信號(hào)加載部分硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 激勵(lì)信號(hào)加載硬件原理Fig.1 Hardware schematic diagram of excitation signal loading

直流電源選用AMETEK 公司的Sorensen DLM 600系列程控電源，其外觀如圖2所示。

圖2 Sorensen DLM 600系列程控電源Fig.2 Sorensen DLM 600 series programmablepower supply

Sorensen DLM 600系列程控電源設(shè)計(jì)緊湊，能在較小（1U 高、半機(jī)架寬）的機(jī)箱內(nèi)為各種應(yīng)用提供連續(xù)可變的輸出電壓及電流。該系列電源使用零電壓開(kāi)關(guān)ZVS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)極低的紋波和噪聲；具有高效率和快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，其輸出功率為600 W，輸出電壓范圍為DC 0～5 V至DC 0～300 V，輸出電流范圍為0～2 A至0～75 A；具有近線性紋波和低噪聲的特點(diǎn)，其紋波低至2.5 mV（均方根），噪聲低至15 mV p-p。

該系列電源冷卻空氣的入口位于前部和側(cè)面，排氣口位于后部和側(cè)面。其風(fēng)扇能根據(jù)環(huán)境空氣的溫度和負(fù)載進(jìn)行變速控制，從而降低噪音并延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命。該系列電源的前面板布局易于操作，用戶可以通過(guò)單獨(dú)的10-轉(zhuǎn)電位器旋鈕設(shè)置電壓和電流參數(shù)；通過(guò)按鈕控制數(shù)種功能，包括電源開(kāi)啟、輸出開(kāi)啟、本地/遠(yuǎn)程連接、電壓/電流預(yù)覽和過(guò)壓保護(hù)預(yù)覽；通過(guò)2個(gè)32?數(shù)字LED 顯示屏查看電壓/電流的設(shè)定值或?qū)嶋H值。

該系列電源具備遠(yuǎn)程控制功能，可通過(guò)符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)LAN/RS-232C/IEEE-488.2 進(jìn)行編程控制，具備標(biāo)準(zhǔn)模擬編程0～5 V，0～10 V 或0～5 kΩ功能。在系統(tǒng)中，Sorensen DLM 600系列程控電源用來(lái)驅(qū)動(dòng)經(jīng)緯儀中的方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)。

多功能I/O 板卡選用NI 公司的USB-6009 多功能I/O 設(shè)備，其外觀如圖3所示。

USB-6009 多功能I/O 設(shè)備，具有8 路AI（14 位，48 kS/s），2 路AO（150 Hz），13 路DIO，是一款高性價(jià)比多功能DAQ 設(shè)備；提供了模擬I/O、數(shù)字I/O 和1個(gè)32 位計(jì)數(shù)器[3]；為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測(cè)量等應(yīng)用提供基本的數(shù)據(jù)采集功能；具有輕便的機(jī)械外殼，采用總線供電，便于攜帶；可以通過(guò)螺栓端子接口，輕松將傳感器和信號(hào)與USB-6009 相連接；隨附的NI-DAQmx 驅(qū)動(dòng)程序和配置實(shí)用程序有助于簡(jiǎn)化配置和測(cè)量。

圖3 USB-6009 多功能I/O 設(shè)備Fig.3 USB-6009 multifunctional I/O device

在系統(tǒng)中，通過(guò)上位機(jī)控制USB-6009的DIO通道，進(jìn)而控制方位角電機(jī)和俯仰角電機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器的通斷，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀中2臺(tái)電機(jī)的分時(shí)激勵(lì)加載。

選用施耐德RXM·A系列的RXM2AB2BD型中間繼電器，其外觀如圖4所示。

圖4 RXM2AB2BD 繼電器Fig.4 RXM2AB2BD relay

繼電器主要功能是斷開(kāi)/閉合電路。當(dāng)電源通過(guò)電路時(shí)，繼電器使用產(chǎn)生磁力的線圈；當(dāng)電流關(guān)閉時(shí)，此力將繼電器保持在NO 位置，繼電器將返回NC位置。該繼電器線圈電壓為24 V 直流，線圈功率900 mW，線圈電阻650 Ω，觸點(diǎn)配置為雙刀雙擲，切換電流12 A。該繼電器通過(guò)插座安裝在機(jī)箱的導(dǎo)軌上，繼電器作為中間設(shè)備控制施加在直流力矩電機(jī)上的直流電源的功率信號(hào)的通斷。

2.2 開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集部分

開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集部分硬件系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀在特定激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下同步采集其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括角度、速度、加速度等狀態(tài)數(shù)據(jù)。

經(jīng)緯儀內(nèi)部安裝有編碼器用于采集經(jīng)緯儀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所用編碼器為德國(guó)海德漢Heidenhain 公司RCN8310型絕對(duì)式光電編碼器。該編碼器具有體積小、精度高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；采用內(nèi)置定子聯(lián)軸節(jié)，故在軸作角加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅接受由于軸承摩擦引起的扭矩，因而具有較高的動(dòng)態(tài)特性。

RCN8310 絕對(duì)式光學(xué)編碼器的技術(shù)指標(biāo)如下：

增量信號(hào)為～1 Vpp；刻線數(shù)為32768；

極限頻率≥180 kHz；

絕對(duì)位置值每轉(zhuǎn)為536870912（29 Bits）；

測(cè)量步距為0.0001°；

系統(tǒng)精度為±2″（分辨率為0.0024″）；

固有頻率≥900 Hz；

機(jī)械允許轉(zhuǎn)數(shù)為（最大）1000 r/min；

絕對(duì)位置的電氣允許轉(zhuǎn)數(shù)為300 r/min；

在55～2000 Hz 振動(dòng)頻率條件下，最大振動(dòng)加速度≤100 m/s2；在6 ms時(shí)間的沖擊條件下，最大沖擊加速度≤1000 m/s2。

該編碼器采用EnDat 接口，為雙向接口，能夠在輸出絕對(duì)位置的同時(shí)，獲取或更新存儲(chǔ)在編碼器中的數(shù)據(jù)；采用串行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸內(nèi)容用從后續(xù)電子設(shè)備送至編碼器的模式指令選定。

編碼器的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)理板后經(jīng)由RS-422 總線從航空插座輸出至外部設(shè)備。在此直接從編碼器數(shù)據(jù)航空插座引出RS-422 總線，轉(zhuǎn)換為USB 總線接口后連接至上位機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Lab-VIEW是測(cè)控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的軟件開(kāi)發(fā)工具，使用圖形化編程語(yǔ)言（G 語(yǔ)言）進(jìn)行編程，具有開(kāi)發(fā)效率高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]，能夠快速地開(kāi)發(fā)出測(cè)試軟件原型。

為實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確采集，需確保激勵(lì)信號(hào)加載與運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集同步進(jìn)行。軟件中通過(guò)程序框圖，利用LabVIEW 中的順序結(jié)構(gòu)、同步隊(duì)列等程序結(jié)構(gòu)和函數(shù)實(shí)現(xiàn)所需的控制邏輯[5]。軟件運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 軟件運(yùn)行流程Fig.5 Software operation flow chart

LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了眾多不同樣式的控件，用戶可以根據(jù)自己的軟件界面風(fēng)格選擇所需的控件[6]。在LabVIEW 中調(diào)用控件和VI，并編制相應(yīng)的前面板軟件界面和程序框圖控制程序，形成完整的測(cè)試控制軟件。其中，控制環(huán)節(jié)主要通過(guò)DAQmx數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)多功能I/O 卡USB-6009的控制，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)通過(guò)VISA 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)RS-422 總線數(shù)據(jù)的采集。軟件界面如圖6所示。

圖6 測(cè)控軟件主界面Fig.6 Main interface of measurement and control software

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)測(cè)試。測(cè)試前，先開(kāi)啟直流電源并且運(yùn)行經(jīng)緯儀測(cè)控軟件，然后通過(guò)軟件控制多功能I/O 設(shè)備，輸出數(shù)字信號(hào)導(dǎo)通方位角或俯仰角電機(jī)，控制繼電器驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)軟件開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集線程，采集經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)臺(tái)的編碼器數(shù)據(jù)調(diào)理板輸出信息，包括經(jīng)緯儀角度、速度、加速度等。

經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集完整準(zhǔn)確。調(diào)節(jié)直流電源電壓，使經(jīng)緯儀以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采集其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、電機(jī)電壓和電流，為后續(xù)經(jīng)緯儀仿真建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。施加33 V 電壓時(shí)，經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集數(shù)據(jù)Fig.7 Curve of theodolite motion data

由圖可見(jiàn)，在直流電壓信號(hào)作用下，經(jīng)緯儀從靜止?fàn)顟B(tài)逐漸加速，當(dāng)加速至83 r/min時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；直流電源電壓信號(hào)始終保持33 V 穩(wěn)定值；電機(jī)電流值在電機(jī)啟動(dòng)階段的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)處于上升趨勢(shì)，峰值電流達(dá)到4.6 A，其后隨著轉(zhuǎn)速的上升電流值逐漸下降。在轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流也趨于穩(wěn)定，為0.9 A。

5 結(jié)語(yǔ)

利用由直流電源、多功能I/O 設(shè)備USB-6009、繼電器以及RS-422 總線通訊設(shè)備組成的硬件平臺(tái)，結(jié)合基于LabVIEW 平臺(tái)開(kāi)發(fā)的測(cè)控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀運(yùn)動(dòng)參數(shù)的同步、準(zhǔn)確采集，為后續(xù)經(jīng)緯儀的精確建模提供樣本數(shù)據(jù)，同時(shí)也為類似機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集提供了可供參考的技術(shù)途徑。