发射车自动调平控制系统设计与实现

牛远征，张亚莉，刘宜罡，傅子锐，曹建锋

（上海机电工程研究所，上海 201109）

调平控制系统负责导弹发射车的调平控制，能够快速提供稳定的工程支撑和水平基准，是导弹发射车进行稳定发射的前提和基础。根据驱动支腿的动力不同，驱动系统一般可分为液压式驱动和机电式驱动。以往车辆调平大多采用液压式调平，相比较而言，液压式驱动具有功率大、结构简单等优点，但是也存在能量损失大、对温度变化较为敏感、电液易泄露、维修保养麻烦等缺点，主要用于负载比较大且不便于使用机电式的场合[1-3]。对于调平控制算法，有三点调平、固定轴翻转、误差控制等多种算法。但是这些算法控制模型比较复杂，解耦过程中含有离散化计算等，在实际调平过程中，没有对是否触地做出一个准确判断，而且在调平结束后，容易产生“虚地”现象，这对追求高效性、稳定性的军工设备而言，不足以满足部队的作战需求[4]。因此，设计一种基于机电式的自动调平系统就显得尤为重要。

1 系统硬件架构设计

调平控制系统的硬件主要由全数字伺服驱动单元、控制盒、水平仪、电缆网等组成。全数字伺服驱动单元通过接收控制指令，完成对支腿的伸长和收缩。除此以外，还可以将电机状态信息通过CAN 网反馈给上位机。如：故障、转速信息等。该系统所采用的全数字驱动单元，具有响应速度快、精度高、后期维护保养方便等一系列优点。全数字伺服驱动单元主要包括4 个设备（驱动器、电机、制动电阻、电动缸）[5]。与其他设备的硬件连接关系如图1 所示。

图1 调平控制系统硬件连接图

控制盒主要由主控板、接口板、操作面板及机箱等组成。主要功能是基于ARM 平台，通过CAN 总线实现传感器信号采集和电机控制。不仅能够通过接收上位机的信号进行全自动调平/撤收，而且可以接收车控盒操作面板的信号，进行手动单支腿控制或模式切换等[6]。其硬件实物图如图2 所示。

图2 硬件实物图

驱动器通过接收车控盒的控制指令，实现对电机转速的控制。还可以实时对电机运行状态进行检测，并将检测结果反馈给车控盒。支腿电动缸用来支撑车体负载，通过电动缸伸缩调整车辆姿态，并在调平完成后保持姿态稳定。制动电阻用来在电机减速时，释放电机产生的过电压[7]。水平仪采用双轴水平传感器，测量角度在+/-5°以内，精度为0.001。主要用来测量发射车两个垂直方向上的倾斜度信息，为发射车的自动调平功能提供数据支撑。电缆网则用于实现各个设备间的电气连接、CAN 网通讯等。

驱动器上电后，默认状态下为速度模式。通过接收车控盒的速度命令，驱动电机使电动缸转动，然后使支腿伸长/收缩。整车支撑结构上采用四点支承（左前、右前、左后、右后，面对车尾），左前电支腿动缸独立构成左前支承点，右前支腿电动缸独立构成右前支承点，左后支腿电动缸构成左后支承点，右后支腿电动缸构成右后支承点[8]。整车支撑结构的示意图如图3 所示。

图3 平台支撑的示意图

2 系统软件架构设计

调平控制软件运行在车控盒的主控板上，通过接收上位机或本地面板传来的控制指令，信息处理后转换为电机驱动命令，控制电动缸完成伸长/收缩功能、模式切换功能等。调平控制软件通过CAN、I/O口完成信息的传递，与各个设备的信息传递方式如图4 所示。

图4 调平系统信息传递方式

根据调平系统实现的功能可把整个软件划分为6 大主要功能模块：初始化模块、工作模式切换模块、I/O 模块、CAN 通信模块、控制模块和故障处理模块。

3 软件模块化实现

3.1 初始化模块

车控盒在上电或重启之后，软件主程序首先进入初始化模块，软件的初始化包括以下内容：初始化中断向量表、初始化存储器系统、初始化堆栈、初始化有特殊需求的端口和设备、初始化应用程序的运行环境等。由于该调平控制系统使用了I/O 口、CAN通讯等功能，因此，在软件初始化模块对I/O、CAN 等一系列寄存器参数进行配置。

3.2 工作模式切换模块

调平控制系统有两种工作模式，分为自动、本控模式。调平控制软件在上电初始化后，工作模式默认为自动状态，工作模式可通过车控盒前面板功能按键切换。在自动模式下，车控盒接收上位机的控制指令以及状态查询指令，具体指令内容包括一键撤收/调平、故障查询等。车控盒接收到上位机指令以后，根据双方协议内容，进行解析并反馈。在本控模式下，调平控制系统不响应上位机的任何指令，只通过车控盒前面板功能按键控制调平系统，进行单腿“伸长/收缩”，“停止”等操作。

3.3 I/O模块

I/O 模块在调平控制软件初始化完成后，开始周期性采集车控盒面板按键以及其他I/O 口输入的信号量。涉及到的功能如下：同步伸腿、左前伸长/收缩、左前上/下限位、故障报警等。调平控制软件也可控制I/O 输出的信号量，涉及到的功能如下：本控/自动指示灯、故障指示灯、粗调指示灯、细调指示灯等。

检测到“本控”按键按下时，本控指示灯亮起，同时打开驱动器使能。检测“停止”、“急停”键，一旦有效，则关断使能，同时故障指示灯亮。检测到“同步伸长/收缩”信号，若限位无效，则给驱动器发送“伸长/收缩”指令，驱动电机使电动缸以1 500 rmp 的速度同时伸长/收缩。检测到“左前伸/收”信号，若限位无效，则给驱动器发送“伸长/收缩”指令，驱动电机使电动缸以1 500 rmp 的速度同时伸长/收缩。左后伸/收、右前伸/收、右后伸/收同上。

检测到“一键调平”信号，调平控制系统软件通过接收水平仪发送的车体倾斜度信息，通过调平控制算法控制驱动器对车体进行自动调平。首先，驱动电机使电动缸以1 500 rmp 的速度同时伸长。当检测到4 条支腿触地，则开始进行粗调，同时粗调指示灯亮起。驱动器开始驱动电机使电动缸以500 rmp的速度伸长。当水平仪倾斜度数值达到某一精度后，调平系统开始进行细调。此时电动机转速变为100 rmp，同时细调指示灯亮起。检测到“一键撤收”信号，则控制驱动电机使电动缸以1 500 rmp 的速度收缩，同时撤收指示灯亮起，根据预先设置好的上限位阈值，来判断电动缸是否接近上限位，若超过阈值，则停止收缩。根据实际情况，上限位阈值与上限位开关之间留有一定的余量。

3.4 自动调平控制模块

车控盒上电自检以后，将驱动系统状态上传给上位机。当检测到“一键调平”信号后，开始对战车进行调平。在调平过程中，调平控制系统软件给出控制指令，通过电机驱动器控制电机转速，电机旋转带动各支腿电动缸进行伸缩运动。发射车的调平控制方式采用速度、转矩控制模式，调平系统控制流程如图5 所示。

图5 调平系统控制流程

发射车调平控制系统有4 个调平支腿输入及两个水平传感器输出，构成了四输入两输出的多输入多输出系统。而且每一条支腿的变动，都会影响整个平台的倾斜度，因此，还是一个强耦合的系统[9-11]。因此，以往其他平台调平，大多采用三点调平、固定轴翻转、误差控制等多种算法。以位置误差调平算法为例，该方法根据水平传感器发送的发射车倾斜度数据，某条支腿不动，通过计算其他支腿与它的高度差，然后运用驱动器的位置控制，上升其他较低支腿，最终达到同一高度。

但是这种方法控制模型比较复杂，解耦算法中含有离散化计算等，计算机实时计算量大，且来回收缩极易造成调平误差，存在一定的局限性[12]。因此，该系统设计并改进了一种“角速度误差控制”的调平算法。整个调平算法控制流程如图6 所示。

由图6 可知，整个调平控制流程主要分为3 个阶段，触地检测阶段、粗调阶段、细调阶段。需注意的是，在切换驱动器模式时，为了避免发生脱缸现象，需要对驱动器发送关使能命令，再进行切换。

图6 调平算法控制流程

在触地阶段，驱动器控制电机以1 500 rmp 速度转动使支腿伸长。由于电机负载的增大会造成驱动器检测的电机电流值的增大，因此，通过软件周期性检测各个驱动器反馈电流值的大小，来判断是否触地。根据调试时的实际情况，由于按下“一键调平”按键的瞬间，需要克服电机启动瞬间的惯性，因此，驱动器驱动器检测并反馈的电机电流值，会产生一个瞬时电流峰值。因此，为了保证触地的准确度，降低虚腿的风险，该设计采用双门限评判法，来判断是否触地。设第一门限值为e1，第二门限值为e2。当驱动器某一电流值大于e1时，可认为初次触地，继续监测驱动器反馈电流值，若某个时间点，不间断累加某一电流值大于e1的次数大于e2时，则认为第一阶段触地结束。触地阶段的判断流程图如图7 所示。

图7 触地阶段判断流程

在第二阶段为粗调阶段，此时驱动器控制电机的速度为500 rmp，根据实际调试情况，可设置粗调阶段调平精度的阀值为0.15°。先判断最高点，最高点的判断方法利用水平仪的符号位进行判断[13-15]。假设支腿A 为最高点，则根据水平仪数据，先进行X轴的调节，同时上升支腿C、D，直到X方向的水平仪数据小于精度0.15°后停止。然后，进行Y轴的调节，调节支腿B、C，直到Y方向的水平仪数据小于精度0.15°停止。此时再对X轴方向的水平仪数据进行精度判断，如果不满足，则重复这个步骤，利用多次循环逼近误差，直到X、Y方向值都在精度内，则可以认为发射车粗调结束。其他支腿为最高点时，步骤类似[16-18]。粗调阶段控制流程图如图8 所示。

图8 粗调阶段控制流程

在第三阶段为细调阶段，此时驱动器控制电机的速度为100 rmp，根据设计输入指标要求，设置细调阶段调平精度的阀值为0.05°。细调阶段的控制流程与粗调阶段类似，先判断最高点，假设支腿A 仍为最高点，则根据水平仪数据，先进行X轴的调节，同时上升支腿C、D，直到X方向的水平仪数据小于精度0.05°停止。然后，进行Y轴的调节，调节支腿B、C，直到Y方向的水平仪数据小于精度0.05°停止。此时再对X轴方向的水平仪数据进行精度判断，如果不满足，则重复这个步骤，利用多次循环逼近误差，直到X、Y方向值都在精度内，则可以认为发射车细调结束。其他支腿为最高点时，步骤类似。

在细调结束后，还需对支腿进行转矩检测，避免存在某一支腿虚腿的现象。此时对驱动器发送关使能指令，并将驱动器的速度模式切换为力矩模式，开使能后，根据重心位置以及实际各个支腿所负载情况，车控盒对各个驱动器发送力矩控制指令。发送以后，若水平仪数值还在调平精度0.05°以内，则认为已经调平，且4 条支腿已经踏实。否则将驱动器切换回速度模式，重复发射车调平控制流程。

3.5 CAN通信模块

调平控制系统基于CAN 总线进行通信，使调平单元融入到整个车载网络系统，适合现阶段发射车信息集中控制发展的需要。在CAN 通信中，使用某个固定波特率的情况下，总线的通信流量是一个固定值。当CAN 总线上设备数量过多时，总线的通信就有可能出现拥堵现象。极端条件下，有可能造成错误帧的出现。因此，为了避免这种现象的发生，该调平控制系统设计CANA、CANB 两路CAN 总线。CAN 通信模块的节点网络示意图如图9 所示。

图9 CAN通信模块的节点网络示意图

车控盒与上位机之间通过CANA 进行通信。在CANA 网上，上位机的ID 为0x0D，调平系统的ID 为0x20。通信速率设置为500 kbps。车控盒开机自检完成后，以100 ms 周期接收/发送报文。

车控盒与水平仪、驱动器之间通过CANB 网进行通信，由于4 个驱动器在同一路CAN 网上，因此分别给每个驱动器设置不同的ID，同时设置相对应车控盒的邮箱ID，邮箱与驱动器之间一一对应，在CANB 通信模块，各个设备ID 与车控盒对应的邮箱ID 如表1 所示。

表1 CANB模块各设备ID

车控盒与水平仪、各个驱动器间的通信速率设置为500 kbps，车控盒开机自检初始化完成后，以100 ms 周期接收/发送报文。

车控盒软件初始化完成后，开始发送水平仪启动命令报文。在收到水平仪心跳报文后，停止发送启动命令报文。当检测到车控盒前面板功能按键按下时，根据驱动器与车控盒之间的通信协议，开始周期性往CANB 网上发送相应控制报文。当车控盒接收到水平仪、驱动器发送的报文时，开始对报文数据进行解析，解析完成后根据车控盒与上位机之间的通信协议，将当前车体倾斜度、驱动器状态等通过CANA 网反馈给上位机。

3.6 故障处理模块

在软件的主线程中，周期性检测限位开关，若限位开关有效，则将故障指示灯点亮，同时立即关断使能；周期性检测驱动器回告的故障码报文，若检测到报文中含有故障码时，则将故障指示灯点亮，立即关断使能，并将故障代码回告给上位机；若检测到与水平仪通信中断，则将故障指示灯点亮，并将故障回告给上位机。所有的故障均可在液晶显示屏上显示。

4 实验验证

实验验证利用实物平台进行。调平前，打开CANTest 软件检测并记录CAN 网上水平仪数值。为了在不同刚性平台、不同负载情况下，基于机电式调平算法控制流程的正确性、通用性，实验在A 车、B 车两种不同型号的发射车上进行。其中，A 车整车包络尺寸8 500 mm×2 300 mm×3 210 mm（长×宽×高），整车战斗全重约为16吨。B车整车包络尺寸11 000 mm×3 000 mm×4 500 mm（长×宽×高），整车战斗全重约为24 吨。对A 车设置原始车体倾斜度，开始进行“一键调平”。车体倾斜度变化示意图如10 所示。

图10 A车倾斜度变化示意图

调平结束后，调平精度示意图如图11 所示。

图11 A车调平结束后精度示意图

由图10 可知，最开始为触地阶段，此时X、Y数值不发生变化，在支腿触地结束以后，开始进入粗调阶段。X、Y初始值都大于0，此时最高点在左前支腿，然后开始升左后、右后两条支腿对X方向进行调平。调平的过程中Y的符号位发生变化，相应的最高点也随之发生变化，此时开始重新判断最高点，对X方向进行调平。X数值小于0.2°以后，开始对Y方向进行调平。重复此步骤，直到X、Y数值都小于0.2°以后，调平进入细调阶段开始微调，此时X、Y数值进行微小震荡。当判断X、Y数值都小于0.05°以后，初次调平结束。驱动器开始切换转矩模式，以排除“虚腿”现象，发送转矩控制指令的过程中，水平仪数值发生微小变化。由图11 可知，驱动器转矩指令执行到位以后，可以判断出调平精度仍然在0.05°以内，即一键调平结束。

在B 车设置原始车体倾斜度，开始进行一键调平。车体倾斜度变化示意图如12 所示。

图12 B车倾斜度变化示意图

初次调平结束后，驱动器切换为转矩模式，车控盒发送转矩控制指令后，车体倾斜度变化曲线如图13 所示。

图13 B车倾斜度变化曲线图

调平结束后，精度示意图如图14 所示。

图14 B车调平结束后精度示意图

由图12 可知，最开始为触地阶段，此时X、Y数值不发生变化，在支腿触地结束以后，开始进入粗调阶段。由于受到车体刚性的影响，在支腿上升的过程中，车体抖动幅度较大，水平仪的角度值波动较为明显。触地后，先判断最高点X、Y初始值都大于0，此时最高点在左前支腿，然后开始升左后、右后两条支腿对X方向进行调平。在X方向进入0.2°以后，开始对Y方向进行调平。重复这个步骤，当判断X、Y数值都小于0.05°以后，初次调平结束，驱动器开始切换转矩模式，以排除“虚腿”现象。由图13 可知，车控盒发送转矩控制指令的过程中，水平仪数值发生震荡。当驱动器转矩指令执行到位以后，两次检测到水平仪数值不满足精度要求，因此，驱动器开始切换速度模式，重复粗调阶段、细调阶段，当判断X、Y数值都小于0.05°以后，再次切换转矩模式，直到满足精度要求为止。由图14 可知，经两次转矩模式切换，最终调平的精度在0.05°以内，满足精度要求。

5 结束语

该自动调平系统基于机电式驱动进行设计，经过现场调试运行，该系统调平的时间小于1 min，调平精度在3′以内，满足作战性能指标要求。由于系统在检测到4 条支腿都初步触地后，采用双门限评判法，并在调平后用驱动器力矩模式进行受力检测，很好的避免了某条支腿“虚地”现象。该机电式自动调平系统反应灵敏、调平精度高、后期维护保养方便，能适应各种极端环境，不仅可用于发射车调平，而且对其他需要调平的系统和装置也有应用价值，具有通用性。