基于二维转台与空间方位角标定装置的电磁轨道发射轴线标定与校准装置设计

魏枫　王欢　宋玙薇

摘 要：针对出射角度误差对电磁轨道发射指向精度产生的影响较大的问题，设计出一套发射轴线标定与校准装置。并从系统构成、总体方案设计与控制系统设计等方面详细介绍了技术方案。可用于二维调姿及设置任务工况、姿态及坐标测量、轴线标定及提供空间方位角坐标基准。对电磁发射指向精度的提高可以提供一定程度上的帮助。

关键词：电磁发射；二维转台；空间方位角标定

中图分类号：TM15 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）03-0006-05

Abstract： Aiming at the problem that the launching angle error has great influence on the pointing accuracy of electromagnetic track launching， a set of launching axis calibration and adjustment device is designed. The technical scheme is introduced in detail from the aspects of system constitution， overall scheme design and control system design. It can be used to adjust the attitude in two dimensions， to set up the working condition， to measure the attitude and coordinate， to calibrate the axis and to provide the coordinate datum of space azimuth， which can help improve the pointing accuracy of electromagnetic launch.

Keywords： electromagnetic launch； two-dimensional turntable； space azimuth calibration

在电磁轨道发射过程中，影响指向精度的几个因素主要包括测角误差、姿态指向精度、姿态稳定度、出射角度误差等，其中出射角度误差对指向精度的影响最大。

为了保证电磁轨道发射的指向精度和获取相关的试验数据，本文基于二维转台与空间方位角标定装置设计一套电磁发射轴线标定与校准装置。装置主要完成的功能有：每轮发射试验前，进行一次空间方位标校，记住本次方位角位置并调整二维转台使发射指向与标校位置重合，试验开始后，在每次执行任务后调整二维转台至原始发射位置，使得每次发射角度都保持在原始角度。可用于满足承载电磁发射装置、二维调姿及设置任务工况、姿态及坐标测量、轴线标定及提供坐标基准的需求，对发射指向精度的提高具有积极作用。

1 系统构成

1.1 系统总体布局

本系统由二维转台与空间方位角标校装置两部分构成。其中二维转台由控制柜和机械台体两部分组成。空间方位角标校装置由轴线角度标准装置、标定工装杆标准器与两台经纬仪组成。

（1）二维转台总体布局

平台的布局为立式UI形式，平台机械台体主要由俯仰轴、方位轴、底座几部分组成。方位轴垂直安装在底座的支承结构上，俯仰轴轴线与方位轴垂直。方位轴与方位框架为U型结构。俯仰轴与俯仰框架为I型结构。

台体的机械结构三维示意图如图1所示。

（2）空间方位角标校装置总体布局

轴线角度标准装置为负载后端大约五米处建造的一个水泥基准墩。标定工装杆标准器为一系列标定标准器，用于精确无缝插入负载内部，便于精确测量负载轴线的指向。两台经纬仪作为现场测量的仪器设备。如图2。

1.2 系统工作流程

轴线标定与校准装置工作流程图如图3。

2 总体方案设计

2.1 二维转台方案设计

（1）機械台体设计

俯仰轴和方位轴均采用蜗轮蜗杆+电机驱动以满足旋转和定位要求，选用圆光栅作为测角元件，完全能够满足精度要求。蜗轮蜗杆能自锁定位，以便更好的保护转台和被测产品的安全。

（2）轴系设计

a.俯仰轴系设计

俯仰轴系是I形结构，设有负载安装基准面。回转部分采用电机驱动，蜗轮蜗杆传动，支撑采用高精度圆锥滚子轴承，其中一端安装角度测量元件。如图5。

轴承的工作精度主要决定于旋转精度，内环轴系是选用P4级精度的圆锥滚子轴承，背对背安装结构。

两个轴承的跨距设计是L，回转误差：

考虑到轴承的均化效应，实际回转精度还稍有提高。

b.方位轴系设计

方位轴与俯仰轴垂直布置在一个平面上。U形框架的剖面为空心矩形，内部设有加强筋，可保证框架具有足够的刚度。

U形框架与外环轴是采用螺钉连接。既加强了轴与框架的刚度，又保证了传动要求。方位轴两侧轴系结构图如图6所示。

（3）缓冲结构设计

考虑到有冲击问题，专门设计缓冲结构，避免因为冲击，而损坏机械结构，如图7所示。由组合碟簧构成，可以缓冲2000KG冲击力，缓冲行程24mm。

（4）台体力学分析说明

a.考虑承受较大的冲击力，俯仰轴（X轴）及方位轴（Y轴）均采用圆锥滚子轴承。

b.俯仰轴及方位轴应进行刚度计算，以限制在冲击力F作用下的变形量，即刚度足够。

c.俯仰轴（X轴）采用电机经蜗杆驱动，其转速和回转精度，由控制系统保证。

d.方位轴（Y轴）采用电机经蜗杆驱动，同样由自控系统控制回转精度。

e.地脚螺栓，可调整一定量的水平度及升降。

f.框架受力较大，采用不锈钢板焊接结构，并经过热处理去除内应力。

2.2 空间方位角标校装置方案设计

（1）指向方位角标定

标定工装杆标准器，用于精确无缝插入负载中心，便于精确测量负载轴线的指向。

利用两台经纬仪，使用非接触式大尺寸测量系统（LDMS）对其方位角进行测量，使用图10中右端经纬仪（经纬仪1）瞄准负载后端基准立方镜的反射面法线，此时经纬仪1的回转中心为圆心，以其视线在水平面的投影为x轴，以通过经纬仪1回转中心的铅垂线为z轴，形成空间直角坐标系，称为经纬仪坐标系。经纬仪1瞄准基准立方镜的另一反射面法线，各自取数后再使两经纬仪互瞄，所得数据经计算机处理，即可得出负载后端基准立方镜三个反射面法线在经纬仪坐标系中的方向余弦；经纬仪1保持不动，经纬仪2转向瞄准工装杆立方镜的反射面法线，并且两经纬仪再次互瞄，所取数据经过处理即可得出工装杆立方镜法线在经纬仪坐标系中的方向余弦；经纬仪坐标系与负载基准立方镜坐标系之间进行坐标矩阵变换，即可得出工装杆立方镜在负载基准立方镜坐标系中的方向余弦。

（2）测量误差分析

常用电子经纬仪是带有自准直系统的高精度测量仪器，其显示精度为2″，系统的测量误差可控制在4″以内；

检测目标（立方镜）的制造误差要求控制在2″～4″，加上安装误差，可以控制在6″以内；

基准墩指向误差应控制在6″以内；

测量人员的视觉误差，一般也可以控制在4″以内；在不更换人员的情况下，误差还可减少；

每次数据的测量都要求重复进行三次，取算术平均值作为测量结果。

综上所述，最大的综合测量误差可以控制在20″以内，满足使用要求。

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

（1）控制结构

为了使用和维护的方便，二维转台控制柜在设计上采用了模块化的方法，电控系统框图如图11所示。

在这个系统框图中，位置环、速度环控制器及数字差分部分均由控制计算机来实现；驱动部分接收到模拟控制量，经过功率放大后将控制指令输出给电机；光电编码器测角系统完成角位置测量，并反馈给控制计算机。

（2）数字控制模块

控制计算机中的数字控制卡通过系统总线读取测角系统的角度测量值，然后发送给CPU。同时，将CPU计算的控制指令经D/A转换为模拟量提供给系统的功放模块。数字控制卡与计算机的通信采用标准的ISA接口，提高了系统的可靠性和互换性。

数字控制卡直接插在控制柜中控制计算机的ISA插槽中即可。

控制卡设计采用Altera公司的高性能FPGA为核心处理芯片。芯片包括ISA总线控制接口、数字量输入输出缓冲接口、锁相环、编码器接口、数字滤波等几部分功能。具体的控制卡结构框图如图13所示。控制卡通过ISA总线与工业计算机交互信息。

控制卡的核心部分是计数接口。控制卡将细分盒输出的RS422方波编码信号转换成TTL信号，然后经过FPGA的滤波、解码，从而将角度信号转换为对应的数字值。工业控制计算机可以通过ISA总线实时读取编码器数据以及零位信号。

另外，为了防止计算机的死机，控制卡中加入了硬件看门狗的设计。硬件看门狗计数器每个时钟周期加1，而工业控制计算机定时清空看门狗计数器。当计算机死机时，看门狗无法收到清空信号而导致计数器溢出，从而复位控制卡，使电机停止，保证系统的安全可靠。

3.2 软件设计

（1）控制软件设计

控制软件拟基于RTX实时操作系统开发，是“强实时”控制软件，控制周期设计为0.2ms，采用C/C++语言联合开发。

控制软件的结构是由两部分组成：上层的人机交互部分（WinTCS）和底层的实时控制部分RealTime，如图14所示。其中WinTCS使用Borland C++Builder 6.0开发而成，而RealTime.rtss则是利用Visual C++ 6.0使用纯C语言开发而成，WinTCS和RealTime是两个相对独立的进程，二者通过触发“事件”来进行通信，通过“共享内存”的方式进行数据交换，这样可以避免进程之间的相互干扰，提高系统的可靠性。

（2）控制软件主要功能

系统管理软件主要包括自检模块、数据分析模块和用户交互模块等上层功能。

在自检模块中完成故障诊断、性能检测和一些基本的运动功能参数设定，软件启动时执行，通过对控制系统各部件的扫描检测，判断是否存在异常，并根据异常等级，给出从警告到禁止运行等保护措施，并定为出问题的设备和部件。

数据分析模块，是对自检或运行中所用的输入输出数据进行处理分析的模块，用于性能测试和结果分析。

用户交互模块主要功能是与用户进行交互，帮助用户进行指令输入和取得反馈输出。比如以图形界面形式进行指令设置，以文本文件形式进行指令和數据的输出，通过曲线显示数据，进行数据存储和回放等。

系统开机后自动归零并完成程序初始化后，进入自检模块，可通过功能键切换到其他状态。控制软件具有本地和远程控制两种控制模式。

二维转台本地控制时，控制计算机能以数据文件的形式读入用户给定的指令，还可以根据用户需要生成多种形式可调的输入信号数据，并控制二维承载平台运动。

二维转台远程控制时，计算机实时监测上位机发送过来的运动指令以及二维承载平台状态。

3.3 数字控制算法

二维转台的控制上采用数字PID调节算法，PID（比例-积分-微分）调节是控制系统中技术成熟，应用广泛的一种控制技术，因此被广泛地应用于各种控制系统中。它的特点是形成了典型的结构，参数整定及调节方便，结构改变灵活，适应性强。

其中，A为门限，大偏差时，积分项不起作用，偏差在门限之内时，引入积分算法，这样既可以减少超调量，又可以使积分控制达到预期的效果。

由于二维转台的惯量、电机参数、要求各不相同，各个回路的PID参数也各不相同，需要根据实际情况调试。

4 结束语

装置可完成空间方位角标校与二维调姿功能。在每次试验之前进行一次空间方位标校，令二维转台记住本次方位角位置并调整指向与标校位置重合，试验过程中，每次执行任务后使二维转台调整至原始发射位置。根据上述论述与计算，此套标定与校准装置对发射指向精度有一定程度上的提高。

参考文献：

[1]张西龙，孙宝玉，孙建伟，等.高精度二位转台指向误差分析[J].长春工业大学学报，2012，33（04）：377-382.

[2]R.L.休斯顿，刘又午.多体系统动力学[M].天津，天津大学出版社，1991.

[3]黄令龙，郭阳宽，蒋培军，等.高精密伺服转台控制系统的设计[J].清华大学学报，2004，44（08）：1054-1056.

[4]赵建亚.基于DSP的转台伺服控制系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.