一種用于動態(tài)跟蹤瞄準的高精度電控導軌設計與實現(xiàn)

劉 莎 姜云翔 王占濤 王春喜 沙春哲

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

火箭的瞄準系統(tǒng)是地面系統(tǒng)的重要組成部分，其瞄準精度直接影響火箭的飛行可靠性和入軌精度。傳統(tǒng)的地面瞄準系統(tǒng)中，箭體上目標瞄準棱鏡準直的過程一般由人工操作完成，其瞄準精度受制于人工操作的規(guī)范性和操作人員的熟練度，存在發(fā)射準備時間過長和精度不高的缺陷[1]。

新一代運載火箭基于“三化”設計思想研制，采用捷聯(lián)慣組初始定位方式，地面瞄準時，目標棱鏡不再旋轉和實時調平；同時考慮箭體在發(fā)射臺上存在偏心，縱軸線的制造傾斜誤差和大尺寸箭體在日照下變形等因素的影響，使得目標棱鏡的位置變化很大，若繼續(xù)采用先前的人工瞄準方式，則仍無法避免操作人員操作規(guī)范性、熟練度、視覺疲勞等因素，制約瞄準精度的進一步提高。因此提出用遠程自動化瞄準方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工瞄準方案，通過研制高精度、高性能的電控導軌，搭載瞄準儀對箭上棱鏡自準直，實現(xiàn)對箭上棱鏡的自動平移跟蹤，為箭體初始方位角全自動測量實現(xiàn)提供技術保障。

2 設計條件

2.1 功能要求

電控導軌的主要功能是用于架設瞄準儀，為瞄準儀提供一個工作平臺和運動載體。其基本功能要求是：

(1)遠程電控平移功能，通過串口通訊控制瞄準儀在導軌上運動；

(2)手動平移功能，通過平移手輪，控制與遠控功能互鎖；

(3)基座可調平及升降功能。

2.2 技術指標

考慮箭體加注變形、風載、日照以及棱鏡棱線不水平度等影響，同時根據新一代運載火箭地面瞄準系統(tǒng)的功能要求，電控導軌的主要技術指標如下表1所示。

表1 主要技術指標

Tab.1 Main technical parameters

3 設計方案

3.1 工作原理及組成

當火箭受加注、日照等因素影響，箭體發(fā)生緩慢變形時，電控導軌在遠程上位機控制下通過傳動機構將電機旋轉運動轉換成滑板的直線運動，帶動臺面上瞄準儀對箭上瞄準棱鏡的橫向平移跟蹤，保證瞄準儀將光軸中心自動準直到棱鏡的中心位置。工作示意如下圖1所示。當跟蹤失敗，丟失目標時，系統(tǒng)啟動快速搜索模式，電控導軌接收到上位機指令后，搭載瞄準儀在全程范圍內快速搜索棱鏡，直到再次捕捉到棱鏡法線。

圖1 電控導軌工作示意圖Fig.1 Electronic control rail work general view

電控導軌在結構上分為導軌組件和基座組件兩部分，形成上下分體結構，如下圖2所示。其中導軌組件中包含平移機構、傳動機構、電氣控制單元和瞄準儀接口等。基座組件包括縱向導軌、支架、升降機構、縱向手輪、腳輪等。導軌組件與基座組件形成上下分體結構。導軌組件主要實現(xiàn)瞄準儀的橫向平移往復運動，基座組件具有支撐及調平功能。圖3為電控導軌結構示意圖。

圖2 電控導軌結構組成Fig.2 Electronic control rail structural composition

圖3 導軌結構示意圖Fig.3 Rail structure general view

3.2 基座組件設計

基座是電控導軌的工作平臺，為導軌組件提供穩(wěn)定的工作基面，主要起著承載、調平、調整工作高度等方面的作用，設計方案如下:

(1)基座主體采用鑄鋁件+加強筋+四腳結構，結構輕巧，穩(wěn)定性好；

(2)支撐機構具有高低調整功能，便于在架設瞄準儀時，使瞄準儀光軸大致與慣組棱鏡等高；

(3)支撐機構具有調平功能，由四個高度調節(jié)螺旋進行支撐，同時具有調平及調平后的鎖緊功能；

(4)附件中增加腳輪，搬移時腳輪落地，架設時腳輪收起，方便搬運和移動。

3.3 導軌組件

3.3.1 平移機構設計

運動導軌主要有直線滑動導軌和直線滾動導軌兩種，其性能優(yōu)缺點對比見表2。

表2 直線滑動導軌和直線滾動導軌對比

Tab.2 Linear slide guide and linear rolling guide comparison

根據電機控制精度和導軌定位精度要求，本文選用摩擦系數小、磨損小和定位精度更高的直線滾動導軌作為平移機構。瞄準儀在絲杠的驅動下在導軌上加速起動和減速制動時，會對導軌產生傾覆力矩MA。同時，為了保證瞄準儀在導軌上平移時的直線性，需要滑塊在導軌上克服沿豎直方向和沿導軌長度方向的兩個旋轉力矩MB和MC，如下圖4所示。因此，滾動直線導軌副的滑塊選用四方向等載荷型滾動直線導軌副，可以承受三方向旋轉力矩。

圖4 直線滾動導軌副Fig.4 Linear rolling guide assistan

梯形螺桿傳動效率η

η=tanλtan(λ+ρ′)=0.43

(1)

式中：λ——螺紋升角；ρ′——當量摩擦角。

3.3.2 傳動機構設計

導軌最大平移速度為vmax=0.1m/s，加速度a=1m/s2，取直線導軌的摩擦系數μ=0.05。

則最大驅動力Fmax

82例患者中，急性血栓9例，血栓大小：長0.6～22.0 cm，直徑0.7～3.3 cm，彩色多普勒超聲檢查病變靜脈管腔明顯增寬，其內充滿低或無回聲，血管壁與血栓界限清晰，無增厚，病變處無血流信號；陳舊性血栓73例，其中28例為伴有再通的不全性血栓，彩色多普勒超聲顯示病變靜脈管徑粗細不等，管壁局限性或彌漫性增厚，管腔內有強弱不等的實性回聲，與血管壁分界不清，局部管腔血流充盈缺損，血流變細，周邊有縫隙狀血流信號。

Fmax=μmg+maηη1=140.2N

(2)

式中：η1——彈性聯(lián)軸器的傳動效率，η1=0.995。

根據伺服系統(tǒng)最大平移速度，計算螺桿最大轉速nmax

nmax=vmaxS=1 500r/min

(3)

螺桿與聯(lián)軸器之間采用直連方式，則電機輸出軸最大轉速為1 500r/min。

最大電機驅動轉矩Mmax

(4)

式中：d2——梯形螺桿中徑;d2=18mm。

電機功率Pmax

Pmax=Mmax9550nmax=32.7W

(5)

根據以上計算參數，本文采用MAXON盤式無刷直流旋轉電機EC-90，該電機集成換向霍爾傳感器和1 600 lines增量式編碼器，其基本參數為：

額定電壓：+24V 額定轉速：2 650r/min

圖5 電控導軌電氣原理框圖Fig.5 Electronic control rail electric functional block diagram

3.3.3 控制單元

電控導軌的控制單元主要包括CPU、驅動電路、EC90電機、編碼器、限位模塊、電源模塊、串口通信、控制面板等模塊。控制電路全部集成在導軌的電控盒中，實現(xiàn)電氣供電、狀態(tài)顯示、電機驅動、人機接口以及與上位機進行串口通信等功能，電氣原理框圖見圖5。

3.3.3.1 硬件設計

主控制器采用ATMEL公司生產的Atmega128單片機實現(xiàn)綜合控制[2]，實現(xiàn)電機、上位機通信、人機接口等功能。其基本電路原理如圖6所示。

圖6 硬件電路原理圖Fig.6 Hardware circuit schematic diagram

(1)IGBT驅動單元

電機驅動采用MC33035驅動芯片完成，該芯片具有三個集電極開路的頂部輸出和推挽底部輸出。具有完整的轉子位置譯碼器，同時具有欠壓鎖定、過流保護和阻尼制動等功能。原理圖如圖7所示。

圖7 驅動電路原理圖Fig.7 Drive circuit schematic diagram

該驅動芯片工作于閉環(huán)狀態(tài)時，通過給定電壓來控制電機的轉速，同時由MC33035通過采集換向霍爾傳感器積分計算轉速，作為速度反饋，保證速率的穩(wěn)定性，換向霍爾傳感器作為轉子位置解碼器的輸入，用于控制三個頂部輸出和底部輸出。最終實現(xiàn)給定電壓控制MOSFET(IGBT)的開關實現(xiàn)速度控制，同時由控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的I/O控制，急停開關實現(xiàn)阻尼制動[3]。

(2)死區(qū)處理單元

電機在啟動時其轉子位置是不可預知的，易處于死區(qū)位置，此時電機無法啟動。本文采用三態(tài)開關電路在系統(tǒng)給出啟動信號后讀取換向霍爾傳感器的狀態(tài)，判斷電機是否運行，若電機沒有運行，通過控制器人為給定霍爾傳感器的位置信息，以此改變MC33035的驅動信號，解決電機在死區(qū)無法啟動的問題。

(3)編碼器解碼及速率給定

編碼器的解碼采用控制器自帶的16位加減計數器實現(xiàn)。整個控制過程可以描述為：給出啟動信號，16位加減計數器開始計數，同時16位定時器開始工作，在定時時間內讀取計數器的數據，依次解算當前電機的運行速度，經過PID運算由程控電位器實現(xiàn)速率給定。

(4)冗余限位保護

導軌的左右兩端分別安裝限位保護模塊，采用限位開關和霍爾元件或門邏輯實現(xiàn)冗余限位，當兩者中任意一個觸發(fā)，則觸發(fā)CPU中斷，導軌將在電機驅動下快速減速停止，防止出現(xiàn)堵轉。

3.3.3.2 軟件設計

電控導軌軟件是固化在主控板上的嵌入式軟件，實現(xiàn)與編碼器的通信、與上位機的通信、電機控制等功能。

軟件分為手動操作模式和電動操作模式兩種。手動模式完成電機運行方向選擇、啟停功能、限位檢測，編碼器通信等功能，在該模式下，電機處于位置開環(huán)狀態(tài)；電動操作模式下，電機處于位置閉環(huán)反饋狀態(tài)，除完成與手動模式相同的功能以外，還實現(xiàn)與上位機握手通信功能，與上位機的數據交互關系如圖8所示。程序流程圖如圖9所示。

圖8 與上位機的數據交互關系圖Fig.8 Data interaction schema with upper computer

圖9 電控導軌軟件流程圖Fig.9 Electronic control rail software flow diagram

3.3.4 接口

3.3.4.1 機械接口

與瞄準儀連接通過三個角落采用點線面方式與導軌組件進行對接，三個腳螺均布在φ204mm的圓周上，對接后用螺紋連接實現(xiàn)固緊。

3.3.4.2 數據接口

與上位機數據接口采用傳統(tǒng)的RS-232通信，采用握手協(xié)議，響應時間不超過200ms；含CRC校驗，接口加電平隔離轉換芯片，保證了數據通信的可靠性。

表3 電控導軌直線性誤差測試結果

Tab.3 Test result of linear error of electronic control guide rail (″)

4 試驗驗證及結果分析

4.1 直線度誤差測試

在直線運動的精度標準中，其直線度誤差包括電控導軌在水平面內的方位誤差Δy和在垂直面內的俯仰誤差Δz。導軌直線度誤差測試采用非接觸的光電自準直儀法[4]。表3為導軌經高低溫試驗及運輸試驗后直線性誤差測試結果。圖10為測量導軌直線度誤差的測試現(xiàn)場。測試結果顯示：

手動模式下Δymax=3.5″，Δzmax=-6.9″；

電動模式下Δymax=-2.4″，Δzmax=-6.5″；

由此可見，方位誤差最大為3.5″，俯仰誤差最大為6.9″，滿足方位誤差不大于±10″、俯仰誤差不大于±15″的精度要求，從而保證了自瞄準測量結果的準確度。

圖10 導軌直線度誤差檢測Fig.10 Rail linearity error detection

4.2 定位精度測試

采用RS232串口將上位機與導軌相連，設定運行速度為100mm/s，以0刻度點為參考起點，上位機發(fā)送運行位移及方向指令，在-220mm～220mm之間每隔20mm進行實際運行位移測試，測試結果如表4所示。

對實際測試數據進行一元線性回歸分析，得出相關系數0.9999，約為1； 回歸方程y=0.9998x+0.0087，斜率約等于1，截距約等于0.01。MATLAB統(tǒng)計結果如圖11 所示。試驗結果表明，本文所研制的電控導軌在全程范圍內能夠實現(xiàn)分辨率0.1mm、定位精度1mm，具有較高的性能。

4.3 系統(tǒng)聯(lián)調驗證

瞄準實驗室內，將瞄準儀架設在電控導軌的點-線-面接口上，連接導軌通訊電纜于瞄準控制器；系統(tǒng)上電后，先對導軌進行自檢，然后使瞄準儀大致對準瞄準棱鏡，開啟自動指令操作模式，瞄準控制器根據采樣回來的數據信息，不斷將位移、方向、速度等指令發(fā)送給電控導軌，電控導軌能夠在200ms內給出響應并帶動瞄準儀到達指定位移，直到瞄準儀與棱鏡法線準直為止。聯(lián)調結果表明，在電控導軌的配合下，瞄準儀能夠實現(xiàn)與棱鏡快速自動準直，大大提高了自瞄準的效率。

表4 實測位移與標準位移測試結果

Tab.4 Test result of actual displacement and standard displacement mm

注：定義導軌向右運行位移為正，向左運行位移為負。

圖11 實測數據擬合曲線Fig.11 Measured data fitted curve

5 結束語

電控導軌采用快速裝調技術保證了10″內的高直線度，設計電機驅動電路和控制算法來控制電機的啟停及正反轉運動，實現(xiàn)分辨率0.1mm、定位精度1mm，具有直線度高、響應速度快、精度高等優(yōu)點。應用表明，該電控導軌實現(xiàn)了新一代運載火箭中地面瞄準系統(tǒng)對箭上棱鏡的遠程自動化測量的運動控制，具有廣闊的應用前景。

[1] 吳少光，張尚敏. 戰(zhàn)術導彈自準直瞄準系統(tǒng)設計與仿真[J]. 戰(zhàn)術導彈技術，2007(2)：74～79.

[2] 劉蘭香，張秋生. Atmega128 單片機應用與開發(fā)實例[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3] 楊穎輝. 基于AVR控制器的步進電機開環(huán)定位控制技術研究[J]. 宇航計測技術，2016(3).

[4] 王麗鳳，孔慶忠. 導軌直線度誤差的測量[J]. 應用科技，2016(19).