基于LabVIEW的水下自航式靶运动控制技术

汪 锋 孙开江 邢庆龙

(1.91388部队 93分队 湛江 524022)(2.长江武汉航道局 武汉 430014)

基于LabVIEW的水下自航式靶运动控制技术

汪 锋1孙开江2邢庆龙1

(1.91388部队 93分队 湛江 524022)(2.长江武汉航道局 武汉 430014)

运动控制技术直接影响水下自航式靶标航行稳定性、操控性和机动能力,基于实验室虚拟仪器工作平台设计了一种水下自航式靶运动控制系统,对运动控制系统原理、软硬件方案的选择、功能模块的具体实现及软件编制过程进行详细阐述,在实验室对运动控制系统进行验证,结果表明该系统实现了控制信号的产生、多通道连续数据采集等功能,能完成水下自航式靶水下空间运动。

运动控制; 靶标; 虚拟仪器

Class Number TP273+.1

1 引言

近年来,水中兵器的技术进步不断推动着水下靶标的发展,水下自航式靶标是一个重点研究方向,水下自航式靶标运动控制技术作为关键技术,其性能直接影响水下自航式靶标的航行稳定性、操控性和机动能力。

2 水下自航式靶运动控制系统基本结构

水下自航式靶的运动控制的主要参数是深度(从海面到水下自航式靶重心的垂直距离)、高度(从海底到水下自航式靶重心的垂直距离)、航行速度、航向角(水下自航式靶艏向相对于地理北的夹角)和位置等[1]。为获得良好的控制性能,又不使问题复杂化,对这些参数采用单回路闭环控制,不考虑各自由度之间的耦合。根据任务需求,需要闭环控制的回路的数量是不一样的,一般说来,深度回路、速度回路和航向回路都需闭环控制,即自动定深、自动定速和自动定向[2～3]。

实验室虚拟仪器工作平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,LabVIEW)在各种测试系统和控制仪器领域中,已经得到广泛的应用,它使用图形化编程语言G语言编写框图式程序,直观形象,交互式图形化仪器面板提供了丰富的控件,在后面板的图形化编程中封装了丰富的算法,为软件开发带来了极大的方便,同时它还提供了强大的数据采集功能,并且还具备高精度的数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)输出功能,通过计算机可以方便快速地对下位机仪器进行高精度的数据采集。LabVIEW封装的比例-积分-微分(Proportion Integration Differentiation,PID)工具包集成了全面的PID控制算法,可以适合各个领域的高精度控制[4]。水下自航式靶以电机、螺旋桨作为动力部件,舵作为方向部件,基于LabVIEW编辑控制软件,加上计程仪、深度计、姿态传感器等一系列传感器的配合,完成对水下自航式靶的运动控制[5]。如图1所示为基于LabVIEW实现的水下自航式靶运动控制系统框图,该运动控制系统由速度闭环控制系统、深度闭环控制系统和航向闭环控制系统组成,可完成水下自航式靶6自由度水下空间运动。

图1 基于LabVIEW实现的水下自航式靶运动控制系统框图

3 水下自航式靶运动控制系统

3.1 硬件组成

整个运动控制系统包括舵机系统和推进系统,其中核心器件有电机、供电模块、编码器、采集卡、信息处理机等。

3.1.1 扭矩电机

舵机系统是完成航向、深度控制的关键,而扭矩电机是舵机系统的核心。美国Tecnadyne公司产品MODEL61扭矩电机是一种适用于水下自航式载体舵机系统的典型电机。

已知的MODEL61主要技术指标:最大扭矩:81N.m；最大旋转速率:900/s；编码器分辨率:0.10；耐压深度:1500m电气接口:300V直流动力电、12V直流设备电、±5直流控制信号；重量:4.8kg(空气中),2.5kg(水中)。

如图2所示为 MODEL61扭矩电机实物,其大口径端为电机,小口径端为编码器。

图2 MODEL61扭矩电机实物

3.1.2 供电模块

MODEL61扭矩电机正常工作需为其提供±5V、5～12V、300V等各种直流信号,±5V、5～12V等电压信号一般电子设备和电源都可以提供,但300V的直流电源价格昂贵,采用220V交流电进行交直流转换的方式设计300V直流供电电源模块。如图3所示为桥式整流电路,220V交流电经过桥式整流电路之后输出310V左右的直流电压,可以满足电机的电源需求,因此电源模块中不需电源变压器。

图3 桥式整流电路及封装

如图4所示为滤波电路,滤波电路采用电容C与负载RL并联。将图4中的电容C由3个120μF的电容并联,这样电路提供的直流电压波动满足电机需求,因此不需再加稳压电路。MODEL61扭矩电机的的最大功率为600w,为提高电路的安全性能,防止电流过大对电机造成的损害,在交流电接入位置和输出电压位置各接入了一个2A的保险丝。

图4 滤波电路

3.1.3 编码器

编码器是一种机电装备,可以用来测量机械运动或者目标位置。当MODEL61扭矩电机工作时,采集编码器A、B、Z三个输出端的信号,如图5,A、B输出信号都是规则的矩形波,占空比为50%,Z输出信号一直是高电平,可知其是增量式光电编码器。仅编码器一路脉冲输出不能确定旋转的角度,如果使用两路码道,而且知道两个扇区之间的相位差,那么通过两路输出通道就可以确定位置和旋转的方向两个信息。如图5,A-PHAS和B-PHAS前后错开1/4个周期,即相位差为90°,可知该编码器为正交光电编码器。如果通道A相位超前,码盘就以顺时针旋转。如果通道B相位超前,那么码盘就是以逆时针旋转。因此,通过计数器监控脉冲的数目和信号A、B之间的相对相位信息,就可以同时获得旋转的位置和方向信息。而Z-PHASE被称为零信号或者参考信号,可设定这个通道每旋转一圈输出一个单脉冲。

3.1.4 数据采集卡

因为需采集深度计、计程仪、姿态仪等传感器信号,并且还需输出电机控制信号,涉及到模拟、数字信号输出与采集和计数器功能,故在众多NI-DAQ采集卡中选择USB-6216螺栓端子型采集卡,其螺栓端子如图6中所示。NI USB-6216是一款USB总线供电M系列多功能DAQ模块,该模块提供了16路模拟输入；250kS/s单通道采样率；2路模拟输出；16路数字输入线；16路数字输出线；每通道有4个可编程输入范围(±0.2,±10V)；数字触发；2个计数器/定时器。它是为移动应用或空间上有限制的应用专门设计,其即插即用的安装最大程度降低了配置和设置时间,同时他能直接和螺丝端子相连,不仅减少了成本还简化了信号的连接[6～7]。

要对一个MODEL61扭矩电机形成闭环控制,在满足电源电压的前提下,需要选择NI USB-6216采集卡计数器端子采集编码器信号,如图7为NI USB-6216默认的计数器端口。

图6 USB-6216螺栓端子

计数器/定时信号默认的引脚编号信号名称CTR0SRC33PFI8CTR0GATE34PFI9CTR0AUX35PFI10CTR0OUT38PFI12CTR0A33PFI8CTR0Z34PFI9CTR0B35PFI10CTR1SRC4PFI3CTR1GATE6PFI4CTR1AUX36PFI11CTR1OUT39PFI13CTR1A4PFI3CTR1Z6PFI4CTR1B36PFI11FREQOUT40PFI14

图7 USB-6216计数器端口

如果选择计数器CTR0,则MODEL61扭矩电机上编码器接头针A-PHASE、0V、B-PHASE分别与NI USB-6216引脚33、34、35连接,如图8,当然,还可以选择计数器CTR1,引脚接法与前者类似。

图8 编码器接头与NI USB-6216引脚连接图

同时,需要输出±5V信号控制电机速度和转向,NI USB-6216有两路模拟输出,如果选择AO0路,则引脚接法如图9,如选择AO1,接法类似。

图9 NI USB-6216输出电机控制信号引脚接法

3.2 基于LabVIEW的软件控制模块

前文详细描述了通过NI USB-6216将电源、MODEL61扭矩电机实现闭环连接的方法,具体的信号处理方式、算法和人机交互界面得通过基于LabVIEW的软件控制模块来实现, NI USB-6216与计算机连接,软件模块的编译和调试在计算机上完成。整个软件控制模块可分为深度闭环控制控制模块、速度闭环控制模块和航向闭环控制模块。下文主要从航向闭环控制系统角度来阐述整个软件编制过程。

3.2.1 对编码器信号采集的处理

光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的,即脉冲数/转(PPR)。MODEL61扭矩电机上的编码器分辨率为0.1°,即PPR为3600脉冲/转。在软件中对光电转换信号进行X1、X2、X4三种逻辑编码,可以得到1倍频、2 倍频或4 倍频的脉冲信号,倍频越高分辨率也越高。

设置了编码类型以及脉冲计数类型,使用下列公式就可把数值信息转换为位置信息:

对于转动位置,即

其中N=轴每旋转一周过程中编码器所生成的脉冲数目, MODEL61扭矩电机的编码器分辨率为0.1°,则N=3600；x=编码类型,即倍频数,为提高分辨率,如采用X4编码,则x=4。

3.2.2 航向控制算法

在整个航向控制过程中,螺旋桨转动提供水下自航式靶前进的动力,舵角的变化完成航向调整,采用简单的自适应算法就可实时控制。如图10所示,期望航向和实时航向进行比较,如果相等则航向正确,扭矩电机将舵置于零位不动；如果期望航向比实时航向偏右,则右满舵,当实时航向与期望航向相等时,舵角回零；如果期望航向比实时航向偏左,则左满舵,当实时航向与期望航向相等时,舵角回零[8～9]。上述流程循环进行,达到闭环控制航向目的。

图10 航向闭环控制算法流程

3.2.3 软件运行流程及人机界面说明

图11 软件模块前视图

如图11所示,整个人机交互界面包括舵角参数设置、通道设置、定时设置、触发设置、航向设置、采集数据、舵角大小等7个模块。在参数设置模块中,可设置扭矩电机速度控制电压,满舵角即舵可以摆动的最大角度,为了减小舵摆动过程对航向控制造成的影响,此处默认最大速度转动舵,即扭矩电机速度控制电压设定为5V。满舵角根据自航式靶实际情况设定,如果要求自航式靶的回转半径小,则满舵角大,反之亦然。同时该模块还包括舵角到位、左满舵、右满舵和航向调整到位的指示灯,还可以看见整个航向调整周期所耗时长[10～11]。在通道设置模块,根据NI USB-6216采集卡和编码器实际接线情况,选择合适的计数器。定时设置模块设置采集编码器信号循环时间。采集数据模块显示计数器所计数的脉冲数目。舵角大小模块设定倍频方式和实时显示舵角大小。触发设置模块设置脉冲计数触发类型。航向设置模块将期望航向与实时航向进行比较,并设定扭矩电机工作方式,达到调整航向的目的,程序运行流程如图12。

图12 自航式靶向右转时程序运行流程图

3.2.4 速度闭环控制模块和深度闭环控制模块

速度闭环控制模块是将编码器输出数据经过处理得到实时转速,电机转速和自航式靶速度有经验关系,通过变化电机速度控制电压的大小达到控制自航式靶速度的目的。深度闭环控制模块与航向闭环控制模块基本一样,只需将航向改成深度即可。

4 水下自航式靶运动控制系统实验室实现

4.1 平台搭建

图13 水下自航式靶运动控制系统运行平台

如图13所示,采用普通电源为MODEL61扭矩电机和编码器提供直流设备电, NI USB-6216采集卡采集编码器信号,并输出控制信号,在计算机上运行程序完成闭环控制。MODEL61扭矩电机上电状态时要求处于水中,故将其放在水桶中。

4.2 系统运行

4.2.1 向右航行

如图14所示,期望航向右偏43°,故向右航行,舵角顺时针转动。

图14 向右航行

图15 右满舵

如图15所示,电机工作一段时间后,舵角达到最大位置,即右满舵,舵角指示灯和右满舵指示灯亮,继续进行航向调整。

图16 右转到位

如图16所示,右转航向调整到位,舵角回零,航向回零,舵角指示灯和航向调整到位指示灯亮,同时界面可读取航向调整时长。

4.2.2 向左航行

如图17所示,期望航向左偏109°,故向左航行,舵角逆时针转动。

如图18 所示,电机工作一段时间后,舵角达到最大位置,即左满舵,舵角指示灯和左满舵指示灯亮,继续进行航向调整。

图17 向左航行

图18 左转舵角到位

图19 左转到位

如图19所示,左转航向调整到位,舵角回零,航向回零,舵角指示灯和航向调整到位指示灯亮,可从界面读取航向调整时长。

5 结语

从水下自航式靶在水下进行空间运动的基本原理出发,将水下自航式靶运动控制系统简化为速度、航向和深度三个闭环控制。按照上述原理,选择合适硬件,基于LabVIEW软件,编辑了航向闭环控制系统软件,并在实验室搭建平台进行验证,结果表明,整个运动控制系统有效,对水下自航式靶运动控制系统技术研究有一定参考价值。

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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

汪锋,男,硕士,工程师,研究方向:水下靶标技术。

TP273+.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.034