基于LabVIEW的水下自航式靶運動控制技術

汪 鋒 孫開江 邢慶龍

(1.91388部隊 93分隊 湛江 524022)(2.長江武漢航道局 武漢 430014)

基于LabVIEW的水下自航式靶運動控制技術

汪 鋒1孫開江2邢慶龍1

(1.91388部隊 93分隊 湛江 524022)(2.長江武漢航道局 武漢 430014)

運動控制技術直接影響水下自航式靶標航行穩定性、操控性和機動能力,基于實驗室虛擬儀器工作平臺設計了一種水下自航式靶運動控制系統,對運動控制系統原理、軟硬件方案的選擇、功能模塊的具體實現及軟件編制過程進行詳細闡述,在實驗室對運動控制系統進行驗證,結果表明該系統實現了控制信號的產生、多通道連續數據采集等功能,能完成水下自航式靶水下空間運動。

運動控制; 靶標; 虛擬儀器

Class Number TP273+.1

1 引言

近年來,水中兵器的技術進步不斷推動著水下靶標的發展,水下自航式靶標是一個重點研究方向,水下自航式靶標運動控制技術作為關鍵技術,其性能直接影響水下自航式靶標的航行穩定性、操控性和機動能力。

2 水下自航式靶運動控制系統基本結構

水下自航式靶的運動控制的主要參數是深度(從海面到水下自航式靶重心的垂直距離)、高度(從海底到水下自航式靶重心的垂直距離)、航行速度、航向角(水下自航式靶艏向相對于地理北的夾角)和位置等[1]。為獲得良好的控制性能,又不使問題復雜化,對這些參數采用單回路閉環控制,不考慮各自由度之間的耦合。根據任務需求,需要閉環控制的回路的數量是不一樣的,一般說來,深度回路、速度回路和航向回路都需閉環控制,即自動定深、自動定速和自動定向[2～3]。

實驗室虛擬儀器工作平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabVIEW)在各種測試系統和控制儀器領域中,已經得到廣泛的應用,它使用圖形化編程語言G語言編寫框圖式程序,直觀形象,交互式圖形化儀器面板提供了豐富的控件,在后面板的圖形化編程中封裝了豐富的算法,為軟件開發帶來了極大的方便,同時它還提供了強大的數據采集功能,并且還具備高精度的數模轉換器(Digital to Analog Converter,DAC)輸出功能,通過計算機可以方便快速地對下位機儀器進行高精度的數據采集。LabVIEW封裝的比例-積分-微分(Proportion Integration Differentiation,PID)工具包集成了全面的PID控制算法,可以適合各個領域的高精度控制[4]。水下自航式靶以電機、螺旋槳作為動力部件,舵作為方向部件,基于LabVIEW編輯控制軟件,加上計程儀、深度計、姿態傳感器等一系列傳感器的配合,完成對水下自航式靶的運動控制[5]。如圖1所示為基于LabVIEW實現的水下自航式靶運動控制系統框圖,該運動控制系統由速度閉環控制系統、深度閉環控制系統和航向閉環控制系統組成,可完成水下自航式靶6自由度水下空間運動。

圖1 基于LabVIEW實現的水下自航式靶運動控制系統框圖

3 水下自航式靶運動控制系統

3.1 硬件組成

整個運動控制系統包括舵機系統和推進系統,其中核心器件有電機、供電模塊、編碼器、采集卡、信息處理機等。

3.1.1 扭矩電機

舵機系統是完成航向、深度控制的關鍵,而扭矩電機是舵機系統的核心。美國Tecnadyne公司產品MODEL61扭矩電機是一種適用于水下自航式載體舵機系統的典型電機。

已知的MODEL61主要技術指標:最大扭矩:81N.m；最大旋轉速率:900/s；編碼器分辨率:0.10；耐壓深度:1500m電氣接口:300V直流動力電、12V直流設備電、±5直流控制信號；重量:4.8kg(空氣中),2.5kg(水中)。

如圖2所示為 MODEL61扭矩電機實物,其大口徑端為電機,小口徑端為編碼器。

圖2 MODEL61扭矩電機實物

3.1.2 供電模塊

MODEL61扭矩電機正常工作需為其提供±5V、5～12V、300V等各種直流信號,±5V、5～12V等電壓信號一般電子設備和電源都可以提供,但300V的直流電源價格昂貴,采用220V交流電進行交直流轉換的方式設計300V直流供電電源模塊。如圖3所示為橋式整流電路,220V交流電經過橋式整流電路之后輸出310V左右的直流電壓,可以滿足電機的電源需求,因此電源模塊中不需電源變壓器。

圖3 橋式整流電路及封裝

如圖4所示為濾波電路,濾波電路采用電容C與負載RL并聯。將圖4中的電容C由3個120μF的電容并聯,這樣電路提供的直流電壓波動滿足電機需求,因此不需再加穩壓電路。MODEL61扭矩電機的的最大功率為600w,為提高電路的安全性能,防止電流過大對電機造成的損害,在交流電接入位置和輸出電壓位置各接入了一個2A的保險絲。

圖4 濾波電路

3.1.3 編碼器

編碼器是一種機電裝備,可以用來測量機械運動或者目標位置。當MODEL61扭矩電機工作時,采集編碼器A、B、Z三個輸出端的信號,如圖5,A、B輸出信號都是規則的矩形波,占空比為50%,Z輸出信號一直是高電平,可知其是增量式光電編碼器。僅編碼器一路脈沖輸出不能確定旋轉的角度,如果使用兩路碼道,而且知道兩個扇區之間的相位差,那么通過兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉的方向兩個信息。如圖5,A-PHAS和B-PHAS前后錯開1/4個周期,即相位差為90°,可知該編碼器為正交光電編碼器。如果通道A相位超前,碼盤就以順時針旋轉。如果通道B相位超前,那么碼盤就是以逆時針旋轉。因此,通過計數器監控脈沖的數目和信號A、B之間的相對相位信息,就可以同時獲得旋轉的位置和方向信息。而Z-PHASE被稱為零信號或者參考信號,可設定這個通道每旋轉一圈輸出一個單脈沖。

3.1.4 數據采集卡

因為需采集深度計、計程儀、姿態儀等傳感器信號,并且還需輸出電機控制信號,涉及到模擬、數字信號輸出與采集和計數器功能,故在眾多NI-DAQ采集卡中選擇USB-6216螺栓端子型采集卡,其螺栓端子如圖6中所示。NI USB-6216是一款USB總線供電M系列多功能DAQ模塊,該模塊提供了16路模擬輸入；250kS/s單通道采樣率；2路模擬輸出；16路數字輸入線；16路數字輸出線；每通道有4個可編程輸入范圍(±0.2,±10V)；數字觸發；2個計數器/定時器。它是為移動應用或空間上有限制的應用專門設計,其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設置時間,同時他能直接和螺絲端子相連,不僅減少了成本還簡化了信號的連接[6～7]。

要對一個MODEL61扭矩電機形成閉環控制,在滿足電源電壓的前提下,需要選擇NI USB-6216采集卡計數器端子采集編碼器信號,如圖7為NI USB-6216默認的計數器端口。

圖6 USB-6216螺栓端子

計數器/定時信號默認的引腳編號信號名稱CTR0SRC33PFI8CTR0GATE34PFI9CTR0AUX35PFI10CTR0OUT38PFI12CTR0A33PFI8CTR0Z34PFI9CTR0B35PFI10CTR1SRC4PFI3CTR1GATE6PFI4CTR1AUX36PFI11CTR1OUT39PFI13CTR1A4PFI3CTR1Z6PFI4CTR1B36PFI11FREQOUT40PFI14

圖7 USB-6216計數器端口

如果選擇計數器CTR0,則MODEL61扭矩電機上編碼器接頭針A-PHASE、0V、B-PHASE分別與NI USB-6216引腳33、34、35連接,如圖8,當然,還可以選擇計數器CTR1,引腳接法與前者類似。

圖8 編碼器接頭與NI USB-6216引腳連接圖

同時,需要輸出±5V信號控制電機速度和轉向,NI USB-6216有兩路模擬輸出,如果選擇AO0路,則引腳接法如圖9,如選擇AO1,接法類似。

圖9 NI USB-6216輸出電機控制信號引腳接法

3.2 基于LabVIEW的軟件控制模塊

前文詳細描述了通過NI USB-6216將電源、MODEL61扭矩電機實現閉環連接的方法,具體的信號處理方式、算法和人機交互界面得通過基于LabVIEW的軟件控制模塊來實現, NI USB-6216與計算機連接,軟件模塊的編譯和調試在計算機上完成。整個軟件控制模塊可分為深度閉環控制控制模塊、速度閉環控制模塊和航向閉環控制模塊。下文主要從航向閉環控制系統角度來闡述整個軟件編制過程。

3.2.1 對編碼器信號采集的處理

光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號基本周期數來表示的,即脈沖數/轉(PPR)。MODEL61扭矩電機上的編碼器分辨率為0.1°,即PPR為3600脈沖/轉。在軟件中對光電轉換信號進行X1、X2、X4三種邏輯編碼,可以得到1倍頻、2 倍頻或4 倍頻的脈沖信號,倍頻越高分辨率也越高。

設置了編碼類型以及脈沖計數類型,使用下列公式就可把數值信息轉換為位置信息:

對于轉動位置,即

其中N=軸每旋轉一周過程中編碼器所生成的脈沖數目, MODEL61扭矩電機的編碼器分辨率為0.1°,則N=3600；x=編碼類型,即倍頻數,為提高分辨率,如采用X4編碼,則x=4。

3.2.2 航向控制算法

在整個航向控制過程中,螺旋槳轉動提供水下自航式靶前進的動力,舵角的變化完成航向調整,采用簡單的自適應算法就可實時控制。如圖10所示,期望航向和實時航向進行比較,如果相等則航向正確,扭矩電機將舵置于零位不動；如果期望航向比實時航向偏右,則右滿舵,當實時航向與期望航向相等時,舵角回零；如果期望航向比實時航向偏左,則左滿舵,當實時航向與期望航向相等時,舵角回零[8～9]。上述流程循環進行,達到閉環控制航向目的。

圖10 航向閉環控制算法流程

3.2.3 軟件運行流程及人機界面說明

圖11 軟件模塊前視圖

如圖11所示,整個人機交互界面包括舵角參數設置、通道設置、定時設置、觸發設置、航向設置、采集數據、舵角大小等7個模塊。在參數設置模塊中,可設置扭矩電機速度控制電壓,滿舵角即舵可以擺動的最大角度,為了減小舵擺動過程對航向控制造成的影響,此處默認最大速度轉動舵,即扭矩電機速度控制電壓設定為5V。滿舵角根據自航式靶實際情況設定,如果要求自航式靶的回轉半徑小,則滿舵角大,反之亦然。同時該模塊還包括舵角到位、左滿舵、右滿舵和航向調整到位的指示燈,還可以看見整個航向調整周期所耗時長[10～11]。在通道設置模塊,根據NI USB-6216采集卡和編碼器實際接線情況,選擇合適的計數器。定時設置模塊設置采集編碼器信號循環時間。采集數據模塊顯示計數器所計數的脈沖數目。舵角大小模塊設定倍頻方式和實時顯示舵角大小。觸發設置模塊設置脈沖計數觸發類型。航向設置模塊將期望航向與實時航向進行比較,并設定扭矩電機工作方式,達到調整航向的目的,程序運行流程如圖12。

圖12 自航式靶向右轉時程序運行流程圖

3.2.4 速度閉環控制模塊和深度閉環控制模塊

速度閉環控制模塊是將編碼器輸出數據經過處理得到實時轉速,電機轉速和自航式靶速度有經驗關系,通過變化電機速度控制電壓的大小達到控制自航式靶速度的目的。深度閉環控制模塊與航向閉環控制模塊基本一樣,只需將航向改成深度即可。

4 水下自航式靶運動控制系統實驗室實現

4.1 平臺搭建

圖13 水下自航式靶運動控制系統運行平臺

如圖13所示,采用普通電源為MODEL61扭矩電機和編碼器提供直流設備電, NI USB-6216采集卡采集編碼器信號,并輸出控制信號,在計算機上運行程序完成閉環控制。MODEL61扭矩電機上電狀態時要求處于水中,故將其放在水桶中。

4.2 系統運行

4.2.1 向右航行

如圖14所示,期望航向右偏43°,故向右航行,舵角順時針轉動。

圖14 向右航行

圖15 右滿舵

如圖15所示,電機工作一段時間后,舵角達到最大位置,即右滿舵,舵角指示燈和右滿舵指示燈亮,繼續進行航向調整。

圖16 右轉到位

如圖16所示,右轉航向調整到位,舵角回零,航向回零,舵角指示燈和航向調整到位指示燈亮,同時界面可讀取航向調整時長。

4.2.2 向左航行

如圖17所示,期望航向左偏109°,故向左航行,舵角逆時針轉動。

如圖18 所示,電機工作一段時間后,舵角達到最大位置,即左滿舵,舵角指示燈和左滿舵指示燈亮,繼續進行航向調整。

圖17 向左航行

圖18 左轉舵角到位

圖19 左轉到位

如圖19所示,左轉航向調整到位,舵角回零,航向回零,舵角指示燈和航向調整到位指示燈亮,可從界面讀取航向調整時長。

5 結語

從水下自航式靶在水下進行空間運動的基本原理出發,將水下自航式靶運動控制系統簡化為速度、航向和深度三個閉環控制。按照上述原理,選擇合適硬件,基于LabVIEW軟件,編輯了航向閉環控制系統軟件,并在實驗室搭建平臺進行驗證,結果表明,整個運動控制系統有效,對水下自航式靶運動控制系統技術研究有一定參考價值。

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Motion Control Technique of Self-propelled Underwater Target Based on LabVIEW

WANG Feng1SUN Kaijiang2XING Qinglong1

(1. Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)(2. Changjiang Wuhan Waterway Bureau, Wuhan 430014)

The motion control technique have direct impact on the sailing stability, controllability and maneuverable of the self-propelled underwater target, a motion control system of self-propelled underwater target is designed based on LabVIEW, the principle of motion control system, the choice of software and hardware scheme, the concrete implementation of function module and the procedure of software development are expounded in detail, the motion control system in the laboratory is verified, the results show that the system has realized the generation of control signal, the acquisition multichannel continuous data, and other functions, can let the self-propelled underwater target complete underwater space motion.

motion control, target, LabVIEW

2016年7月9日,

2016年8月12日

汪鋒,男,碩士,工程師,研究方向:水下靶標技術。

TP273+.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.034