載體仿真設備的設計與實現

王賢亮，李紅鋼

(1.中國船舶重工集團公司第七一七研究所武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430073;2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

載體的振動可作為一個剛體來研究。一般來說，一個剛體有6個自由度，分別是縱向振動、橫向振動、豎向振動、側傾振動、縱傾振動和偏航振動。其中豎向振動、側傾振動和縱傾振動具有較大的實用價值，而另外3種振動很少以振動的方式出現，因為在這3種振動中沒有恢復力的存在［1－3］。因此我們主要研究側傾振動、縱傾振動及豎向振動，對應數據輸出量分別為橫搖、縱搖及首搖。

1 光電載體平臺運動的仿真模型

根據剛體振動的一般理論，對于1個自由度(側傾振動、縱傾振動或豎向振動)的阻尼振動力學模型，當振動恢復力與路程成正比、阻尼力與速度成正比時，運動方程為如下形式:

式中:m為質量;k為阻尼系數;c為彈性系數;F(t)為干擾力。

對于艦載設備，干擾力主要來自迫使載體產生振動的波浪;對于機載設備，干擾力主要來自迫使載體產生振動的氣流;而對于車載設備，干擾力主要來自路面障礙物的碰撞。無論是艦載、機載還是車載，其主要干擾力為一種周期性外力，載體在這種周期性外力的持續作用下引起的振動是強迫振動。

當干擾力為簡諧力時(F(t)=F0*sin(ωt))，運動方程可改寫為

式中:2n=k/m;wx=

這是一個二階常系數微分方程，其通解由2部分組成:第1部分為剛體本身的固有振動，第2部分為干擾力引起的強迫振動。通解中的系數c1與c2為由邊界條件所決定的待定系數。通解形式為

根據以上分析與推導，載體的振動就是固有振動與強迫振動的合成。對式(3)進行三角變換運算，其表達式可簡化為

“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為載體振動角度;θ0為固有振動幅值;ω0為固有振動頻率;θ1為強迫振動幅值;ω1為強迫振動頻率;t為時間。

根據以上分析，仿真模型只需根據外部需求，分別設定載體在側傾振動、縱傾振動和豎向振動方向上固有振動的振幅、頻率和強迫振動的振幅、頻率，即可仿真輸出包含振動量的橫搖、縱搖和首搖等信息。

2 設備組成及工作原理

載體仿真設備由工控機、電子機箱、顯示器、操控臺(含鍵盤和鼠標)等組成。數字量I/O板置于工控機內，電子機箱由4塊DSC轉換板、接口板及低壓電源模塊組成。4塊DSC轉換板包括3塊雙通道DSC轉換板(橫搖DSC板、縱搖DSC板、首搖DSC板)和1塊單通道DSC轉換板(速度DSC板)，可同時輸出2路橫搖、2路縱搖、2路首搖、2路速度自整角機信號，供2路被測試設備同時使用。接口板將接收的外時統差分秒脈沖信號轉換成TTL電平信號發送給工控機。電源模塊由+5 V、±15 V直流電源模塊組成。載體仿真設備的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 載體仿真設備原理Fig.1 The principle diagram of the carrier simulation equipment

設備通過載體姿態仿真模塊和載體軌跡仿真模塊仿真生成載體姿態及軌跡信息，通過網絡發送模塊發送給試驗室網絡中心。同時將仿真數據通過工控機數字量I/O板發送給DSC轉換板，被試設備提供給DSC轉換板115 V中頻電源，DSC轉換板將數字信息轉換為粗、精雙路的自整角機信號后按需要發送給被試設備。

此外，載體仿真設備能實時接收試驗室時統設備的網絡時碼報文及秒脈沖(1PPS)信號，按統一時間基準完成守時，并按需要完成載體仿真數據的存儲。

3 電路設計

DSC轉換板用于將計算機軟件模擬仿真的載體運動數字量轉換為單通道或雙通道自整角機信號，發送給被試設備。雙通道DSC轉換板選用DSC48－119B－2036模塊，其分辨率為20位，單通道DSC轉換板選用DSC－1716模塊，分辨率為16位。每塊DSC轉換板由2塊數字－自整角機DSC轉換芯片組成，可輸出2路單通道或雙通道數字－自整角機信號。該DSC轉換芯片可將輸入的數字全角量轉換成粗/精雙路自整角機模擬電壓輸出。雙路DSC轉換芯片工作原理框圖如圖3所示。

圖2 雙路DSC轉換芯片工作原理Fig.2 The operating principle diagram of the two channels DSC converted chips

數字量I/O板用于接收計算機仿真軟件仿真生成的載體姿態及軌跡信息，并發送給DSC轉換板。同時接收經接口板轉換后的時統設備秒脈沖(1PPS)信號。本設備I/O板采用研華公司基于PCI總線的PCI－1753數字量I/O板，該板提供96路TTL數字量I/O，4個8255芯片共96位I/O分成12個數字量I/O端口。

4 仿真軟件設計

載體仿真設備仿真軟件需要實時繪制、顯示載體姿態及軌跡運動曲線，本設備采用 VC++與Matlab混合編程，各種仿真運算、實時控制以及人機界面用VC++實現，載體姿態及軌跡實時曲線用Matcom C++矩陣庫圖形函數實現，充分發揮各自的優勢，降低軟件開發的難度和復雜度［4－5］。

整個軟件主要分為綜合控制模塊、顯示模塊、載體姿態仿真模塊、載體軌跡仿真模塊、載體振動仿真模塊、網絡通信模塊、守時模塊、數據存儲模塊和自檢模塊。其中綜合控制模塊提供控制參數設置、系統流程控制、人機界面操控等功能;網絡發送模塊用于對外發送載體仿真運動信息;網絡接收模塊用于接收時統設備的時碼報文和光電成像系統試驗室控制命令;守時模塊按統一時間基準完成守時;數據存儲模塊存儲載體仿真運動信息。

軟件運行時的仿真曲線界面如圖3所示。

圖3 載體姿態信息仿真曲線Fig.3 The simulation curve of the carrier posture’s information

通過軟件人機界面，可進行載體類型選擇(如艦載、機載或車載)和輸出通道選擇。載體姿態信息和載體振動信息可分別通過設定橫搖、縱搖和首搖的振幅和周期來確定，且振幅和周期在搖擺過程中可在線更改。2個通道的橫搖、縱搖和首搖可分別進行鎖定，也可以分別置為導航有效或導航無效狀態，如圖4所示。

圖4 軟件設置界面Fig.4 The software setting interface

5 試驗結果

載體仿真設備研制完成后，通過與導航數據接收裝置對接，驗證了設備輸出載體姿態與軌跡模擬量數據的正確性;利用EtherPeek網絡監測軟件實時錄取載體仿真軟件對外發送的網絡報文，確認了設備對外發送數據的正確性。其主要指標完成情況如下:

1)輸出載體仿真角分辨率，可輸出角分辨率為20 bit的橫搖、縱搖及首搖的粗、精雙路自整角機模擬信號。

2)輸出載體仿真速度分辨率，可輸出角分辨率為16 bit的速度自整角機模擬信號。

3)輸出載體仿真其他分辨率，可輸出分辨率為16 bit的其他數字信號。

4)輸出導航節點能力，具備輸出2路導航節點輸出能力。

6 結語

本文中所述的載體仿真設備采用光電載體平臺物理運動特性為仿真模型，模擬光電載體平臺運動，通過高分辯率的DSC轉換板、接口轉換與高精度的仿真軟件，構造完成載體仿真設備，較為真實地仿真了光電載體的運動姿態與軌跡。各項功能與技術指標均滿足實驗室研發任務使用要求。軟件開發采用VC++與Matlab混合編程，降低了軟件開發的難度和復雜度，仿真設備所用試驗裝置采用了模塊化設計，提高了設備的可維護性并方便功能擴展升級。

［1］夏全喜.車載組合導航系統關鍵技術研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2011.

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［3］何鵬，馮建闖，戰強，等.一種近水面拖曳式小型載體的設計研究［J］.機電產品開發與創新，2011，24(2):62 －64.

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