作者：吳琳，崔洪亮，信東，劉麗英

引言

眾所周知，激光制導(dǎo)武器是以敏感到的特定激光信號(hào)為制導(dǎo)信息。在激光制導(dǎo)武器的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，目標(biāo)仿真和制導(dǎo)仿真具有同等重要的地位。這是因?yàn)榧す饽繕?biāo)模擬的準(zhǔn)確性影響到系統(tǒng)的整體仿真精度和可靠性，甚至可以說(shuō)目標(biāo)仿真系統(tǒng)的研制水平?jīng)Q定仿真大系統(tǒng)水平。因此，目標(biāo)仿真是提高半實(shí)物仿真系統(tǒng)整體精度的關(guān)鍵，“如何逼真地模擬激光目標(biāo)”就成為仿真中重要的問(wèn)題。

目標(biāo)仿真系統(tǒng)研究的是能夠?qū)崟r(shí)精確的模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中導(dǎo)引頭入瞳處接收到的各種目標(biāo)反射編碼激光的光學(xué)特性。具體來(lái)說(shuō)就是在計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制器的控制下實(shí)時(shí)控制激光能量和光斑大小的變化，并以此來(lái)模擬激光航彈導(dǎo)引頭入瞳處的激光目標(biāo)特性、能量變化特性和光斑大小變化特性。這種精確的模擬要求對(duì)目標(biāo)的位置信息和速度信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理。之前基于步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的程控一體化激光器不能很好的滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，因此，筆者設(shè)計(jì)了基于伺服電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在控制激光光斑大小和能量的實(shí)時(shí)變化方面較前一系統(tǒng)有了較大改進(jìn)。

運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

對(duì)激光光斑的大小和能量的實(shí)時(shí)性控制，具體體現(xiàn)就是對(duì)程控一體化激光器中的可變衰減系統(tǒng)和可控?cái)U(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，這是目標(biāo)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們以某型激光制導(dǎo)武器為背景進(jìn)行了數(shù)字仿真，得到一組典型的數(shù)字仿真能量衰減（對(duì)應(yīng)的為電機(jī)控制步數(shù)數(shù)據(jù)）曲線如圖1~2所示。

由上述數(shù)據(jù)和圖形可見(jiàn)，在初始投彈和飛行的大部分時(shí)間里，能量和光斑變化較緩慢，而在接近目標(biāo)時(shí)發(fā)生了劇烈的變化。這說(shuō)明當(dāng)炸彈接近目標(biāo)時(shí)激光能量和導(dǎo)引頭所見(jiàn)光斑大小隨時(shí)間的變化并不是一個(gè)線性關(guān)系。鑒于此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)既充分考慮光斑大小和能量的實(shí)時(shí)跟蹤范圍，又考慮了工程上實(shí)現(xiàn)的可能性，選用了TSA50標(biāo)準(zhǔn)型高速電控平移臺(tái)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)則選用中空力矩電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)棱鏡來(lái)直接實(shí)現(xiàn)。特別的，本系統(tǒng)將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平移臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)均改為由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主要考慮的是伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間短，速度高，在極短的時(shí)間內(nèi)能夠帶動(dòng)激光器內(nèi)安裝的平移棱鏡和旋轉(zhuǎn)棱鏡做高速運(yùn)動(dòng)，來(lái)模擬導(dǎo)引頭近距離敏感到的光斑的大小和能量，從而能夠滿足對(duì)光斑實(shí)時(shí)變化的要求。由高速平移臺(tái)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)擴(kuò)束系統(tǒng)的目鏡和格蘭—付克棱鏡的檢偏鏡，使得能量和光斑變化在彈目距離》300m時(shí)能完全滿足實(shí)時(shí)性控制要求。而在剩余時(shí)間內(nèi)，由電機(jī)做全速運(yùn)動(dòng)來(lái)近似逼近末段的陡峭變化。

基于以上的目標(biāo)和對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制功能的設(shè)計(jì)，采用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片是一種較好的選擇。專用控制芯片通過(guò)PCI 總線與PC 機(jī)的CPU 通訊，接收PC 機(jī)的控制指令，由內(nèi)部的邏輯電路進(jìn)行運(yùn)算和脈沖發(fā)送，同時(shí)檢測(cè)一些開(kāi)關(guān)量信號(hào)（如限位信號(hào)）的狀態(tài)并向PC 機(jī)報(bào)告，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的功能。在這種方案中，所有的運(yùn)動(dòng)控制細(xì)節(jié)都由運(yùn)動(dòng)控制卡上的專用芯片完成，無(wú)需占用PC 機(jī)的資源，PC 機(jī)可以專注于用戶界面的處理和對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡狀態(tài)的監(jiān)控。運(yùn)動(dòng)控制專用芯片自身具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，不需要擴(kuò)展復(fù)雜的外圍電路。PC 機(jī)只需要對(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)送命令和參數(shù)，控制簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)研和論證，初步確定總體運(yùn)動(dòng)控制方案為“PCI 接口芯片+專用運(yùn)動(dòng)控制芯片+激光控制模塊”。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)硬件由PC機(jī)、DMC5400多軸控制器、增量式編碼器以及松下公司的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)（包括電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器）、中空力矩電機(jī)等組成（見(jiàn)圖3）。

該控制系統(tǒng)以PC機(jī)平臺(tái)為基礎(chǔ)，DMC5400多軸運(yùn)動(dòng)控制器為運(yùn)動(dòng)控制核心。PC機(jī)的CPU與DMC5400的 CPU構(gòu)成上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)CPU各自完成相應(yīng)的任務(wù)。

PC機(jī)作為DMC5400的上位機(jī)，提供Windows平臺(tái)及人機(jī)操作界面，完成系統(tǒng)初始化、軌跡參數(shù)的設(shè)定、運(yùn)動(dòng)信息的實(shí)時(shí)顯示等，僅需用極少部分時(shí)間向控制卡發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。下位DMC5400多軸運(yùn)動(dòng)控制器主要完成平移電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，包括伺服驅(qū)動(dòng)、程序解釋以及高速數(shù)據(jù)采集等實(shí)時(shí)性任務(wù)。DMC5400直接插在PC機(jī)的PCI插槽中，并由動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)驅(qū)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種以DMC5400為核心組成的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。上位PC機(jī)和下位DMC5400多軸控制器各有自己的CPU、存儲(chǔ)器和外設(shè)，分別構(gòu)成一套獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，在選擇控制軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)充分考慮了這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。由于DMC5400多軸控制器采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，數(shù)控程序代碼解釋工作和連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)復(fù)雜的插補(bǔ)運(yùn)算都由其內(nèi)部的DSP來(lái)完成，可以保證對(duì)運(yùn)算過(guò)程和各種緊急情況的及時(shí)處理。相對(duì)而言，上位PC機(jī)只是提供與用戶交互部分和一些狀態(tài)變量的讀取工作，CPU的工作量不是很大。

上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件的組成如圖4所示。

初始化模塊：實(shí)現(xiàn)零位標(biāo)定等功能。

軌跡和參數(shù)設(shè)定模塊：根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)功能和軌跡，提供了相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定界面，其中包括參數(shù)合理性判別、缺省值提供等輔助功能。

運(yùn)動(dòng)信息實(shí)時(shí)顯示模塊：通過(guò)與DMC5400實(shí)時(shí)通訊，動(dòng)態(tài)采集負(fù)載位置和速度等運(yùn)動(dòng)信息。然后，借助CB開(kāi)發(fā)的帶有二維坐標(biāo)系的顯示界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示負(fù)載運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示左右兩個(gè)軟硬限位狀態(tài)。另外，在界面的右下角還實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示負(fù)載的位置和速度數(shù)據(jù)。

故障診斷模塊：內(nèi)嵌于各功能模塊中，如設(shè)定值合理性判別、鍵盤(pán)操作功能保護(hù)、界面功能按鈕的連鎖、電機(jī)限速保護(hù)、位置超速保護(hù)等。

通訊模塊：利用DMC5400提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)編制，實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)和下位DMC5400之間的通訊。它內(nèi)嵌于各功能模塊中，囊括了同DMC5400通訊的所有方式，而且將其主要的函數(shù)進(jìn)行分類、封裝。所編制的通訊程序?qū)崿F(xiàn)了運(yùn)動(dòng)軌跡程序及設(shè)定參數(shù)的下載、上位PC機(jī)對(duì)DMC5400的指令傳輸及DMC5400對(duì) PC機(jī)的狀態(tài)反饋等通訊功能。

下位機(jī)軟件

控制下位機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的直接控制級(jí)，構(gòu)成可控?cái)U(kuò)束和可控衰減兩個(gè)獨(dú)立的伺服控制回路。其功能包括：實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制;采用相應(yīng)的控制算法，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行位置、速度進(jìn)行控制;將檢測(cè)到的系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)通過(guò)PCI總線傳給上位機(jī)。DMC5400的運(yùn)動(dòng)控制功能十分豐富，可以滿足絕大多數(shù)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。

DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡提供基于Windows 95 /98/Me/NT/2000/XP下32位DLL驅(qū)動(dòng)編程。其具體的編程語(yǔ)言可為VB、VC、C++Builder中的任何一種。在運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中所使用到的函數(shù)主要有如下幾種：控制卡及軸設(shè)置函數(shù)，獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)函數(shù)，制動(dòng)函數(shù)，位置和狀態(tài)的設(shè)置及查詢函數(shù)，I/O口操作函數(shù)，錯(cuò)誤代碼函數(shù)。其函數(shù)返回值為0（函數(shù)執(zhí)行正確）或-1（函數(shù)執(zhí)行錯(cuò)誤）。其控制系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

仿真結(jié)果分析

圖6~11為半實(shí)物仿真試驗(yàn)與數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)激光制導(dǎo)炸彈空間三維坐標(biāo)變化曲線，可見(jiàn)兩種仿真模式下試驗(yàn)曲線吻合良好。由于在整個(gè)彈道曲線中差別表現(xiàn)不明顯，因此給出了各坐標(biāo)相應(yīng)的彈道末端局部顯示曲線。

試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)學(xué)仿真的仿真解算穩(wěn)定，結(jié)果精度良好;同時(shí)，在相同投彈條件下，半實(shí)物仿真與數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)過(guò)程相關(guān)性比較好，仿真精度非常高，由此反映出目標(biāo)仿真系統(tǒng)帶入全系統(tǒng)的誤差極小（目標(biāo)系統(tǒng)誤差占全系統(tǒng)誤差的90%），所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光斑大小和能量的實(shí)時(shí)控制。

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