摘 要：為設(shè)計(jì)激光測(cè)高儀仿真系統(tǒng)，首先分析了設(shè)計(jì)要求，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案;然后提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部分硬件選擇;并為抑制干擾提出了一些辦法。 關(guān)鍵詞：滑動(dòng)導(dǎo)軌;運(yùn)動(dòng)控制卡;伺服電機(jī) [align=center][b]Design of simulation system for laser range finder Ma Ye-wei Zhao Shang-hong Meng Wen Ma Li-hua[/b][/align] Abstract: For the purpose to design the simulation system for laser range finder, this paper analyzed the design of simulation system, then some chosen is done for part of the hardware. The way to control the interfere is mentioned as well. Keywords: slip orbit; locomotion controller; servo motor 1引言 　　無人機(jī)是由控制中心根據(jù)探測(cè)信息綜合分析控制其飛行和著陸的。在進(jìn)場(chǎng)著陸過程中，高度信息是一個(gè)不可或缺的信息，對(duì)高度的精確測(cè)量對(duì)于控制無人機(jī)的精確著陸至關(guān)重要。無人機(jī)激光測(cè)高儀仿真裝置是無人機(jī)導(dǎo)航和著陸自主引導(dǎo)系統(tǒng)研制任務(wù)的一部分，為飛機(jī)在接近地面時(shí)（距離地面30m以下）提供高精確的實(shí)時(shí)高度信息，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)導(dǎo)航和著陸精確導(dǎo)引和全天候自主精確著陸。在飛機(jī)接近地面時(shí)，接收主控系統(tǒng)的控制信號(hào)，啟動(dòng)測(cè)距機(jī)開始工作，并將測(cè)得的實(shí)時(shí)距離信息與主控系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、計(jì)算，然后通過RS422接口將相關(guān)距離信息發(fā)送到主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光實(shí)時(shí)距離測(cè)量和飛機(jī)高度測(cè)量的模擬仿真。 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 　　2.1系統(tǒng)須實(shí)現(xiàn)功能 　　滑動(dòng)導(dǎo)軌是具有機(jī)電一體化的綜合性、高精度的仿真設(shè)備，提供實(shí)時(shí)變化的距離環(huán)境，以檢測(cè)無人機(jī)激光測(cè)高儀模擬裝置的測(cè)距精度、實(shí)時(shí)性等技術(shù)指標(biāo)，并可連入無人機(jī)著陸與導(dǎo)航半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)接收并執(zhí)行來自飛控仿真機(jī)的高度數(shù)據(jù)，形成仿真閉環(huán)，從而進(jìn)一步提高仿真的置信度。 　　2.2主要技術(shù)指標(biāo) 　　滑動(dòng)模擬系統(tǒng)是模擬在飛機(jī)接近地面時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，飛機(jī)此時(shí)距離地面30m，垂直初速度v（～5m/s），以加速度a勻減速下降，到地面時(shí)垂直速度為零。據(jù)此，考慮可行性，取模擬系統(tǒng)滑軌長度6m，如果要求模擬飛機(jī)降落時(shí)間不變（～t=12s），可以相應(yīng)要求最大速度v/5（～1m/s），加速度a/5。 [align=center] 圖1 飛機(jī)降落過程[/align] 　　據(jù)此得出仿真系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下： 　　1. 目標(biāo)板的移動(dòng)范圍：6m; 　　2. 最大運(yùn)動(dòng)速度：3m/s; 　　3. 定位精度：±5cm; 　　4. 控制周期：5ms。 　　5. 漫反射目標(biāo)板固定在直線導(dǎo)軌的滑塊上，其俯仰角度可調(diào)，調(diào)整范圍為±5°。 　　2.3系統(tǒng)組成 　　系統(tǒng)由支架、直線滑軌、滑塊機(jī)構(gòu)、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服系統(tǒng)、底座、激光測(cè)距儀、及控制箱、計(jì)算機(jī)等組成。 　　直線滑軌長度不小于6米，滑塊機(jī)構(gòu)與直線滑軌為滾動(dòng)配合，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)?；瑝K機(jī)構(gòu)與漫反射目標(biāo)板連接，目標(biāo)板角度可調(diào)整（±5°）。同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與滑塊機(jī)構(gòu)連接，使其完成直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制系統(tǒng)完成。伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光電編碼器、測(cè)速機(jī)、單片機(jī)處理等組成，完成對(duì)滑塊的位置與速度控制。 3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 　　3.1總體設(shè)計(jì)及控制原理 　　根據(jù)滑動(dòng)導(dǎo)軌對(duì)控制系統(tǒng)的要求，需要對(duì)目標(biāo)板的速度、位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制、監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，采用速度內(nèi)環(huán)控制和位置外環(huán)控制結(jié)合起來，實(shí)時(shí)控制目標(biāo)板的運(yùn)動(dòng)，保證閉環(huán)仿真系統(tǒng)的高精度、穩(wěn)定性及高置信度。在該系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及控制的精度，我們選擇了伺服控制系統(tǒng)作為本控制系統(tǒng)的核心。如下所示： [align=center] 圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　該控制系統(tǒng)中采用基于PCI總線的伺服電機(jī)的控制單元，它與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)，該控制單元完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、伺服電機(jī)編碼器反饋的信號(hào)等。在該控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制卡向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖、方向等控制信號(hào)，通過伺服驅(qū)動(dòng)器的放大驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，電機(jī)的運(yùn)行速度、位置又通過電機(jī)內(nèi)部的系統(tǒng)獲取通過編碼器輸出反饋給控制卡。 　　在整個(gè)控制系統(tǒng)中采用了伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，由于交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)象步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能較步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)更為可靠。整體上提高了滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)行的精度與速度，保證了整個(gè)閉環(huán)仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性與置信度。 　　電源系統(tǒng)為控制系統(tǒng)中的各控制對(duì)象提供電源。這些電源包括向伺服放大器提供的單相200V或三相200V的商用電源、開關(guān)量信號(hào)（原點(diǎn)、減速、限位以及I/O信號(hào)等）采用的12-24V開關(guān)電源、脈沖量信號(hào)（脈沖、方向等）采用5V的直流開關(guān)電源等。其中商用電源在接入驅(qū)動(dòng)器之前采用濾波器進(jìn)行濾波，使電源系統(tǒng)能滿足抗干擾、穩(wěn)定輸出的要求。另外系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的接地可滿足設(shè)備安全、抗電磁干擾和穩(wěn)定運(yùn)行的需要。 　　伺服系統(tǒng)通過電源濾波器獲得200-230V的潔凈交流電源，有效的隔離電網(wǎng)的尖峰干擾脈動(dòng)，保護(hù)伺服放大器以防其受到電壓變動(dòng)的影響，為伺服系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸入電源。各種開關(guān)量及脈沖量所需的直流5V或12-24V開關(guān)電源，是把220V交流供電直接整流濾波之后，通過高頻變壓器隔離變換，再整流變?yōu)樗枰亩喾N直流電壓輸出。開關(guān)電源具有體積小、效率高、電網(wǎng)電壓寬范圍變化時(shí)輸出不易過壓或欠壓的優(yōu)點(diǎn)。 　　3.2 硬件的選擇 　　3.2.1控制卡的選擇 　　該控制系統(tǒng)中控制器部分采用當(dāng)前比較流行的成熟的工業(yè)控制產(chǎn)品——運(yùn)動(dòng)控制卡作為該控制系統(tǒng)的中心。運(yùn)動(dòng)控制卡是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要有CPU﹑RAM﹑ROM和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。所以它可以用于內(nèi)部存儲(chǔ)程序執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、記數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式﹑模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。作為一種現(xiàn)今比較流行的工業(yè)控制裝置，運(yùn)動(dòng)控制卡有以下一些特點(diǎn)：高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力、靈活性好、編程簡單易學(xué)、系統(tǒng)安裝簡單、維修方便等。 　　控制系統(tǒng)中的控制卡選擇了成熟的MPC08型的專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡，其主要技術(shù)指標(biāo)： 　　1. 4軸步進(jìn)或數(shù)字式伺服控制，脈沖輸出頻率可達(dá)4.0MHz; 　　2. 多軸高速線性插補(bǔ)，每軸帶有原點(diǎn)、減速和限位等接口; 　　3. 梯形加、減速，運(yùn)動(dòng)中可變速，可輸出脈沖/方向或雙脈沖信號(hào); 　　4. 可外接編碼器位置反饋，可擴(kuò)展出16路通用輸入和16路通用輸出接口; 　　5. WINDOWS 環(huán)境下WDM、DLL庫，演示程序。 　　MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡采用FPGA作為控制核心，主要功能是執(zhí)行上層計(jì)算機(jī)的控制指令，并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分的反饋信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)將處理結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)顯示當(dāng)前執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)（實(shí)時(shí)運(yùn)行速度、到達(dá)位置等）。就是通過控制卡發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，同時(shí)將伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)信息反饋給控制卡進(jìn)行相應(yīng)的處理。 　　MPC08控制卡的運(yùn)動(dòng)控制功能主要取決于運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫。運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供了許多運(yùn)動(dòng)函數(shù)：單軸運(yùn)動(dòng)、多軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)、多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等等。為了配合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)，還提供了間隙補(bǔ)償功能。下面簡單介紹一下單軸運(yùn)動(dòng)控制的功能。單軸運(yùn)動(dòng)有三個(gè)基本的類型：點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)（pmove）、連續(xù)運(yùn)動(dòng)（vmove） 和回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（hmove），這些運(yùn)動(dòng)又可以在常速模式或梯形速度模式下工作，總共有六種基本類型，列表如下： [align=center] 圖3 運(yùn)動(dòng)速度圖形[/align] 　　3.2.2伺服電機(jī)的選擇 　　伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 　　根據(jù)多個(gè)不同廠家的產(chǎn)品性能的比較，伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選擇了型號(hào)為GYG501BC2-T2中慣量伺服電機(jī)，其主要參數(shù)如下： 　　電機(jī)參數(shù)表 　　伺服驅(qū)動(dòng)器選用與電機(jī)相匹配的驅(qū)動(dòng)器，其型號(hào)為RYC501B3-VVT2，該驅(qū)動(dòng)器具有位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制等功能及相應(yīng)的輸入、輸出信號(hào)，同時(shí)該驅(qū)動(dòng)器具有比較好的穩(wěn)定性。 　　驅(qū)動(dòng)器主要的技術(shù)數(shù)據(jù)為： 　　1. DSP 全數(shù)字電機(jī)控制方式，可以實(shí)現(xiàn)多種電機(jī)控制算法，軟件更新 　　2. 可提供位置、速度、轉(zhuǎn)矩三種控制模式 　　3. 內(nèi)有增量式17位編碼器 　　4. 隨時(shí)可以進(jìn)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩三者中任意二者的相互轉(zhuǎn)換 　　5. 7段4位顯示的觸摸面板可以方便的設(shè)定伺服系統(tǒng)的各種參數(shù) 　　其轉(zhuǎn)矩特性圖如下所示： [align=center] 圖4 RYC501B3-VVT2的轉(zhuǎn)矩特性圖[/align] 　　其主要性能指標(biāo)如下表所示： 　　3.3抗干擾技術(shù) 　　電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量供應(yīng)部分。由于市電電網(wǎng)中常出現(xiàn)過壓、欠壓，當(dāng)電壓超過電源工作范圍時(shí)，會(huì)使電源失?；蛘邠p壞，直接威脅控制系統(tǒng)的安全。而瞬時(shí)過壓或者欠壓形成涌流，也會(huì)造成很強(qiáng)的干擾和破壞性。 　　為了有效地抑制電源干擾，可以采用以下辦法： 　　1. 采用交流凈化電源。其具備過、欠壓保護(hù)、濾波等功能，能保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性; 　　2. 選用優(yōu)質(zhì)的抗干擾開關(guān)電源，作為電機(jī)控制等的電源; 　　3. 在電源輸出端并接一大電容，以消除大功率工作瞬間電源波動(dòng)的影響。 　　在該控制系統(tǒng)中，伺服放大器與通用的變頻器一樣，在PWM控制電路中進(jìn)行高頻開關(guān)動(dòng)作。因此，輻射干擾和傳導(dǎo)干擾等往往對(duì)外圍設(shè)備的外部機(jī)器產(chǎn)生影響。針對(duì)以上情況可采取如下幾種對(duì)策： 　　1. 將伺服放大器裝在接地鐵制容器（控制盤）內(nèi)，不能與電腦和測(cè)量儀表設(shè)置很近。 　　2. 在伺服放大器的初級(jí)端裝設(shè)濾波器（電源濾波器）。 　　3. 連接伺服放大器至伺服電機(jī)的配線要裝到金屬管內(nèi)，把金屬管接地。 　　4. 接地線要盡量用短粗線 。 　　5. 接地端子、指令控制序列輸入輸出以及編碼器用的電源0V等信號(hào)不能相互連接。 　　6. 主電路和控制電路的配線絕不能捆束在一起，也不可平行配線。 　　除了上述的硬件措施處，在軟件上也可采用冗余設(shè)計(jì)、自恢復(fù)功能等措施，軟硬兼施，提升設(shè)備抗干擾性能。 4 結(jié)束語 　　本文所設(shè)計(jì)的用于激光測(cè)高儀仿真系統(tǒng)的機(jī)械滑軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用成熟的MPC08型的專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡和GYG501BC2-T2中慣量伺服電機(jī)。同時(shí),本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法提出了部分硬件抗干擾技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)借鑒。對(duì)具體系統(tǒng)的實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果將另文報(bào)道。 參考文獻(xiàn) 　?、臡PC08運(yùn)動(dòng)控制卡操作手冊(cè). 　　⑵高鐘毓.機(jī)電控制工程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006. 　?、莿⑿l(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計(jì)教程[M]. 北京：中國水利水電出版社，2005. 　?、仍S瑞華 何俊華.《基于NextMoveES運(yùn)動(dòng)控制卡的步進(jìn)電機(jī)群控系統(tǒng)》.《微計(jì)算機(jī)信息》 　?、赏粜〕?、潘笑.《PLC的參數(shù)設(shè)置及顯示設(shè)計(jì)》.《微計(jì)算機(jī)信息》.2000年第16卷第6期.