CN102410785A - 激光末制导炮弹半实物仿真用的转台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光末制导炮弹，特别公开了一种激光末制导炮弹半实物仿真用的转台，其包括：台体，用于模拟弹体姿态运动或弹体-目标相对运动特性，其能够安装负载，并且配置有测角元件以提供转角信号作为位置反馈和速度反馈；以及控制柜，其用于实现对所述台体的控制。其中，所述控制柜包括：上位机，其能够通过人机界面与操作人员进行交互，以实现对所述转台的控制指令输入、配置数据修正、安全保护、系统状态监控、数据接收与处理；以及下位机，其能够通过高速串行接口与所述上位机连接，并通过电缆与所述台体连接，用于完成对所述台体的实时控制。

Description

激光末制导炮弹半实物仿真用的转台

技术领域

本发明涉及激光末制导炮弹，特别公开了一种激光末制导炮弹半实物仿真用的转台。

背景技术

激光末制导炮弹是指在普通弹药头部安装激光导引头，在飞行弹道末端进行制导，对目标实施精确打击的弹药。激光末制导武器具有精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低等优势，精准是激光制导武器的鲜明特点，由于激光的单色性好，光束的发散角小，敌方很难对制导系统实施有效干扰，因而使它具有了其他制导方式无法匹敌的优势，各军事大国也都竞相开展研制。自越南战争后的最近几次局部战争中，激光制导武器显示出了强大的威力，使其受到了越来越广泛的重视。其中激光末制导炮弹就是一种重要的激光制导弹药。它集激光技术、电子技术、飞行控制技术于一体，在飞行弹道末段依靠激光信号引导，能准确地跟踪并攻击点状目标。

激光制导的基本原理是：利用激光器发射激光束照射目标，装于弹体上的激光接收装置则接收照射的激光信号或目标反射的激光信号，计算出弹体偏离照射或反射激光束的程度，不断调整飞行轨迹，使战斗部沿着照射或反射激光前进，最终命中目标。

激光制导方式有半主动寻的式、全主动寻的式和波束式(驾束式)三种。目前，激光末制导炮弹一般采用半主动寻的制导方式，即如图1所示在标准炮弹头部安装激光导引头。导引头与激光照射装置分开配置于两地，前者随弹飞行，后者置于弹外。激光照射器用来指示目标，故又称激光目标指示器，导引头通过接收目标反射的激光照射器照射的激光或直接接收照射激光，引导导弹飞向目标。

另一方面，半实物仿真(hardware-in-the-loop，硬件在回路仿真)技术，是在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物，以取代相应部分的数学模型，这样更接近实际使用模式，从而得到更确切的信息。和数学仿真相比，半实物仿真更具有真实性，并具有减少制导武器系统研制周期和节省研制费用等优点。

激光末制导炮弹是精确制导武器家族中重要一员，以其精度高、成本低、威力大、使用方便等特点，受到世界各国的青睐。而仿真技术已经成为研制制导武器必不可少的一个手段，也是制导武器控制系统研制工作的强有力的工具。据美国大西洋导弹试验基地的统计，90％的武器系统鉴定、评估数据来自于半实物仿真试验的结果。

末制导炮弹由于弹体上普遍装有导引头、自动驾驶仪、舵机等制导精密部件，价格较普通常规武器相比要昂贵许多。因此如果在制导武器系统研制过程中仍然采用以实弹射击方式进行飞行试验，势必会带来高昂的试验经费，采用半实物仿真试验，能使大量制导部件工作在较为真实的环境中，弥补外场飞行试验次数的不足，从而对其性能进行评估，改进其质量，还能节省研制成本、缩短研制周期，达到事半功倍的作用，具有良好的技术效益。

半实物仿真填补了全数字/混合仿真与实际外场试验之间的空档。数字仿真效费比较高，在实际硬件制造之前可以模拟武器系统的性能，但其置信度不高，因为许多数学模型是理想化的，且诸多子系统之间的相互作用难以预测和建模。而半实物仿真，把导弹的导引头等主要制导部件置于回路中对系统进行仿真，避开了数学建模的复杂性和不准确性，提高了仿真的精度及结果的可靠性和可信度。另一方面，在半实物仿真中，可重复的仿真条件还可以验证数据的可靠性和可用性。

对于激光末制导炮弹，半实物仿真系统模型的运行环境主要是导引头、自动驾驶仪和舵机，需要为它们提供的试验环境如下：

1)为弹体提供三维角运动(俯仰、偏航、滚转)环境；

2)为导引头提供目标环境，包括弹目相对运动特性、目标光学特性、目标背景特性、干扰特性等环境；

3)为舵机提供气动铰链力矩环境。

上述三种环境分别可以由以下三种仿真试验设备实现。物理模拟：三轴转台、激光目标模拟器和负载模拟器。仿真系统不仅要为参试实物模型提供运行环境，还要为数学模型提供运行环境，这一般由仿真计算机来实现。仅仅有上述四台设备，半实物仿真试验还不能进行，还需要建设中央控制系统完成如下功能：将参试部件之间进行连接、参试部件与试验设备之间进行连接(包括机械连接)；试验前对参试部件进行检测和试验中对试验数据进行实时记录；试验设备管理、试验过程监控、试验结果处理等。

综上所述，整个激光制导武器的半实物仿真系统可如图2所示主要包括激光目标模拟器、转台、主控机、仿真机及导引头，且其大致的仿真系统架构可如图3所示。

目前激光寻的制导仿真(激光目标光学特性、弹目相对运动特性、姿态运动特性仿真)有两类方案。

1)直接注入式：用激光器发射激光直接照射在导引头的光敏面上，以模拟导引头感受目标的光斑。相对运动特性通过安装光学系统的两轴转台实现、姿态运动通过三轴转台实现。该方案的三轴转台和两轴转台复合构成五轴转台。这种方法难以模拟激光能量的变化情况和光斑大小变化情况，但它的优点在于结构简单，容易实现。

2)反射式：这种方法是激光半主动制导武器实际工作模式在实验室的再现，可克服直接照射法的不足，但实现较复杂。它采用激光器加衰减器，射入模拟的漫反射板，反射信号进入导引头。通过控制激光器、衰减器、反射板实现目标特性模拟，运动特性通过安装激光器/衰减器的两轴转台实现。该方案的特点在于可以加入复杂的光学背景特性，但造价高，不能实现与其他光学寻的制导仿真方案设备通用，在用于侵彻弹视线变化范围很大时，漫反射板必须离转台很近，这样反射光斑容易变形，光斑大小控制的相似关系复杂，而且两轴转台的转动角度与漫反射板上光斑与导引头形成的视线角度之间的关系无法精确解析得到。

在激光末制导炮弹仿真试验中，若采用直接注入式，通过安装光学系统的两轴转台模拟相对运动特性，通过三轴转台模拟弹体姿态运动。若采用反射式，通过安装激光器/衰减器的两轴转台模拟相对运动特性，通过三轴转台模拟弹体姿态运动。因此，三轴转台和两轴转台是激光末制导炮弹仿真方案中非常重要的组成部分。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高可靠性、易操作性、高安全性、易维护性的激光末制导炮弹仿真用的转台。

为了实现上述目的，本发明公开了一种激光末制导炮弹半实物仿真用的转台，其包括：台体，用于模拟弹体姿态运动或弹体-目标相对运动特性，其能够安装负载，并且配置有测角元件以提供转角信号作为位置反馈和速度反馈；以及控制柜，其用于实现对所述台体的控制。其中，所述控制柜包括：上位机，其能够通过人机界面与操作人员进行交互，以实现对所述转台的控制指令输入、配置数据修正、安全保护、系统状态监控、数据接收与处理；以及下位机，其能够通过高速串行接口与所述上位机连接，并通过电缆与所述台体连接，用于完成对所述台体的实时控制。

对于上述转台，优选地，所述上位机能够进行以下操作中的至少一个：接收来自操作人员的控制指令，并通过所述串行接口向所述下位机发送针对所述台体的运行模式数据和指令；接收并处理来自所述下位机的数据；实时监视所述台体的包括速率、位置、加速度的运行状态；以及在监视到异常的情况下提供预定的保护措施。

对于上述转台，优选地，所述下位机能够进行以下操作中的至少一个：接收来自所述上位机的指令，并根据所接收到的指令对所述台体进行运动控制；接入所述测角元件的转角信号，根据预定的控制策略计算实时控制量，并将数字形式的控制量经由数模转换器转换为模拟量后输出至所述台体；定时采样所述测角元件的转角信号，并将采集到的值通过所述串行接口发送给所述上位机；以及与外部的仿真机直接通信，以实现仿真控制。

根据本发明的转台，对台体的控制部分采用了上-下位机结构形式、分布式计算机的全数字化控制策略、高性能计算机控制下的电机直接驱动台体的数字伺服控制体制，并通过测角元件等构成数字式角位置反馈回路，可以满足转台系统的速度/位置精度和动态特性要求。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1为激光末制导炮弹武器系统与弹道示意图。

图2为半实物仿真系统的硬件架构图。

图3为半实物仿真系统的操作流程图。

图4为根据本发明的典型实施例的三轴转台的系统组成示意图。

图5为根据本发明的典型实施例的三轴转台的机械台体的三维示意图。

图6为根据本发明的典型实施例的三轴转台的负载安装示意图。

图7为根据本发明的典型实施例的三轴转台的限位示意图。

图8为根据本发明的典型实施例的三轴转台的控制柜的外形示意图。

图9为根据本发明的典型实施例的三轴转台的控制柜的状态监控单元前面板的示意图。

图10为根据本发明的典型实施例的三轴转台的电源柜的外形示意图。

图11为根据本发明的典型实施例的三轴转台的控制柜中上位机软件的初始化界面示意图。

图12为根据本发明的典型实施例的三轴转台的控制柜中上位机软件的主操作界面示意图。

图13为根据本发明的典型实施例的三轴转台的控制柜中下位机软件的中断体内伺服控制的流程图。

图14为根据本发明的典型实施例的两轴转台的系统组成示意图。

图15为根据本发明的典型实施例的两转台的机械台体的三维示意图。

图16为根据本发明的典型实施例的两轴转台的控制柜的外形示意图。

图17为根据本发明的典型实施例的两轴转台的控制柜中上位机软件的自检界面示意图。

图18为根据本发明的典型实施例的两轴转台的控制柜中上位机软件的主操作界面示意图。

图19为根据本发明的典型实施例的两轴转台的控制柜中上位机软件的测试界面示意图。

图20为根据本发明的典型实施例的两轴转台的控制柜中下位机软件的中断体内伺服控制的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

三轴转台

本发明提供了一种三轴转台，以下将根据本发明示例性而非限制性的典型实施例的三轴转台，对三轴转台系统的结构总体方案、控制总体方案以及控制部分工程设计这三个方面分别进行详细介绍。

1、结构总体

根据本发明典型实施例的三轴转台按照U-U-T型结构设计，并且包含三个主要部分即机械台体、控制柜以及包括电缆、负载的夹具和辅助安装工具等的辅助设备，其系统组成可如图4所示。

其中，台体是转台系统的最终执行机构，主要包含内轴(又称为内框)、中轴(又称为中框)、外轴(又称为外框)及底座，采用立式机构形式。其中，每根轴上装有角度和角速度敏感元件、力矩电机，底座上设置有与地脚螺栓固定的安装孔及水平调整机构。通常负载即导引头可经由负载安装夹具固定在框架上，且安装有负载后的框架保持静态随遇平衡。此外，各框架上优选地设计有安装定位销，以方便运输及负载安装。

控制柜用来安放转台系统的控制部分，包括电源、测控计算机以及功率放大驱动部分。用户可以使用键盘、鼠标输入各种控制指令对转台进行操控。控制柜主要完成转台系统的上电、断电、伺服驱动、各类保护和系统工作状态指示功能。控制柜优选按模块化进行设计，即可如图4所示包括驱动器单元、控制单元和电源单元，以充分考虑维护和更换方便并注意产品的系列化。

控制柜上的操作按钮、开关和相关指示灯也可如图4所示设计得相对集中，并且优选地除了需要有文字标注其功能外，不同功能的按钮、开关在外形上要尽量有所区别。如用到数码显示管显示数字时，显示应适当、清晰。

1.1、机械结构

如图5所示，三轴转台台体采用U-U-T型立式结构，三框均采用机械轴承组成轴系，直流有刷力矩电机(中外框)和无刷伺服电机(内框)提供转动力矩，光学编码器提供转角信号作为位置反馈和速度反馈，内框安装导电滑环。为了使转台工作在平衡状态，内框上安装了可手动调节的配重块。中框、外框各自设计有三级限位机构。

1.2、框架设计

U型中框和U型外框均采用封闭空心结构形式，优选由铸铝材料制成。腔体内部可增加一条斜拉筋以增加框架的整体刚性与强度。可在铸件完成后进行T6处理，并在精加工前进行高低温稳定性处理。外框机体可采用圆形铸铁形式以降低台体重心从而增加整体稳定性。底部可采用三点可调支撑，并可根据使用情况将台体与地面固联。

在转台设计过程中，一般采用有限元法对三框结构进行分析设计。其中有限元动态分析中的模态分析目的主要是测试台体结构的内、中和外框及其整体的模态参数。其中包括各阶相应的频率、振形、质量、刚度和阻尼，然后参照此值，就可以合理的安排系统谐振点的位置。同时三框模态参数也直接关系到控制柜的设计和具体控制率实现的可行性。

通过有限元计算，转台的内框、中框、外框及台体的固有频率分别为602.6Hz、237.3Hz、37Hz及32.7Hz，由分析结果来看，转台的固有频率能够满足技术指标中内框6Hz～15HZ、中框6Hz～10Hz、外框3Hz～8Hz的要求。

1.3、轴系设计

各框由精密角接触轴承组成轴系，考虑到转台具有较大的盘心距和较重的负载因此均增加辅助支撑。各框轴和轴承座均优选用优质合金钢制成。可在精加工前进行充分的稳定性处理以保证轴系的长期稳定性，并与轴承进行配磨保证约2μm～5μm的最佳配合间隙。

此外，在各轴的结构设计中尽量考虑转台的可维护性和可测量性，例如，在轴端优选地设计有测量基准面以利于日后的周检测量使用。

1.4、负载安装

负载即导引头的安装示意图可如图6所示。负载4通过负载安装板2与内框3连接，负载安装面与内框3的基准面平行，负载安装板2的另一面安装调节用配重1。为了便于安装，内框架上优选地加工出负载安装基准面，用来连接负载的安装工装。

由于内、中框均有锁紧机构，安装负载十分方便。同时内框架上加工出产品安装基准面用来连接负载的安装工装，基准面与内框轴线平行，通过精密研磨的工艺，来保证安装基准面的平面度及安装面与内框轴线的平行度。

1.5、限位机构

中框和外框均具有不连续转动的特性，因此分别设计有机械限位机构。

中框的运动范围为±220°，设计的行程开关限位为±230°，机械硬限位(通常具有泄力弹性装置)为±240°～±250°，可采用例如滑动拨销、滑块和滑槽结构等的结构形式。

外框的运动范围为±220°，设计的行程开关限位为±230°，机械硬限位(通常具有泄力弹性装置)为±240°～±250°，可采用例如滑动拨销、滑块和滑槽结构等的结构形式。

机械限位作为保护性装置，首先要在非正常情况下保护被测产品不受损坏，同时尽可能保护转台自身的安全。

在机械限位采用行程开关及限位挡块机构的情况下，当台体工作时，拨杆随外框运动，当外框或中框的软件限位失灵转动到±230°极限位置时，首先碰到行程开关发出报警信号并同时切断电机输入，在惯性的作用下，滑块如图7所示碰到环形滑槽的边缘就停止转动。

1.6、内部走线

转台为机电一体化产品，台体内部走线与机械结构同样重要。为了方便走线，台体在设计过程中尽量设计成为空心结构，如中、内框和各轴均为空心结构。此外，优选地，走线孔以及轴端有倒角，内壁面没有尖锐突起，以防割损线路。进一步，优选地，转台的走线应当集中，便于安装，遵循这样的原则，相关部件都增加了出线孔。

2、控制总体

转台的控制部分采用上、下位机结构形式，分布式计算机的全数字化控制策略，高性能计算机控制下的电机直接驱动转台的数字伺服控制体制。由高精度测角元件光电编码器和码盘细分卡、分配装置构成数字式角位置反馈回路，可以满足系统的速度/位置精度和动态特性要求。

具言之，转台的控制部分按照模块化设计原则，采用两台工控机分别作为转台伺服系统的监控计算机(上位机)和主控计算机(下位机)的结构形式，并且下位机与上位机之间通过高速串行接口进行实时通讯。

其中，上位机的主要功能包括：为用户提供友好的人机交互界面；实时监视台体的速率、位置、加速度等运行状态；在异常情况下对系统的安全提供有效的保护措施并发出声、光报警信号；也可根据需要增加数据处理、打印接口、远程控制及其它功能。

下位机的主要功能包括：响应上位机发出的各种指令、定时采样例如光学编码器等的测角元件的角度编码值并将该值发送给上位机、根据控制规律计算实时控制量、通过数模转换板卡向台体的各轴中的功放单元发出控制信号。

数据采集计算机采用大容量硬盘，采集下位机实时发出的台体三个运动轴的位置、速率、加速度数据，通讯硬件可采用大缓冲通讯卡，并在WINXP系统下优选采用中断加缓冲方式接收数据，例如以最简单二进制数据格式存储，可不间断连续采集24小时以上。

工控机一般拥有多路PCI或ISA扩展槽，可在上、下位机为用户配置各种接口，常用的包括RS232、RS422、RS485、网口、CAN、IE488等，并在用户需要时可另行协商配置。

2.1、控制策略

影响转台的控制系统在低速下的性能的主要因素是非线性摩擦环节，它有可能使转台的台体状态产生爬行、振荡或稳态等误差。摩擦是一种复杂的、非线性的、具有不确定性的自然现象。在稳态时，摩擦力表现为运动速度的函数，称这种稳态对应关系为Stribeck曲线

在低速时，由于转速从零逐渐增加，Stribeck曲线具有负斜率，则摩擦环节在低速时所构成的反馈是正反馈。此时，转台的台体的运动是不平稳的，将出现“停→动→停→动...”的跳跃式运动，即低速爬行现象。

为了改善转台系统在低速时的性能，在伺服控制系统的设计中引入了非线性阻尼方法。理论上，如果速度阻尼足够大，可以完全消除爬行现象。从工程应用的角度看，采用该方法来提高系统的低速性能，其效果取决于低速时速度信号的质量。通常可以采用两种方法来取得速度信号，一是测速机，二是位置信号的差分。考虑到低速时测速机输出存在纹波，速度信号质量很差，优选采用位置信号差分来得到速度信号，即可通过以下公式来计算速度信号：

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\θ}\left(k\right)-\mathrm{\θ}(k-1)}{T},$

其中，T为采样周期，k为采样时刻，θ为位置，ω为速度。

由上式可知，为了提高速度测量的分辨率，要求位置测量元件有足够高的分辨率。例如，所选用的各个编码器经过细分卡后分辨率可达到0.0001°，并优选地采取适当数字滤波，以减小量化噪声的影响，从而可以获得较为满意的低速信号。

2.2、关键技术指标

转台台体的关键技术指标主要包括静态指标和动态指标两方面，其中静态指标主要是指转台台体的定位精度、位置分辨率、速率精度以及速率平稳性等方面；动态指标主要是指转台台体振动或仿真运动模式时，对振动幅值、振动频率、最大角加速度和幅频特性要求。

其中，定位精度和位置分辨率主要取决于机械装配、反馈元件和控制策略。在根据本发明优选实施例的三轴转台中，台体中机械轴系的回转精度指标高于定位精度要求。其次，码盘反馈元件和测角细分计数卡能够满足测角精度和分辨力要求。再者，通过控制策略来确保电机能够运动至指定位置，并实现长时间的稳定定位。

转台台体的速率运行方式主要依靠下位机对轴系电机精确的位置牵引来实现，其中，速率精度和平稳性主要靠如下的“三高”来保证，即：高精度的时间基准；高精度的位置重复性和不确定度；以及高系统增益。

通过前述对转台机械台体的有限元频率分析以及对电机所需力矩的仿真计算，可得出台体的机械频率特性，并选定拥有足够力矩的电机来保证系统的动态指标。

在此基础上，优选进一步采用合理的控制策略，通过提高控制增益、设计良好的超前滞后校正环节，来适当引入速度和加速度前馈，从而可以更好地保证动态指标的实现。

2.3、电磁干扰设计

降低转台系统的电磁干扰可通过降低干扰源的干扰和提高被干扰对象的抗干扰能力两方面来实现。

首先，干扰源对被干扰对象的干扰途径主要有传导干扰和辐射干扰这两种。

传导干扰最主要包括电源供电和地线混接，因此，可采取供电隔离、合理接地等措施来降低传导干扰。

对于辐射干扰，伺服系统驱动电机的正弦脉宽调制波会产生大量的诸如天线发射系统的电磁谐波，由于用户产品传输通道直接通过电机轴腔，直接感应辐射信号，且驱动器到电机输出的电缆也会向外辐射电磁波，这些都会对信号产生影响。

因此，为了降低干扰源的干扰，电机电缆优选采用屏蔽双绞电缆，并要求屏蔽接地良好，并可根据用户需要尽量减短线缆长度；其次通过平滑PWM输出波，抑制PWM调制高次谐波分量，以降低传输信号线被干扰的程度。

另一方面，为了提高被干扰对象的抗干扰能力，针对干扰源的传导和辐射干扰，主要在供电隔离、电磁屏蔽、接地、信号输入输出滤波方面采取有效措施。

2.4、数据采集及存储

数据采集频率可为1KHz，同时采集角速率和位置数据，假设每个数据为一个4字节的浮点数，三轴的位置和速率数据需要24(＝3*(1+1)*4)个字节，加上校验和起始字节，每帧数据最少26个字节。24小时连续采集并存储的数据量约为4*3,600*1,000*26＝2,246,400,000字节，即每天约2.3G容量，因此采集计算机优选采用大容量硬盘(1T)。

此外，采集卡优选采用高速串行接口卡，并利用大缓冲和中断采集方式；以及，存储优选采用二进制方式，以提高存储速度。

2.5、安全性设计

为了确保操作人员及被测产品的安全，在转台系统中设计了如下所述的三级递进式保护措施，以有效降低系统的“飞车”失控风险。

用户输入过滤作为第1级保护措施，其设置于用户操作软件中，用于根据协议要求的限位、限速值进行输入过滤，以防止由于用户的错误输入或误操作导致的紧急状况。当用户输入不当或操作有误时，软件会弹出即时菜单提醒用户输入有误，并拒绝接收该输入，此时用户通常会重新输入。

软件限位作为第2级保护措施，其设置于控制程序中，用于根据协议要求的限位、限速值实时对比转台台体的位置、速率值，一旦发现超过限定值则进行开环处理，并提示用户。

独立的保护用硬件结构作为第3级保护措施，其主要包括急停按钮、故障保护电路等。设置急停按钮，以使得在紧急状态时可通过按下急停按钮来切断转台系统的动力电，并且制动电机使得转台台体迅速停止运动。设计故障保护电路，以使得当转台系统突然断电或出现监控计算机检测到的异常状态后立即发出控制动作，启动硬件电路作出反应。

3、控制柜工程设计

3.1、机柜设计

根据本发明典型实施例的三轴转台系统优选采用两个19寸国际标准结构的机柜，一个作为控制柜，另一个作为电源柜。当然，本领域技术人员应能理解，当转台功率过大或用户要求时，也可定制非标准机柜。

此外，控制柜和电源柜均优选采用高可靠性电气元件和模块化装置，以使转台系统具有良好的可维护性，并且每个机柜自成一个电磁屏蔽系统，以保证转台系统的安全性和电磁兼容性。此外，每个机柜底部可带有脚轮和支角以方便移动和固定，顶部可装有吊耳以方便运输。

控制柜的外形图可如图8所示，其中可供用户操作的部分主要包括上位机、下位机以及状态监控单元。一般来说，上位机与下位机的操作仅限于操作电源开关。状态监控单元的前面板可如图9所示。当然，本领域技术人员应能理解，可根据实际应用情况(例如转台台体是否有限位)来灵活调整状态监控单元的前面板中的指示灯及开关按钮布置。

具言之，状态监控单元的前面板可包括系统状态指示灯、电源开关按钮、使能按钮、急停开关及报警器等。其中，系统状态指示灯将实时指示各框的故障、锁框以及正负限位情况；控制电源与动力电源负责整个系统控制电与动力电线路的通断；而急停开关可实现在遇到紧急情况下转台急停及断电操作。

此外，电源柜的外形图可如图10所示。

3.2、软件设计

转台系统的控制软件包括上位机软件和下位机软件两部分，均优选采用模块化从上到下的设计方式，以使相应控制程序的结构清晰、可读性、扩展性强。

3.2.1、上位机软件

上位机主要用于为操作人员提供人机界面，实现对转台系统的控制指令输入、配置数据修正、安全保护、系统状态监控、数据接收与处理。换言之，上位机软件执行以下操作中的至少一个：

系统控制指令，例如位置、速度值，振动参数的设定，发送电路系统各种状态控制(开环、闭环)，转台运动命令(启动、停止)以及通过串行接口向下位机发送转台运行模式数据和指令等；

进行系统状态监控；

显示系统工作状态；

根据系统故障状态发出不同的安全保护指令；以及

接收下位机的数据并进行数据处理和精度测试等。

根据本发明一示例性实施例，在上位机桌面上双击上位机软件快捷方式，出现如图11所示的系统初始化界面，上位机软件程序对转台系统主要部件进行检查，大约10秒以后初始化结束。如果初始化过程失败，用户可选择继续进入主界面或退出程序。初始化成功后，系统自动进入图12所示的主操作界面(实际界面可能会进行小幅修改)。

如图12所示，主操作界面主要由以下几部分组成：菜单栏、状态显示区、系统信息列表区、运行曲线显示区、系统状态指示区以及操控区。把鼠标指针停放在不同部件上，会出现对应操作或告警提示。

菜单栏位于主界面左上角，菜单栏主要包括“系统模式”、“偏航模式”、“俯仰模式”、“横滚模式”、“工具”、“回零”、“监视选择”以及“退出”等选项。在进行转台操作时，可通过菜单栏切换系统的工作模式、选择各个轴的工作模式、回零、运行曲线监视选择以及调用常用工具等。

状态显示区可实时显示转台当前的位置、速率及加速度值。

系统信息列表区可以记录转台在运行时的关键步骤信息以及故障信息，为故障分析提供依据。

运行曲线显示区可以实时显示转台各个轴在运行时的位置、速率以及加速度等信息，直观展示转台状态的变化情况，并可保存一定时间内的状态数据，为用户提供更加丰富的实验数据。

系统状态显示区可以实时显示系统各个部分的运行状态，用户在操作转台时需特别注意系统状态区出现红灯的情况。系统状态显示区与电柜状态监视单元是同步显示的。

操控区可接收用户的输入数据，然后进行断电、上电、开环、闭环、运行以及停止等操作，达到控制转台运行或停止的目的。

3.2.2、下位机软件

下位机主要完成对转台的实时控制，保证转台的性能。换言之，下位机软件能够实现以下操作中的至少一个：

接收上位机的指令，并根据指令对转台系统进行运动控制；

接入光学编码器的角度，计算控制量，并经由数模转换器将数字形式的控制量转换为模拟量后输出至台体中各轴的驱动器；

通过特定算法控制逻辑，避免转台系统在加电时出现震动、在断电时出现飞车现象。以确保安全性和可靠性；

通过串行接口向上位机返回必要的数据信息；以及

与仿真机直接通讯以实现仿真控制。

此外，根据本发明一示例性实施例，下位机的主要伺服控制操作在一个标准伺服控制周期(例如1ms)内执行。优选地，下位机采用中断定时方式，中断间隔可例如为0.5ms，即每两个中断进行一次伺服控制。

在中断体内，首先从高速串行接口接收指令，并根据指令判断工作模式和运行参数，然后根据设定值，按照一定的控制算法计算出模拟量输出，同时设置了在不同工作状态下的软件保护措施。其中，中断服务程序的处理流程可大致如图13所示。

两轴转台

本发明还提供了一种两轴转台，以下将根据本发明示例性而非限制性的两轴转台的典型实施例，对两轴转台系统的结构总体方案、控制总体方案以及控制部分工程设计这三个方面分别进行详细介绍。

1、结构总体

在激光末制导炮弹仿真试验中，若激光模拟器采用直接注入式，则通过安装光学系统的两轴转台模拟相对运动特性。若采用反射式，则通过安装激光器/衰减器的两轴转台模拟相对运动特性。

如图14所示，两轴转台包含两个主要部分即台体和控制柜，其中：台体部分是转台系统的最终执行机构，其包含轴系、电机、测角传感器、用于安装测试产品的工作台、被测产品安装基准、测试工装、限位机构等；控制柜用来安放转台系统的控制部分，包括电源、测控计算机以及仰轴和滚动轴的功率放大驱动部分等。用户可以使用键盘、鼠标输入各种控制指令，对两轴转台进行操控。

1.1、机械结构

两轴转台可如图15所示采用U型立式结构，两框均采用机械轴承组成轴系，直流力矩电机提供转动力矩，光学编码器提供转角信号作为位置反馈和速度反馈，方位轴安装导电滑环。俯仰框设计有三级限位机构。其中，俯仰框安装框的详细尺寸和负载的安装方式可根据用户需求灵活调整。

1.2、框架设计

U型偏航框和U型俯仰框采用封闭空心结构形式，优选由铸铝材料制成。腔体内部可增加一条斜拉筋以增加支架的整体刚性与强度。可在铸件完成后进行T6处理，并在精加工前进行高低温稳定性处理。此外，底座优选采用圆形铸铁形式以降低台体重心增加整体稳定性。

1.3、轴系设计

各框由精密角接触轴承组成轴系，各框轴和轴承座均选用优质合金钢制成。可在精加工前进行充分的稳定性处理以保证轴系的长期稳定性，并与轴承进行配磨保证约2μm～5μm的最佳配合间隙。

此外，在各轴的结构设计中尽量考虑转台的可维护性和可测量性，例如，在轴端优选地设计有测量基准面以利于日后的周检测量使用。

1.4、限位机构

两框均具有不连续旋转的特性，因此分别设计有三级限位机构。

两框的运动范围为±220°，设计的行程开关限位±230°，机械硬限位为±240°～±250°，可采用例如固定拨销和滑槽等的结构形式。

机械限位作为保护性装置，首先要在非正常情况下保护被测产品不受损坏，同时尽可能保护转台自身的安全。

2、控制总体

转台的控制部分按照模块化设计原则，采用两台工控机分别作为转台伺服系统的监控计算机(上位机)和主控计算机(下位机)的结构形式，并且下位机与上位机之间通过高速串行接口进行实时通讯以实现数据交换。

其中，上位机的主要功能包括：为操作者提供人机界面；实时监视转台台体的速率、位置运行状态；在异常情况下对转台系统的安全提供有效的保护措施并发出报警信号；也可根据需要数据处理、打印及其它功能。

下位机的主要功能包括：响应上位机发出的各种指令，在每个控制周期内(1ms)采集两轴编码器的角度编码值，根据控制规律计算实时控制量，并通过例如PCI5418D(16位)模数转换卡和校正电路向台体中各轴的驱动器发出每个控制周期内的控制电压。

在将转台用于进行仿真控制的情况下，则可在上位机上选择仿真控制模式，由下位机直接与仿真机通讯，实时接收来自仿真机的仿真控制指令。

3、控制柜工程设计

3.1、机柜设计

根据本发明典型实施例的两轴转台系统优选采用1个19″国际标准控制机柜作为控制柜，其中将强电模块与弱电模块分开布局。强电模块安装在机柜的下部。弱电模块如工控机、控制单元模块、监控单元模块等安装在机柜的上部，并采取适当的屏蔽隔离措施。控制柜可如图16所示设计成立式。

此外，控制柜优选采用可靠性高的电气元件，以保证整个转台系统的可靠性；并采用成熟先进的元器件和模块化装置，以使转台系统具有良好的可维护性、安全性和电磁兼容性。

3.2、软件设计

转台系统的控制软件包括上位机软件和下位机软件两部分，均优选采用模块化从上到下的设计方式，以使相应控制程序的结构清晰、可读性、扩展性强。

3.2.1、上位机软件

上位机主要用于为操作人员提供人机界面，实现对转台系统的控制指令输入、配置数据修正、安全保护、系统状态监控、数据接收与处理。换言之，上位机软件执行以下操作中的至少一个：

系统控制指令，例如位置、速度值，振动参数的设定，发送电路系统各种状态控制(开环、闭环)，转台运动命令(启动、停止)以及通过串行接口向下位机发送转台运行模式数据和指令等；

进行系统状态监控；

显示系统工作状态；

根据系统故障状态发出不同的安全保护指令；以及

接收下位机的数据并进行数据处理和精度测试等。

根据本发明一示例性实施例，上位机软件程序首先是一个如图17所示的自检界面，用于对转台系统的各个部件进行检测，并把检测结果记录形成日志文件保存。自检成功后进入如图18所示的主操作界面。在主操作界面中可以看到有两轴位置的实时显示，有转台各种状态的监控；在功能中可以对相应轴所要运行的状态和参数进行设置，运行参数设置在功能菜单中，然后通过界面启动或停止转台相应框。

此外，还优选提供如图19所示的测试界面以能够进行转台精度测试。由于在转台低速率运行的情况下没有好的外测仪器和方法，所以一般采用计算机内测法，上位机从下位机获得标准时间下所走的角度，通过定时测角法来计算出低速运行时的速率精度和平稳性。

3.2.2、下位机软件

下位机主要完成对转台的实时控制，保证转台的性能。换言之，下位机软件能够实现以下操作中的至少一个：

接收上位机的指令，并根据指令对转台系统进行运动控制；

接入光学编码器的角度，计算控制率，并通过D/A输出控制量；

通过特定算法控制逻辑，避免转台系统在加电时出现震动、在断电时出现飞车现象。以确保安全性和可靠性；

通过串行接口向上位机返回必要的数据信息；以及

与仿真机直接通讯以实现仿真控制。

此外，根据本发明一示例性实施例，下位机的主要伺服控制操作在一个标准伺服控制周期(例如1ms)内执行。优选地，下位机采用中断定时方式，中断间隔可例如为0.5ms，即每两个中断进行一次伺服控制。

在中断体内，首先从高速串行接口接收指令，并根据指令判断工作模式和运行参数，然后根据设定值，按照一定的控制算法计算出模拟量输出，同时设置了在不同工作状态下的软件保护措施。其中，中断服务程序的具体处理流程图可大致如图20所示。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式仅旨在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (12)

1.一种转台，能够用于仿真激光末制导炮弹，其特征在于，包括：

台体，用于模拟弹体姿态运动或弹体-目标相对运动特性，其能够安装负载，并且配置有测角元件以提供转角信号作为位置反馈和速度反馈；以及

控制柜，其用于实现对所述台体的控制，

其中，所述控制柜包括：

上位机，其能够通过人机界面与操作人员进行交互，以实现对所述转台的控制指令输入、配置数据修正、安全保护、系统状态监控、数据接收与处理；以及

下位机，其能够通过高速串行接口与所述上位机连接，并通过电缆与所述台体连接，用于完成对所述台体的实时控制。

2.根据权利要求1所述的转台，其特征在于，所述上位机能够进行以下操作中的至少一个：

接收来自操作人员的控制指令，并通过所述串行接口向所述下位机发送针对所述台体的运行模式数据和指令；

接收并处理来自所述下位机的数据；

实时监视所述台体的包括速率、位置、加速度的运行状态；以及

在监视到异常的情况下提供预定的保护措施。

3.根据权利要求1所述的转台，其特征在于，所述下位机能够进行以下操作中的至少一个：

接收来自所述上位机的指令，并根据所接收到的指令对所述台体进行运动控制；

接入所述测角元件的转角信号，根据预定的控制策略计算实时控制量，并将数字形式的控制量经由数模转换器转换为模拟量后输出至所述台体；

定时采样所述测角元件的转角信号，并将采集到的值通过所述串行接口发送给所述上位机；以及

与外部的仿真机直接通信，以实现仿真控制。

4.根据权利要求3所述的转台，其特征在于，所述下位机采用中断定时方式的伺服控制来实现对所述台体的控制。

5.根据权利要求3所述的转台，其特征在于，所述下位机采用位置信号差分即利用以下公式来得到速度信号，

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\θ}\left(k\right)-\mathrm{\θ}(k-1)}{T},$

其中，T为采样周期，k为采样时刻，θ为位置，ω为速度。

6.根据权利要求1所述的转台，其特征在于，所述台体为用于模拟弹体姿态运动的三轴转台台体，

其中，所述三轴转台台体采用U型外框、U型中框及T型内框的立式结构，所述内框、所述中框、所述外框均采用机械轴承组成轴系，所述中框和所述外框均利用直流有刷力矩电机提供转动力矩，并且所述内框利用无刷伺服电机提供转动力矩。

7.根据权利要求6所述的转台，其特征在于，所述内框上安装有能够手动调节的配重块。

8.根据权利要求6所述的转台，其特征在于，所述中框和所述外框各自设计有机械限位机构。

9.根据权利要求1所述的转台，其特征在于，所述台体为用于弹体-目标相对运动特性的两轴转台台体，

其中，所述两轴转台台体采用U型偏航框和U型俯仰框的立式结构，所述俯仰框和所述偏航框均采用机械轴承组成轴系，并且所述俯仰框和所述偏航框均利用直流力矩电机提供转动力矩。

10.根据权利要求9所述的转台，其特征在于，所述俯仰框和所述偏航框各自设计有机械限位机构。

11.根据权利要求6或9所述的转台，其特征在于，所述机械轴承的轴端设计有测量基准面。

12.根据权利要求8或10所述的转台，其特征在于，所述机械限位机构包括行程开关限位以及机械硬限位，其中所述机械硬限位能够采用的结构形式包括滑动拨销、滑块和滑槽结构。

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