载体仿真设备的设计与实现

王贤亮，李红钢

(1.中国船舶重工集团公司第七一七研究所武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430073;2.中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

载体的振动可作为一个刚体来研究。一般来说，一个刚体有6个自由度，分别是纵向振动、横向振动、竖向振动、侧倾振动、纵倾振动和偏航振动。其中竖向振动、侧倾振动和纵倾振动具有较大的实用价值，而另外3种振动很少以振动的方式出现，因为在这3种振动中没有恢复力的存在［1－3］。因此我们主要研究侧倾振动、纵倾振动及竖向振动，对应数据输出量分别为横摇、纵摇及首摇。

1 光电载体平台运动的仿真模型

根据刚体振动的一般理论，对于1个自由度(侧倾振动、纵倾振动或竖向振动)的阻尼振动力学模型，当振动恢复力与路程成正比、阻尼力与速度成正比时，运动方程为如下形式:

式中:m为质量;k为阻尼系数;c为弹性系数;F(t)为干扰力。

对于舰载设备，干扰力主要来自迫使载体产生振动的波浪;对于机载设备，干扰力主要来自迫使载体产生振动的气流;而对于车载设备，干扰力主要来自路面障碍物的碰撞。无论是舰载、机载还是车载，其主要干扰力为一种周期性外力，载体在这种周期性外力的持续作用下引起的振动是强迫振动。

当干扰力为简谐力时(F(t)=F0*sin(ωt))，运动方程可改写为

式中:2n=k/m;wx=

这是一个二阶常系数微分方程，其通解由2部分组成:第1部分为刚体本身的固有振动，第2部分为干扰力引起的强迫振动。通解中的系数c1与c2为由边界条件所决定的待定系数。通解形式为

根据以上分析与推导，载体的振动就是固有振动与强迫振动的合成。对式(3)进行三角变换运算，其表达式可简化为

“That’s right,”says the first,“when’s a pigeon a mountain?When it’s a molehill.”The woman turns on them,and the villain thankfully makes his escape,looking incredibly guilty,despite himself.（1972：366）

式中:θ为载体振动角度;θ0为固有振动幅值;ω0为固有振动频率;θ1为强迫振动幅值;ω1为强迫振动频率;t为时间。

根据以上分析，仿真模型只需根据外部需求，分别设定载体在侧倾振动、纵倾振动和竖向振动方向上固有振动的振幅、频率和强迫振动的振幅、频率，即可仿真输出包含振动量的横摇、纵摇和首摇等信息。

2 设备组成及工作原理

载体仿真设备由工控机、电子机箱、显示器、操控台(含键盘和鼠标)等组成。数字量I/O板置于工控机内，电子机箱由4块DSC转换板、接口板及低压电源模块组成。4块DSC转换板包括3块双通道DSC转换板(横摇DSC板、纵摇DSC板、首摇DSC板)和1块单通道DSC转换板(速度DSC板)，可同时输出2路横摇、2路纵摇、2路首摇、2路速度自整角机信号，供2路被测试设备同时使用。接口板将接收的外时统差分秒脉冲信号转换成TTL电平信号发送给工控机。电源模块由+5 V、±15 V直流电源模块组成。载体仿真设备的工作原理框图如图1所示。

图1 载体仿真设备原理Fig.1 The principle diagram of the carrier simulation equipment

设备通过载体姿态仿真模块和载体轨迹仿真模块仿真生成载体姿态及轨迹信息，通过网络发送模块发送给试验室网络中心。同时将仿真数据通过工控机数字量I/O板发送给DSC转换板，被试设备提供给DSC转换板115 V中频电源，DSC转换板将数字信息转换为粗、精双路的自整角机信号后按需要发送给被试设备。

此外，载体仿真设备能实时接收试验室时统设备的网络时码报文及秒脉冲(1PPS)信号，按统一时间基准完成守时，并按需要完成载体仿真数据的存储。

3 电路设计

DSC转换板用于将计算机软件模拟仿真的载体运动数字量转换为单通道或双通道自整角机信号，发送给被试设备。双通道DSC转换板选用DSC48－119B－2036模块，其分辨率为20位，单通道DSC转换板选用DSC－1716模块，分辨率为16位。每块DSC转换板由2块数字－自整角机DSC转换芯片组成，可输出2路单通道或双通道数字－自整角机信号。该DSC转换芯片可将输入的数字全角量转换成粗/精双路自整角机模拟电压输出。双路DSC转换芯片工作原理框图如图3所示。

图2 双路DSC转换芯片工作原理Fig.2 The operating principle diagram of the two channels DSC converted chips

数字量I/O板用于接收计算机仿真软件仿真生成的载体姿态及轨迹信息，并发送给DSC转换板。同时接收经接口板转换后的时统设备秒脉冲(1PPS)信号。本设备I/O板采用研华公司基于PCI总线的PCI－1753数字量I/O板，该板提供96路TTL数字量I/O，4个8255芯片共96位I/O分成12个数字量I/O端口。

4 仿真软件设计

载体仿真设备仿真软件需要实时绘制、显示载体姿态及轨迹运动曲线，本设备采用 VC++与Matlab混合编程，各种仿真运算、实时控制以及人机界面用VC++实现，载体姿态及轨迹实时曲线用Matcom C++矩阵库图形函数实现，充分发挥各自的优势，降低软件开发的难度和复杂度［4－5］。

整个软件主要分为综合控制模块、显示模块、载体姿态仿真模块、载体轨迹仿真模块、载体振动仿真模块、网络通信模块、守时模块、数据存储模块和自检模块。其中综合控制模块提供控制参数设置、系统流程控制、人机界面操控等功能;网络发送模块用于对外发送载体仿真运动信息;网络接收模块用于接收时统设备的时码报文和光电成像系统试验室控制命令;守时模块按统一时间基准完成守时;数据存储模块存储载体仿真运动信息。

软件运行时的仿真曲线界面如图3所示。

图3 载体姿态信息仿真曲线Fig.3 The simulation curve of the carrier posture’s information

通过软件人机界面，可进行载体类型选择(如舰载、机载或车载)和输出通道选择。载体姿态信息和载体振动信息可分别通过设定横摇、纵摇和首摇的振幅和周期来确定，且振幅和周期在摇摆过程中可在线更改。2个通道的横摇、纵摇和首摇可分别进行锁定，也可以分别置为导航有效或导航无效状态，如图4所示。

图4 软件设置界面Fig.4 The software setting interface

5 试验结果

载体仿真设备研制完成后，通过与导航数据接收装置对接，验证了设备输出载体姿态与轨迹模拟量数据的正确性;利用EtherPeek网络监测软件实时录取载体仿真软件对外发送的网络报文，确认了设备对外发送数据的正确性。其主要指标完成情况如下:

1)输出载体仿真角分辨率，可输出角分辨率为20 bit的横摇、纵摇及首摇的粗、精双路自整角机模拟信号。

2)输出载体仿真速度分辨率，可输出角分辨率为16 bit的速度自整角机模拟信号。

3)输出载体仿真其他分辨率，可输出分辨率为16 bit的其他数字信号。

4)输出导航节点能力，具备输出2路导航节点输出能力。

6 结语

本文中所述的载体仿真设备采用光电载体平台物理运动特性为仿真模型，模拟光电载体平台运动，通过高分辩率的DSC转换板、接口转换与高精度的仿真软件，构造完成载体仿真设备，较为真实地仿真了光电载体的运动姿态与轨迹。各项功能与技术指标均满足实验室研发任务使用要求。软件开发采用VC++与Matlab混合编程，降低了软件开发的难度和复杂度，仿真设备所用试验装置采用了模块化设计，提高了设备的可维护性并方便功能扩展升级。

［1］夏全喜.车载组合导航系统关键技术研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011.

［2］王丽博.机载光电吊舱控制系统的研究及应用［D］.洛阳:河南科技大学，2011.

［3］何鹏，冯建闯，战强，等.一种近水面拖曳式小型载体的设计研究［J］.机电产品开发与创新，2011，24(2):62 －64.

［4］刘维.精通MATLAB与C/C++混合程序设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［5］徐明远.MATLAB仿真在信号处理中的应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2007.