船載交流伺服系統檢測平臺可視化設計與實現

聶洪平，周啟榮，李 兵

(中國衛星海上測控部，江蘇江陰214400)

0 引言

隨著海上連續作業的時間越來越長，船載衛通站長期處于開機狀態，甲板設備面臨越來越大的考驗，作為動力執行裝置的驅動、電機等裝置更是超負荷工作，因此建立一套可靠的機下檢測平臺對檢測設備性能有很重要的作用。目前，崗位已經具備船載交流伺服系統檢測平臺，但該平臺無法直觀地表現天線的運動，無法對檢測數據作出準確的判斷。因此，建立天線可視化模型并仿真出天線的運動狀態，對發揮船載交流伺服系統檢測平臺的功能至關重要。

1 船載交流伺服系統檢測平臺

現有船載衛通站交流伺服系統構成如圖1所示，利用備用設備搭建機下交流伺服系統，在SERVOSTAR控制軟件界面輸入驅動信號，比如正弦驅動信號下電機轉速、加速度和扭矩的變化等，通過串口通信方式傳輸給驅動器和電機之間的環路來控制電機狀態，并能在SERVOSTAR軟件界面顯示設備在不同運行狀態下的各種狀態參數，實現對設備進行機下檢測的目的。

圖1 船載交流伺服系統構成關系圖

伺服之星SERVOSTAR是以色列開發的一款數字伺服系統控制軟件。該軟件中包含多種型號電機的數據庫，在機床加工、設計生產以及電子器件裝配方面都有廣泛應用。伺服之星軟件可以為研究驅動器技術提供極大便利，可以對數字電流環、速度環參數進行在線調整，對電機低速與高速控制和正弦PWM控制等控制算法進行優化。

圖2是利用SERVOSTAR軟件搭建的交流伺服系統檢測平臺設計圖。在此基礎上，建立天線的三維仿真模型，利用SERVOSTAR接收的設備參數信息(諸如電機轉速和電機角度位置等)驅動天線仿真終端，達到實時立體表現交流伺服系統運行狀態的目的。天線動態模擬仿真及數據交互是本課題實現可視化需要完成的兩大工作。

圖2 交流伺服系統檢測平臺設計圖

2 關鍵技術

2．1 三維建模

三維建模可以使用戶直觀地了解所研究對象，實現在實際對象上難以完成的工作。為了將檢測平臺數據直觀反映在天線上，利用3DMAX建模軟件實現了天線外觀結構模型的建立。對實現三維建模而言，3DMAX可靠性強且應用范圍廣，適合于三維動畫渲染和制作。3DMAX建模軟件由Autodesk公司開發，立足于PC系統，功能強大，操作簡單且和其他相關軟件配合流暢、效果逼真。3DMAX軟件的建模過程比較復雜，而建模的方式也是多種多樣，包括幾何特征建模、行為特征建模以及交互特征建模。幾何特征建模側重于直接讀取CAD模型信息，并在CAD系統中完成裝配關系的建立。行為特征建模主要是面向任務建立虛擬物體行為模型，使其真實地反映物體各結構的行為特性。

以行為特征建模方式為主，輔以其他方法一并實現。在整個建模過程中，層次細節技術和紋理映射技術結合使用，降低場景實時渲染的復雜度。紋理映射(Texture Mapping)技術能提高三維物體的逼真度，避免對場景的每個細節都用多邊形來表示，進而可以大大減少環境模型的多邊形數目。紋理圖像被定義成二維的UV坐標平面，這個平面被映射到一個幾何模型的x、y、z坐標內。當三維模型旋轉時，映射后的紋理也被旋轉和改變大小并在屏幕上繪制出來。

2．2 三維仿真

建立三維模型后，還需要完成模型對平臺檢測數據的實時響應。讓三維模型動起來并能實時響應變量數據，需要用到三維仿真技術。利用三維仿真平臺Unity3D實現天線模型的仿真。Unity3D是由Unity Technologies公司開發的一個可以輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。Unity支持所有主要的模型文件格式，并能和大部分相關應用程序協同工作，它還對Direct和OpenGL擁有高度優化的圖形渲染管道。該軟件擁有自己的API函數庫，通過建立后臺程序文件可以實現游戲開發方面的多種功能，比如動態交互、串口通信等。

2．3 基于系統數據驅動天線模型

天伺饋系統的驅動單元由永磁同步交流電動機和功率放大器(俗稱驅動器)組成。驅動器處理來自ACU(天線控制單元)的數據，轉換成電流數據傳遞到電動機使得電動機驅動天線。而本系統驅動對象是天線仿真模型，因此，保持計算機數據與實物天線轉動狀況同源與同步是實現天線驅動的關鍵所在。天線的轉動是實際表現為天線的角度變化，模擬的對象應為速度環或位置環輸出參數，即電機轉速或者天線角度。將這些數據從串口字節中提取出來，參考天線轉軸比后傳遞給仿真平臺程序中的相應變量，便能實現同步同源驅動天線模型，如圖3所示。

圖3 天線動態圖

2．4 基于串口的數據交互

采集系統數據使用的伺服之星SERVOSTAR為電動機廠商研發的專業軟件，開放性不是很好，直接利用軟件內部數據比較困難，考慮采取串口通信或數據文件過渡的方式完成數據交互。經反復調試論證，串口通信方式實現起來更為方便，因此采用串口通信的方式來完成數據的交互。驅動器上的檢測串口為9針RS－232串口，RS－232也是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。平臺可視化終端定義好串口屬性，通過程序預留接口接收從驅動器串口輸出的系統數據，根據傳輸源碼各字節含義將其轉化為天線模型所需的實際參數值。

3 檢測平臺可視化實現

3．1 模型的導入與導出

通過3DMax軟件建立天線三維模型后，將三維模型導出并保存為以．fdx為后綴名的文件，并把此模型文件和紋理圖片文件一并粘貼到的Unity3D新建projects的Assets文件夾目錄下，打開Unity3D軟件檢查文件在層次欄中的讀入情況，然后將模型文件整體拖入Project欄，至此三維模型導入Unity3D結束。當所有調試工作完成，Unity3D導出．exe執行文件和數據文件夾作為最終的客戶終端。

3．2 紋理貼圖和組織劃分

先期完成設備紋理圖片的制作。將拍攝的裝備照片按模型尺寸比例通過Photoshop軟件進行處理。特殊實景材質，通過數碼相機微距拍攝取得原始素材。在Photoshop中通過圖形大小調整、亮度、對比度和銳化等效果處理，保存為材質圖形文件。根據模型中各個立面材質需要的不同，導入相應的材質，調整其填涂坐標。船載天線虛擬仿真效果及其隨動層次圖如圖4所示。

圖4 天線虛擬仿真效果及其隨動層次圖

三維模型生成后，給各面貼上對應的紋理，對模型進行消隱、光照等處理，以達到真實的三維效果。根據天線各個部件的機械隨動關系，明確天線結構隨動層次圖和劃分天線轉動關節，結合各分支結構組織，建立天線結構指向體系。

3．3 模擬動態天線，實現數據交互

在Unity3D中大部分功能通過編程實現，功能函數一般定義在Unity3D自身的API函數庫中。將模型定義為Transform類，由Transform類函數Rotate函數實現天線三軸旋轉，三軸單獨建立程序文件，拖入代表三軸的模型屬性欄里。實現數據交互由SerialPort類定義串口名稱、波特率、起始位、停止位、奇偶校驗等參數，Read函數讀取串口數據寫進Byte［］位數組，然后將天線需要的轉速參數賦值給Rotate函數中的轉速變量，將調試好的程序文件拖入控制對象的屬性欄中，便達到通過程序控制GameObject的目的。以下程序為Unity3D讀取串口數據程序。

對以上串口程序進行調試，首先在PC電腦上搭建輸入輸出2個串口，調試完畢后模擬驅動器反饋回的串口源碼數據，用串口調試助手發送給其中一個串口，天線仿真終端通過另一個端口接收此數據，讀取數據中代表電機轉速、電機位置及電機轉矩的字節，通過程序調試確保電機轉速和天線角速度的比例值符合天線實際比例值。

調試界面如圖5所示。

串口通信調試成功后，利用備用驅動器和電機及直流電源和380 V電源搭建檢測平臺。在SERVOSTAR命令窗口輸入轉速值，電機隨之轉動;同時，SERVOSTAR的參數顯示界面上顯示電機的最大和最小轉速，天線模型的一軸也隨之以一定速度轉動。增加輸入命令轉速，觀察電機轉速和SERVOSTAR的反饋參數，電機轉動和反饋參數均正常，天線模型轉動明顯加快，平臺測試結果一切正常。

圖5 串口程序調試界面

4 結束語

主要對船載交流伺服系統檢測平臺進行可視化設計，并且研究出具體實現的方法，對發揮檢測平臺的功能具有很強的實踐意義和現實價值。實現檢測平臺可視化，不僅使檢測人員更加便于觀察參數狀態，而且模擬出天線的實時狀態，使得檢測平臺具有實時性的同時更貼近現實。未來將繼續在平臺可視化方面進行拓展，爭取在更大程度在天線模型上體現電機性能。

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