基于LabVIEW的经纬仪运动参数采集系统设计

2021-03-02贾文武

自动化与仪表 2021年2期

张佳，贾文武

（1.西安航空学院电子工程学院，西安710077；2.中国华阴兵器试验中心，华阴714200）

经纬仪是一种高精度的光学测量仪器，一般用于跟踪导弹和飞行器的弹道。为了敏捷且精确地探测和跟踪目标，通常在经纬仪上安装光电跟踪和瞄准设备。经纬仪作为现代射击场最基本的光电测量仪器，广泛用于军事科学研究领域，如航空航天和武器试验等。由于经纬仪更换负载后，伺服系统各控制参数都要重新整定，而伺服系统的整定需要反复调试，不仅耗费大量的时间和精力，而且占用经纬仪的使用时间，造成基于经纬仪的各项任务进度延误。

为解决伺服控制系统参数整定繁琐的问题，可以通过建立经纬仪伺服控制系统计算机模型的方法，将伺服系统参数整定的工作从实物转移到计算机模型上来。其优势在于，一方面在计算机模型上进行参数整定而不占用经纬仪的使用时间，另一方面利用计算机的运算能力来提高参数整定的效率。

在此，以某型经纬仪转台在负载变化时存在失稳现象为研究背景，以建立经纬仪伺服控制系统的计算机模型为目标，讨论通过多种手段采集经纬仪运动参数，从而为最终建立经纬仪伺服控制系统的计算机模型并实现在计算机模型上进行参数整定奠定基础。

1 系统总体概述

经纬仪的伺服控制系统用于驱动经纬仪本体及安装于经纬仪上的可见光、红外相机和光学镜头等负载的运动。伺服控制系统的精度和性能直接决定了经纬仪的跟踪和探测技术指标，因此经纬仪的伺服控制系统是其关键组成部件之一。

通常，伺服控制系统通过控制器驱动经纬仪运动，经由编码器反馈的位置、速度信息调整经纬仪的运动状态，构成闭环反馈控制，从而实现实时高精度的跟踪和探测。由此可知，为了保证经纬仪达到最佳工作状态，必须将伺服控制系统的各项闭环反馈控制参数整定至最优。通过建立经纬仪伺服控制系统计算机模型能够更加便捷的对其进行参数整定。

目前，工程应用中针对已有系统的建模方法主要是“灰箱建模”法。灰箱建模法是一种有效的工程系统建模法，它将机理建模法又称“白箱建模”，与实验建模法又称“黑箱建模”相结合，互为补充。大部分工程应用系统都属于“灰箱”问题，通常情况下是对系统的结构有很多了解，因此可以推导出系统特定的数学模型[1]。对此，只要定阶和确定模型中的参数就可以确定系统模型，使建模问题简化为参数估计问题。有效的参数辨识策略有两个方面：尽可能多地掌握系统的先验知识，即尽可能地使系统“白化”；对依然“黑”的部分，对理论建模法不能确定的部分和参数，采用系统辨识方法。

在经纬仪伺服控制系统中，由于经纬仪平台的驱动电机内部电磁耦合和机械结构引起的摩擦力等存在非线性关系，使用机理建模法得到的数学模型无法保证模型精度，因此需要采用实验建模法来获取非线性因素的数学模型。故在此设计了经纬仪运动参数采集系统。

经纬仪运动参数采集系统包括直流电源、开环控制机箱、数据采集卡、串行通讯模块等。系统的工作原理如下：通过向经纬仪施加特定的激励信号，采集经纬仪在该激励信号驱动下的运动状态曲线，从而探索出经纬仪伺服控制系统非线性环节输入输出之间的传递函数，为建立精确的经纬仪伺服控制系统数学模型提供支持。

2 硬件设计

经纬仪内部集成了其专用的伺服控制系统，用于实现其运动状态的控制，如跟踪、定位等。该伺服系统采用闭环反馈控制，因此经纬仪在运动过程中的摩擦、阻尼等非线性因素经由闭环反馈控制后都将被消除。但是，要建立经纬仪的计算机模型必须掌握经纬仪自身的摩擦、阻尼等特性参数，而这些参数只有通过开环运动才能得到，因此经纬仪运动参数采集系统的硬件部分设计主要实现对经纬仪加载开环激励信号，并同步采集其在开环激励信号作用下的运动参数。

根据经纬仪开环参数采集的需求，硬件设计可以分为两部分，一部分实现激励信号的加载，另一部分实现开环运动参数采集。经纬仪内部的机电驱动机构是直流力矩电机，直流力矩电机为系统的执行元件。经纬仪内部安装有2台直流力矩电机，分别为方位角电机和俯仰角电机。其中，方位角电机型号为J400LYX06WZ，电枢电阻4.71 Ω，电枢电感8.35 mH；俯仰角电机型号为J160LYX07A，电枢电阻5.1 Ω，电枢电感15.43 mH。探测装置和平台框架为惯性负载加在电机的轴系上。

将经纬仪与伺服控制系统断开后，使用外部电源直接为经纬仪的直流力矩电机施加直流驱动电压可以实现其开环运行。为避免经纬仪的2台电机同时运行产生耦合干扰，通过多功能I/O 板卡控制两路继电器，实现方位角电机和俯仰角电机的通断控制[2]，确保在进行开环运行测试时同一时刻仅有一台电机处于运行状态，从而保证经纬仪运动数据采集的精度与可靠性。

2.1 激励信号加载部分

激励信号加载部分硬件结构设计原理如图1所示。

图1 激励信号加载硬件原理Fig.1 Hardware schematic diagram of excitation signal loading

直流电源选用AMETEK 公司的Sorensen DLM 600系列程控电源，其外观如图2所示。

图2 Sorensen DLM 600系列程控电源Fig.2 Sorensen DLM 600 series programmablepower supply

Sorensen DLM 600系列程控电源设计紧凑，能在较小（1U 高、半机架宽）的机箱内为各种应用提供连续可变的输出电压及电流。该系列电源使用零电压开关ZVS 技术实现极低的纹波和噪声；具有高效率和快速负载瞬态响应特点，其输出功率为600 W，输出电压范围为DC 0～5 V至DC 0～300 V，输出电流范围为0～2 A至0～75 A；具有近线性纹波和低噪声的特点，其纹波低至2.5 mV（均方根），噪声低至15 mV p-p。

该系列电源冷却空气的入口位于前部和侧面，排气口位于后部和侧面。其风扇能根据环境空气的温度和负载进行变速控制，从而降低噪音并延长风扇寿命。该系列电源的前面板布局易于操作，用户可以通过单独的10-转电位器旋钮设置电压和电流参数；通过按钮控制数种功能，包括电源开启、输出开启、本地/远程连接、电压/电流预览和过压保护预览；通过2个32⅟数字LED 显示屏查看电压/电流的设定值或实际值。

该系列电源具备远程控制功能，可通过符合LXI标准的以太网LAN/RS-232C/IEEE-488.2 进行编程控制，具备标准模拟编程0～5 V，0～10 V 或0～5 kΩ功能。在系统中，Sorensen DLM 600系列程控电源用来驱动经纬仪中的方位角电机和俯仰角电机。

多功能I/O 板卡选用NI 公司的USB-6009 多功能I/O 设备，其外观如图3所示。

USB-6009 多功能I/O 设备，具有8 路AI（14 位，48 kS/s），2 路AO（150 Hz），13 路DIO，是一款高性价比多功能DAQ 设备；提供了模拟I/O、数字I/O 和1个32 位计数器[3]；为简单的数据记录、便携式测量等应用提供基本的数据采集功能；具有轻便的机械外壳，采用总线供电，便于携带；可以通过螺栓端子接口，轻松将传感器和信号与USB-6009 相连接；随附的NI-DAQmx 驱动程序和配置实用程序有助于简化配置和测量。

图3 USB-6009 多功能I/O 设备Fig.3 USB-6009 multifunctional I/O device

在系统中，通过上位机控制USB-6009的DIO通道，进而控制方位角电机和俯仰角电机驱动继电器的通断，最终实现对经纬仪中2台电机的分时激励加载。

选用施耐德RXM·A系列的RXM2AB2BD型中间继电器，其外观如图4所示。

图4 RXM2AB2BD 继电器Fig.4 RXM2AB2BD relay

继电器主要功能是断开/闭合电路。当电源通过电路时，继电器使用产生磁力的线圈；当电流关闭时，此力将继电器保持在NO 位置，继电器将返回NC位置。该继电器线圈电压为24 V 直流，线圈功率900 mW，线圈电阻650 Ω，触点配置为双刀双掷，切换电流12 A。该继电器通过插座安装在机箱的导轨上，继电器作为中间设备控制施加在直流力矩电机上的直流电源的功率信号的通断。

2.2 开环运动参数采集部分

开环运动参数采集部分硬件系统，主要实现经纬仪在特定激励信号驱动下同步采集其运动状态，包括角度、速度、加速度等状态数据。

经纬仪内部安装有编码器用于采集经纬仪的运动状态。所用编码器为德国海德汉Heidenhain 公司RCN8310型绝对式光电编码器。该编码器具有体积小、精度高、可靠性高的优点；采用内置定子联轴节，故在轴作角加速度运动时，仅接受由于轴承摩擦引起的扭矩，因而具有较高的动态特性。

RCN8310 绝对式光学编码器的技术指标如下：

增量信号为～1 Vpp；刻线数为32768；

极限频率≥180 kHz；

绝对位置值每转为536870912（29 Bits）；

测量步距为0.0001°；

系统精度为±2″（分辨率为0.0024″）；

固有频率≥900 Hz；

机械允许转数为（最大）1000 r/min；

绝对位置的电气允许转数为300 r/min；

在55～2000 Hz 振动频率条件下，最大振动加速度≤100 m/s2；在6 ms时间的冲击条件下，最大冲击加速度≤1000 m/s2。

该编码器采用EnDat 接口，为双向接口，能够在输出绝对位置的同时，获取或更新存储在编码器中的数据；采用串行数据传输，传输内容用从后续电子设备送至编码器的模式指令选定。

编码器的数据经数据调理板后经由RS-422 总线从航空插座输出至外部设备。在此直接从编码器数据航空插座引出RS-422 总线，转换为USB 总线接口后连接至上位机。

3 软件设计

软件设计采用LabVIEW 软件开发平台，Lab-VIEW是测控领域广泛应用的软件开发工具，使用图形化编程语言（G 语言）进行编程，具有开发效率高、维护成本低等优点[4]，能够快速地开发出测试软件原型。

为实现经纬仪运动参数的准确采集，需确保激励信号加载与运动参数采集同步进行。软件中通过程序框图，利用LabVIEW 中的顺序结构、同步队列等程序结构和函数实现所需的控制逻辑[5]。软件运行流程如图5所示。

图5 软件运行流程Fig.5 Software operation flow chart

LabVIEW 开发平台提供了众多不同样式的控件，用户可以根据自己的软件界面风格选择所需的控件[6]。在LabVIEW 中调用控件和VI，并编制相应的前面板软件界面和程序框图控制程序，形成完整的测试控制软件。其中，控制环节主要通过DAQmx数据采集驱动程序，实现对多功能I/O 卡USB-6009的控制，运动状态数据采集环节通过VISA 驱动程序实现RS-422 总线数据的采集。软件界面如图6所示。

图6 测控软件主界面Fig.6 Main interface of measurement and control software

4 系统测试

系统搭建完成后，进行软硬件联调测试。测试前，先开启直流电源并且运行经纬仪测控软件，然后通过软件控制多功能I/O 设备，输出数字信号导通方位角或俯仰角电机，控制继电器驱动直流力矩电机运动，同时软件开启运动数据采集线程，采集经纬仪转台的编码器数据调理板输出信息，包括经纬仪角度、速度、加速度等。

经过对系统进行测试评估，经纬仪运动参数采集系统运行稳定、数据采集完整准确。调节直流电源电压，使经纬仪以不同的转速运动，同时采集其运动状态、电机电压和电流，为后续经纬仪仿真建模提供数据基础。施加33 V 电压时，经纬仪运动参数采集数据如图7所示。

图7 经纬仪运动参数采集数据Fig.7 Curve of theodolite motion data

由图可见，在直流电压信号作用下，经纬仪从静止状态逐渐加速，当加速至83 r/min时转速进入稳定状态；直流电源电压信号始终保持33 V 稳定值；电机电流值在电机启动阶段的一个时间段内处于上升趋势，峰值电流达到4.6 A，其后随着转速的上升电流值逐渐下降。在转速达到稳定状态后，电流也趋于稳定，为0.9 A。