激光测高仪仿真系统设计

摘 要：为设计激光测高仪仿真系统，首先分析了设计要求，给出了系统设计方案;然后提出了系统设计的部分硬件选择;并为抑制干扰提出了一些办法。关键词：滑动导轨;运动控制卡;伺服电机[align=center][b]Design of simulation system for laser range finderMa Ye-wei Zhao Shang-hong Meng Wen Ma Li-hua[/b][/align]Abstract: For the purpose to design the simulation system for laser range finder, this paper analyzed the design of simulation system, then some chosen is done for part of the hardware. The way to control the interfere is mentioned as well.Keywords: slip orbit; locomotion controller; servo motor1引言　　无人机是由控制中心根据探测信息综合分析控制其飞行和着陆的。在进场着陆过程中，高度信息是一个不可或缺的信息，对高度的精确测量对于控制无人机的精确着陆至关重要。无人机激光测高仪仿真装置是无人机导航和着陆自主引导系统研制任务的一部分，为飞机在接近地面时（距离地面30m以下）提供高精确的实时高度信息，以实现无人机导航和着陆精确导引和全天候自主精确着陆。在飞机接近地面时，接收主控系统的控制信号，启动测距机开始工作，并将测得的实时距离信息与主控系统发来的数据进行比较、计算，然后通过RS422接口将相关距离信息发送到主控系统，实现激光实时距离测量和飞机高度测量的模拟仿真。2系统设计要求　　2.1系统须实现功能　　滑动导轨是具有机电一体化的综合性、高精度的仿真设备，提供实时变化的距离环境，以检测无人机激光测高仪模拟装置的测距精度、实时性等技术指标，并可连入无人机着陆与导航半实物仿真实验系统中，实时接收并执行来自飞控仿真机的高度数据，形成仿真闭环，从而进一步提高仿真的置信度。　　2.2主要技术指标　　滑动模拟系统是模拟在飞机接近地面时的运动状态，飞机此时距离地面30m，垂直初速度v（～5m/s），以加速度a匀减速下降，到地面时垂直速度为零。据此，考虑可行性，取模拟系统滑轨长度6m，如果要求模拟飞机降落时间不变（～t=12s），可以相应要求最大速度v/5（～1m/s），加速度a/5。[align=center]图1 飞机降落过程[/align]　　据此得出仿真系统主要性能指标如下：　　1. 目标板的移动范围：6m;　　2. 最大运动速度：3m/s;　　3. 定位精度：±5cm;　　4. 控制周期：5ms。　　5. 漫反射目标板固定在直线导轨的滑块上，其俯仰角度可调，调整范围为±5°。　　2.3系统组成　　系统由支架、直线滑轨、滑块机构、同步带传动机构、伺服系统、底座、激光测距仪、及控制箱、计算机等组成。　　直线滑轨长度不小于6米，滑块机构与直线滑轨为滚动配合，其运动平稳。滑块机构与漫反射目标板连接，目标板角度可调整（±5°）。同步带传动机构与滑块机构连接，使其完成直线运动，其运动由伺服电机控制系统完成。伺服系统由伺服电机、电机驱动器、光电编码器、测速机、单片机处理等组成，完成对滑块的位置与速度控制。3 系统的实现　　3.1总体设计及控制原理　　根据滑动导轨对控制系统的要求，需要对目标板的速度、位置进行实时的控制、监测、调节。在整个控制系统中，采用速度内环控制和位置外环控制结合起来，实时控制目标板的运动，保证闭环仿真系统的高精度、稳定性及高置信度。在该系统中为了实现整个系统的稳定性、可靠性及控制的精度，我们选择了伺服控制系统作为本控制系统的核心。如下所示：[align=center]图2 控制系统的结构框图[/align]　　该控制系统中采用基于PCI总线的伺服电机的控制单元，它与PC机构成主从式控制结构，该控制单元完成运动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、伺服电机编码器反馈的信号等。在该控制系统中，运动控制卡向伺服驱动器发出脉冲、方向等控制信号，通过伺服驱动器的放大驱动伺服电机的运动，电机的运行速度、位置又通过电机内部的系统获取通过编码器输出反馈给控制卡。　　在整个控制系统中采用了伺服驱动器和伺服电机，由于交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现象步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能较步进电机构成的闭环系统更为可靠。整体上提高了滑动导轨运行的精度与速度，保证了整个闭环仿真系统的稳定性与置信度。　　电源系统为控制系统中的各控制对象提供电源。这些电源包括向伺服放大器提供的单相200V或三相200V的商用电源、开关量信号（原点、减速、限位以及I/O信号等）采用的12-24V开关电源、脉冲量信号（脉冲、方向等）采用5V的直流开关电源等。其中商用电源在接入驱动器之前采用滤波器进行滤波，使电源系统能满足抗干扰、稳定输出的要求。另外系统测试设备的接地可满足设备安全、抗电磁干扰和稳定运行的需要。　　伺服系统通过电源滤波器获得200-230V的洁净交流电源，有效的隔离电网的尖峰干扰脉动，保护伺服放大器以防其受到电压变动的影响，为伺服系统提供稳定的输入电源。各种开关量及脉冲量所需的直流5V或12-24V开关电源，是把220V交流供电直接整流滤波之后，通过高频变压器隔离变换，再整流变为所需要的多种直流电压输出。开关电源具有体积小、效率高、电网电压宽范围变化时输出不易过压或欠压的优点。　　3.2 硬件的选择　　3.2.1控制卡的选择　　该控制系统中控制器部分采用当前比较流行的成熟的工业控制产品——运动控制卡作为该控制系统的中心。运动控制卡是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中应用而设计的。它采用了典型的计算机结构，主要有CPU﹑RAM﹑ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成。所以它可以用于内部存储程序执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式﹑模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。作为一种现今比较流行的工业控制装置，运动控制卡有以下一些特点：高可靠性和强抗干扰能力、灵活性好、编程简单易学、系统安装简单、维修方便等。　　控制系统中的控制卡选择了成熟的MPC08型的专业运动控制卡，其主要技术指标：　　1. 4轴步进或数字式伺服控制，脉冲输出频率可达4.0MHz;　　2. 多轴高速线性插补，每轴带有原点、减速和限位等接口;　　3. 梯形加、减速，运动中可变速，可输出脉冲/方向或双脉冲信号;　　4. 可外接编码器位置反馈，可扩展出16路通用输入和16路通用输出接口;　　5. WINDOWS 环境下WDM、DLL库，演示程序。　　MPC08运动控制卡采用FPGA作为控制核心，主要功能是执行上层计算机的控制指令，并将执行机构部分的反馈信息进行相应的处理，同时将处理结果反馈给计算机显示当前执行设备的状态（实时运行速度、到达位置等）。就是通过控制卡发送脉冲信号驱动伺服电机，同时将伺服电机的实时信息反馈给控制卡进行相应的处理。　　MPC08控制卡的运动控制功能主要取决于运动函数库。运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数：单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等等。为了配合运动控制系统的开发，还提供了间隙补偿功能。下面简单介绍一下单轴运动控制的功能。单轴运动有三个基本的类型：点位运动（pmove）、连续运动（vmove） 和回原点运动（hmove），这些运动又可以在常速模式或梯形速度模式下工作，总共有六种基本类型，列表如下：[align=center]图3 运动速度图形[/align]　　3.2.2伺服电机的选择　　伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。　　根据多个不同厂家的产品性能的比较，伺服电机及驱动器选择了型号为GYG501BC2-T2中惯量伺服电机，其主要参数如下：　　电机参数表　　伺服驱动器选用与电机相匹配的驱动器，其型号为RYC501B3-VVT2，该驱动器具有位置、速度、转矩控制等功能及相应的输入、输出信号，同时该驱动器具有比较好的稳定性。　　驱动器主要的技术数据为：　　1. DSP 全数字电机控制方式，可以实现多种电机控制算法，软件更新　　2. 可提供位置、速度、转矩三种控制模式　　3. 内有增量式17位编码器　　4. 随时可以进行位置、速度、转矩三者中任意二者的相互转换　　5. 7段4位显示的触摸面板可以方便的设定伺服系统的各种参数　　其转矩特性图如下所示：[align=center]图4 RYC501B3-VVT2的转矩特性图[/align]　　其主要性能指标如下表所示：　　3.3抗干扰技术　　电源是整个系统的能量供应部分。由于市电电网中常出现过压、欠压，当电压超过电源工作范围时，会使电源失常或者损坏，直接威胁控制系统的安全。而瞬时过压或者欠压形成涌流，也会造成很强的干扰和破坏性。　　为了有效地抑制电源干扰，可以采用以下办法：　　1. 采用交流净化电源。其具备过、欠压保护、滤波等功能，能保证系统供电的稳定性;　　2. 选用优质的抗干扰开关电源，作为电机控制等的电源;　　3. 在电源输出端并接一大电容，以消除大功率工作瞬间电源波动的影响。　　在该控制系统中，伺服放大器与通用的变频器一样，在PWM控制电路中进行高频开关动作。因此，辐射干扰和传导干扰等往往对外围设备的外部机器产生影响。针对以上情况可采取如下几种对策：　　1. 将伺服放大器装在接地铁制容器（控制盘）内，不能与电脑和测量仪表设置很近。　　2. 在伺服放大器的初级端装设滤波器（电源滤波器）。　　3. 连接伺服放大器至伺服电机的配线要装到金属管内，把金属管接地。　　4. 接地线要尽量用短粗线 。　　5. 接地端子、指令控制序列输入输出以及编码器用的电源0V等信号不能相互连接。　　6. 主电路和控制电路的配线绝不能捆束在一起，也不可平行配线。　　除了上述的硬件措施处，在软件上也可采用冗余设计、自恢复功能等措施，软硬兼施，提升设备抗干扰性能。4 结束语　　本文所设计的用于激光测高仪仿真系统的机械滑轨系统设计，采用成熟的MPC08型的专业运动控制卡和GYG501BC2-T2中惯量伺服电机。同时,本系统的设计方法提出了部分硬件抗干扰技术对系统的软硬件实现提供了一个借鉴。对具体系统的实际验证结果将另文报道。参考文献　　⑴MPC08运动控制卡操作手册.　　⑵高钟毓.机电控制工程[M]. 北京：清华大学出版社，2006.　　⑶刘卫国.MATLAB程序设计教程[M]. 北京：中国水利水电出版社，2005.　　⑷许瑞华 何俊华.《基于NextMoveES运动控制卡的步进电机群控系统》.《微计算机信息》　　⑸汪小澄、潘笑.《PLC的参数设置及显示设计》.《微计算机信息》.2000年第16卷第6期.