CN103063214B - 动态高精光栅尺舵偏角测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

动态高精光栅尺舵偏角测量装置及测量方法，涉及一种舵偏角测量系统。本发明解决了现有方法对舵偏角的测量精度低的问题。导轨托架组合与弧形导轨固定连接，限位组合套在舵面上，夹紧托架组合固定在舵面上，读数头安装夹紧托架组合上，光栅尺粘贴在弧形导轨上，光栅尺的圆心、读数头转动的圆心和舵轴重合。光栅传感器的光栅信号输出端与光栅信号处理单元的光栅信号输入端相连，光栅信号处理单元的光栅信号输出端与微控制器单元的控制信号输入端相连，微控制器单元的数据存储和读取端与数据存储单元的数据写入和读取端相连，微控制器单元的控制信号输出输入端与微处理器单元的控制信号输出输入端相连.本发明适用于对舵偏角的测量。

Description

动态高精光栅尺舵偏角测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种舵偏角测量系统，具体涉及一种动态高精光栅尺舵偏角测量装置及测量方法。

背景技术

导弹是现代战争的重要武器，是国防现代化的重要标志。现代战争对制导武器的发展提出了全新的要求，要求导弹能够准确、快速的打击目标，因此，在导弹的飞行过程中必须对导弹精确控制。

舵机伺服系统是导弹系统中不可或缺的组成部分，它控制导弹的飞行轨迹和飞行姿态。系统正常工作时，舵机控制器接收制导计算机给出的舵面偏转角信号，同时按照一定的算法控制舵面偏转，保证舵面在规定的时间内以一定的精度趋近给定偏角，同时将当前舵面的实际偏转角反馈给制导计算机；而当系统发生意外故障时，舵机控制器接收制导计算机的安控指令，按预定偏转角驱动舵面偏转，以配合导弹自毁动作的实现，以免导弹在运行过程中对非预定的目标造成意外伤害。因而，在导弹的生产、调试以及检验等过程中，准确测量舵面随舵机的实际偏转角度，对验证舵机控制的精度和有效性以及弹上控制算法的正确性有非常重要的意义。

目前有多种方法可实现对舵偏角测量，如人工手动测量方法、基于角位移传感器测量方法、光学视觉测量方法、光电旋转编码器测量方法、基于MEMS倾角传感器测量方法^[9]等。在这些方法中，人工手动测量方法自动化程度低，测量时需要的人员比较多，其次，由于人工观察舵面偏转角，易产生人为误差，测量精度低。基于角位移传感器测量方法中由于舵机和舵面之间依靠机械传动装置联接(比如齿轮、连杆等)，机械连接装置之间不可避免地会存在间隙，并且在受力时会发生变形，因此角位移传感器测量的数值并不能准确代表舵面的真实转动角度。基于光学视觉测量方法装置标定复杂，价格昂贵，其测量精度与所采用的图像处理算法有关，采用不同的图像处理算法得到的角度值不一样。基于光电旋转编码器舵偏角测量方法包括基于增量式光电旋转编码器测量和基于绝对式光电旋转编码器测量，增量式光电旋转编码器因无确定的对应测量点，一旦停电则失掉当前位置，且速度不可超越读数器极限响应速度。绝对式光电旋转编码器结构复杂、价格高，同时受码盘尺寸的限制，其精度有限。基于MEMS倾角传感器舵偏角测量中由于倾角传感器受被测装置运动加速度的影响，测量精度低。综上所述，已有的舵偏角测量方法存在着测量精度低、安装不便等缺点。

发明内容

为了解决现有方法对舵偏角的测量精度低的问题，提出了动态高精光栅尺舵偏角测量装置及测量方法。

动态高精光栅尺舵偏角测量装置括舵偏角测量支架、光栅传感器、舵偏角显示组合、上位机和舵偏角测量机箱；

舵偏角测量支架包括4个弧形导轨、4个夹紧托架组合、4个限位组合、1个导轨托架组合和4个定位板，

光栅传感器包括4个读数头和4段光栅尺，

舵偏显示组合包括光栅信号处理单元、微处理器单元、微控制器单元、数据存储单元、液晶显示单元、通讯单元和电源模块，

舵偏角测量机箱为标准的3U机箱，内部设置有一块电路板和电源，

导轨托架组合上设置有有四个支撑臂，所述四个支撑臂沿的中心沿圆周方向均匀分布，每个支撑臂的末端固定有一个弧形导轨、一个夹紧托架组合、一个限位组合、一个定位板、一个读数头和一段光栅尺，其中所述弧形导轨固定在支撑臂上，所述弧形导轨与定位板固定连接，所述定位板与夹紧托架组合固定连接，读数头安装在夹紧托架组合上，所述夹紧托架组合用于与待测舵面固定，限位组合套在舵面上，光栅尺粘贴在弧形导轨的内弧壁上形成圆光栅，该圆光栅的圆心、读数头转动的圆心均位于舵轴上,

光栅传感器的光栅信号输出端与光栅信号处理单元的光栅信号输入端相连，光栅信号处理单元的光栅信号输出端与微控制器单元的控制信号输入端相连,微控制器单元的数据存储和读取端与数据存储单元的数据写入和读取端相连，微控制器单元的控制信号输出输入端与微处理器单元的控制信号输出输入端相连，微处理器单元的显示信号输出端与液晶显示单元的显示信号输入端相连，微控制器单元通过通讯单元与上位机进行通讯，微处理器单元通过通讯单元与上位机进行通讯，电源模块的电信号输出端与光栅传感器的电信号输入端相连，舵偏角显示组合设置在舵偏角测量机箱内部。

采用动态高精光栅尺舵偏角测量装置实现舵偏角测量的方法，它包括的具体步骤如下：

步骤A1：将舵偏角测量支架安装到导弹尾部，并将夹紧托架组合固定在导弹尾部的舵面上；

步骤A2：开启舵偏角测量机箱上的的电源开关；

步骤A3：将舵偏角显示组合作为服务器，上位机作为客服端，配置上位机的网络信息实现上位机和舵偏角显示组合网络通讯；

步骤A4：上位机配置舵偏角显示组合的采样率、采样通道、存储时间信息；

步骤A5：舵面偏转时，光栅尺的主光栅和在读数头上的指示光栅相对位移会产生莫尔条纹，所述莫尔条纹即为光栅信号；

步骤A6：将步骤A8中采集到的光栅信号传送到光栅信号处理单元将该光栅信号转化为电信号；

步骤A7：光栅信号处理单元将得到的电信号通过微控制器单元传送到微处理器单元；

步骤A8：微处理器单元将接受到的电信号进行计算，得到舵面偏转的角度值；

步骤A9：微处理器单元将计算得到的舵面偏转的角度值通过通讯单元传送到上位机。

本发明相对于现有的方法具有安装简单、测量精度高等优点，在导弹的综合测试中，当舵机控制器接收制导计算机控制舵面偏转时，它能够实时、动态的测量舵面实际偏转的角度，角度测量范围不小于-40～+40°，测量精度不小于0.01°；可实时显示舵面偏转角度，并判断舵面偏转方向；舵偏显示组合能在上位机控制下实时记录舵偏角数值，数据存储空间为32M；在上位机控制下，舵偏角显示组合既可以连续测量、存储舵偏角数据，也可以单次测量舵偏角数据，还可以二者同时进行；舵偏显示组合可与上位机实现网口通讯。

由于光栅传感器测量精度高、质量小、非接触性测量等优点，非常适合高精度、快速测量的场合，因此，本发明研制了基于光栅传感器的舵偏角测量装置，可实现4路导弹舵偏角实时测量。

附图说明

图1是动态高精光栅尺舵偏角测量装置的电气原理示意图；

图2是具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置的电气原理示意图；

图3是舵偏角测量支架的主视图；

图4是舵偏角测量支架的俯视图；

图5是舵偏角测量机箱的主视图；

图6是舵偏角测量机箱的侧视图；

图7是舵偏角测量机箱的俯视图；

图8是具体实施方式八所述的舵偏角测量的方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置，它包括舵偏角测量支架1、光栅传感器2、舵偏角显示组合3、上位机4和舵偏角测量机箱；

舵偏角测量支架1包括4个弧形导轨1-1、4个夹紧托架组合1-2、4个限位组合1-3、1个导轨托架组合1-4和4个定位板1-5，

光栅传感器2包括4个读数头2-1和4段光栅尺2-2，

舵偏显示组合3包括光栅信号处理单元3-1、微处理器单元3-2、微控制器单元3-3、数据存储单元3-4、液晶显示单元3-5、通讯单元3-6和电源模块3-7，

舵偏角测量机箱5为标准的3U机箱，内部设置有一块电路板和电源，

导轨托架组合1-4上设置有有四个支撑臂1-4-1，所述四个支撑臂1-4-1沿1-4的中心沿圆周方向均匀分布，每个支撑臂1-4-1的末端固定有一个弧形导轨1-1、一个夹紧托架组合1-2、一个限位组合1-3、一个定位板1-5、一个2-1读数头和一段光栅尺2-2，其中所述弧形导轨1-1固定在支撑臂1-4-1上，所述弧形导轨1-1与定位板1-5固定连接，所述定位板1-5与夹紧托架组合1-2固定连接，读数头2-1安装在夹紧托架组合1-2上，所述夹紧托架组合1-2用于与待测舵面固定，限位组合1-3套在舵面上，光栅尺2-2粘贴在弧形导轨1-1的内弧壁上形成圆光栅，该圆光栅的圆心、读数头2-1转动的圆心均位于舵轴上。

光栅传感器2的光栅信号输出端与光栅信号处理单元3-1的光栅信号输入端相连，光栅信号处理单元3-1的光栅信号输出端与微控制器单元3-3的控制信号输入端相连,微控制器单元3-3的数据存储和读取端与数据存储单元3-4的数据写入和读取端相连，微控制器单元3-3的控制信号输出输入端与微处理器单元3-2的控制信号输出输入端相连，微处理器单元3-2的显示信号输出端与液晶显示单元的显示信号输入端相连，微控制器单元3-3通过通讯单元3-6与上位机4进行通讯，微处理器单元3-2通过通讯单元3-6与上位机4进行通讯，电源模块3-7的电信号输出端与光栅传感器2的电信号输入端相连，舵偏角显示组合3设置在舵偏角测量机箱内部。

本实施方式所述光栅信号处理单元3-1对光栅输出信号A1-A4、B1-B4和Z1-Z4进行处理，包括辨别出舵面偏转方向DIR信号DIR1-DIR4以及舵面正向转动信号UP信号UP1-UP4和反向转动信号DOWN信号DOWN1-DOWN4等；整个舵偏显示组合以FPGA作为微控制器，实现对处理后的光栅脉冲信号计数、数据存储、微处理器通讯等；电源模块3-7将220V的交流电压转换成产生+5V和+12V的直流电压，如图2所示。

舵偏角测量支架1安装在被测装置尾部，光栅尺2-2粘贴在安装支架上，读数头2-1和舵面通过夹紧托架组合1-2连接，当舵面转动时，夹紧托架组合1-2带动读数头2-1随舵面一起转动；弧形导轨1-1固定在导轨托架上，实现舵偏角的非接触测量；定位板1-5用于定位弧形导轨1-1，使弧形导轨1-1的圆心和舵轴的圆心重合。

舵偏角测量支架1是测量导弹尾部舵体转动角度的工装设备，安装在导弹尾部，当舵机控制器接收计算机给出的舵面偏转角信号并控制舵面偏转时，读数头2-1将随舵面一起转动，读数头2-1输出与舵面偏转角度成比例的电信号。

本实施方式保证所述光栅尺2-2的圆心、读数头2-1转动的圆心和舵轴重合的安装方式为：每个舵面上有一个定位孔，通过该空定位夹紧托架组合1-2，使夹紧托架组合1-2到舵面的后沿距离相等以及与舵面的上沿重合，读数头2-1安装在夹紧托架组合1-2上，可保证读数头2-1转动的圆心与舵轴重合；定位销2连接定位板1-5和夹紧支架组合，两个定位销2保证定位板1-5的圆心位与舵轴重合；定位销1连接弧形导轨1-1和定位板1-5，使弧形导轨1-1和定位板1-5的圆心重合，定位销1连接弧形导轨和定位板1-5，使弧形导轨1-1和定位板1-5的圆心重合，因此，弧形导轨的圆心与舵轴重合；使弧形导轨1-1的圆心与舵轴重合；固定好读数头2-1和弧形导轨1-1后，安装导轨托杆，随后取下定位板1-5。

本实施方式所述的电源模块3-6将220V的交流电压转换成产生+5V和+12V的直流电压。所述数据存储单元3-4包括两片16M的SDRAMS1-4R1-1M,用于存储舵面偏转角度多对应的脉冲数;液晶显示采用RS-232串口控制，实时显示4路舵面偏转的角度；

所述舵偏角测量机箱5的外部箱体是由顶板、底板、左右侧板和前后面板构成封闭式箱体，所述顶板、底板、左侧板、右侧板、前面板和后面板均采用硬质铝合金板，所述前面板装有状态指示灯、复位按键、电源开关，后面板装有电气连接器，如图5、图6和图7。

液晶屏选用5英寸的的液晶屏，状态指示灯包括+12V电源指示灯、+5V电源指示灯、四路舵偏角信号指示灯、故障指示灯和正常指示灯，后面板装有电气连接器包括电源连接器、网口连接器、四路光栅信号连接器和两路RS-422通讯连接器。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置的不同点在于，所述弧形导轨1-1是半径为180mm、圆心角为80°的圆弧导轨。

将光栅尺F粘贴在弧形导轨1-1上形成圆光栅。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置的不同点在于，所述微处理器单元3-2采用嵌入式计算机PC/104或ATmega128单片机实现。

本实施方式所述的PC/104作为备份微处理器，增加系统的扩展性，所述PC/104与USB接口、网口芯片、鼠标、键盘连接和液晶显示单元连接，微处理器单元3-2用于计算舵面偏转的角度值以及控制液晶显示和与外部计算机通过网口芯片进行数据传输。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置的不同点在于，所述微处理器单元3-2采用双处理器结构，所述双处理器分别采用嵌入式计算机PC/104和ATmega128单片机实现，其中嵌入式计算机PC/104作为备份微处理器。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置的不同点在于，所述微控制器单元3-3采用FPGA实现。

本实施方式所述的微控制器单元3-3也可以通过驱动器与LED相连。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置的不同点在于，所述液晶显示单元3-5与微处理器单元3-2之间采用RS-232串行通信方式实现数据传输。

本实施方式中的液晶显示单元3-5通过串口芯片RS-232与ATmega128单片机相连。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置的不同点在于，所述通讯单元3-6包括RS-422驱动芯片和网口芯片。

本实施方式所述通讯单元3-6实现舵偏显示组合与上位机进行命令和数据的交换，包括RS-422通讯和网口通讯，所述RS-422用于备份，微控制器FPGA通过光耦、驱动芯片，DC-DC电源模块与上位机进行通讯，网口通讯单元实现舵偏显示组合与上位机进行数据传输。

具体实施方式八：参见图8说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置实现舵偏角测量的方法，它包括的具体步骤如下：

步骤A1：将舵偏角测量支架1安装到导弹尾部，并将夹紧托架组合1-2固定在导弹尾部的舵面上；

步骤A2：开启舵偏角测量机箱5上的的电源开关；

步骤A3：将舵偏角显示组合3作为服务器，上位机4作为客服端，配置上位机4的网络信息实现上位机4和舵偏角显示组合3网络通讯；

步骤A4：上位机4配置舵偏角显示组合3的采样率、采样通道、存储时间信息；

步骤A5：舵面偏转时，光栅尺的主光栅和在读数头上的指示光栅相对位移会产生莫尔条纹，所述莫尔条纹即为光栅信号；

步骤A6：将步骤A8中采集到的光栅信号传送到光栅信号处理单元3-1将该光栅信号转化为电信号；

步骤A7：光栅信号处理单元3-1将得到的电信号通过微控制器单元3-3传送到微处理器单元3-2；

步骤A8：微处理器单元3-2将接受到的电信号进行计算，得到舵面偏转的角度值；

步骤A9：微处理器单元3-2将计算得到的舵面偏转的角度值通过通讯单元3-6传送到上位机4。

Claims (8)

1.动态高精光栅尺舵偏角测量装置，其特征在于,它包括舵偏角测量支架(1)、光栅传感器(2)、舵偏角显示组合(3)、上位机(4)和舵偏角测量机箱；

舵偏角测量支架(1)包括4个弧形导轨(1-1)、4个夹紧托架组合(1-2)、4个限位组合(1-3)、1个导轨托架组合(1-4)和4个定位板(1-5)，

光栅传感器(2)包括4个读数头(2-1)和4段光栅尺(2-2)，

舵偏角显示组合(3)包括光栅信号处理单元(3-1)、微处理器单元(3-2)、微控制器单元(3-3)、数据存储单元(3-4)、液晶显示单元(3-5)、通讯单元(3-6)和电源模块(3-7)，

舵偏角测量机箱(5)为标准的3U机箱，内部设置有一块电路板和电源，

导轨托架组合(1-4)上设置有四个支撑臂(1-4-1)，所述四个支撑臂(1-4-1)沿导轨托架组合(1-4)的中心沿圆周方向均匀分布，每个支撑臂(1-4-1)的末端固定有一个弧形导轨(1-1)、一个夹紧托架组合(1-2)、一个限位组合(1-3)、一个定位板(1-5)、一个读数头(2-1)和一段光栅尺(2-2)，其中所述弧形导轨(1-1)固定在支撑臂(1-4-1)上，所述弧形导轨(1-1)与定位板(1-5)固定连接，所述定位板(1-5)与夹紧托架组合(1-2)固定连接，读数头(2-1)安装在夹紧托架组合(1-2)上，所述夹紧托架组合(1-2)用于与待测舵面固定，限位组合(1-3)套在舵面上，光栅尺(2-2)粘贴在弧形导轨(1-1)的内弧壁上形成圆光栅，该圆光栅的圆心、读数头(2-1)转动的圆心均位于舵轴上，

光栅传感器(2)的光栅信号输出端与光栅信号处理单元(3-1)的光栅信号输入端相连，光栅信号处理单元(3-1)的光栅信号输出端与微控制器单元(3-3)的控制信号输入端相连,微控制器单元(3-3)的数据存储和读取端与数据存储单元(3-4)的数据写入和读取端相连，微控制器单元(3-3)的控制信号输出输入端与微处理器单元(3-2)的控制信号输出输入端相连，微处理器单元(3-2)的显示信号输出端与液晶显示单元的显示信号输入端相连，微控制器单元(3-3)通过通讯单元(3-6)与上位机(4)进行通讯，微处理器单元(3-2)通过通讯单元(3-6)与上位机(4)进行通讯，电源模块(3-7)的电信号输出端与光栅传感器(2)的电信号输入端相连，舵偏角显示组合(3)设置在舵偏角测量机箱内部。

2.根据权利要求1所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置，其特征在于，所述弧形导轨(1-1)是半径为180mm、圆心角为80°的圆弧导轨。

3.根据权利要求1所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置，其特征在于，所述微处理器单元(3-2)采用嵌入式计算机PC/104或ATmega128单片机实现。

4.根据权利要求1所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置，其特征在于，所述微处理器单元(3-2)采用双处理器结构，所述双处理器分别采用嵌入式计算机PC/104和ATmega128单片机实现，其中嵌入式计算机PC/104作为备份微处理器。

5.根据权利要求1所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置，其特征在于，所述微控制器单元(3-3)采用FPGA实现。

6.根据权利要求1所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置，其特征在于，所述液晶显示单元(3-5)与微处理器单元(3-2)之间采用RS-232串行通信方式实现数据传输。

7.根据权利要求1所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置，其特征在于，所述通讯单元(3-6)包括RS-422驱动芯片和网口芯片。

8.采用权利要求1所述的动态高精光栅尺舵偏角测量装置实现舵偏角测量的方法，其特征在于，它包括的具体步骤如下：

步骤A1：将舵偏角测量支架(1)安装到导弹尾部，并将夹紧托架组合(1-2)固定在导弹尾部的舵面上；

步骤A2：开启舵偏角测量机箱(5)上的的电源开关；

步骤A3：将舵偏角显示组合(3)作为服务器，上位机(4)作为客户端，配置上位机(4)的网络信息实现上位机(4)和舵偏角显示组合(3)网络通讯；

步骤A4：上位机(4)配置舵偏角显示组合(3)的采样率、采样通道、存储时间信息；

步骤A5：舵面偏转时，光栅尺的主光栅和在读数头上的指示光栅相对位移会产生莫尔条纹，所述莫尔条纹即为光栅信号；

步骤A6：将步骤A5中采集到的光栅信号传送到光栅信号处理单元(3-1)将该光栅信号转化为电信号；

步骤A7：光栅信号处理单元(3-1)将得到的电信号通过微控制器单元(3-3)传送到微处理器单元(3-2)；

步骤A8：微处理器单元(3-2)将接受到的电信号进行计算，得到舵面偏转的角度值；

步骤A9：微处理器单元(3-2)将计算得到的舵面偏转的角度值通过通讯单元(3-6)传送到上位机(4)。