基于無線傳感器測量的轉換裝置同步控制系統研究

王趙帥，邢 然，劉麗媛，王闊傳，韓 琪

（1. 北京航天發射技術研究所，北京，100076；2. 北京航天計量測試技術研究所，北京，100076）

關鍵字：活動發射平臺；轉換裝置；無線傳輸；同步控制

0 引 言

活動發射平臺轉換裝置用于實現平臺行走狀態和定位狀態間的轉換，行走狀態下發射平臺載荷作用于輪組，到達發射陣地后，通過轉換裝置觸地頂升活動發射平臺本體令輪組離地，使得火箭加注及起飛時對活動發射平臺的載荷通過轉換裝置傳導至地面，減輕行走裝置及軌道的壓力。轉換裝置動作是基于“三垂”發射方式的運載火箭在發射測試流程中必要動作，轉換裝置的同步控制是活動發射平臺關鍵技術之一。

轉換裝置控制系統采用基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的集中控制方案，為提高系統靈活性和維護性，減少系統配套電纜數量，提升狀態轉換流程工作效率，采用基于無線傳感器測量方式實現轉換裝置高度反饋測量。本文著重對無線測量傳輸技術及轉換裝置全自動同步控制策略進行介紹。

1 轉換裝置控制原理

轉換裝置采用多個支腿同步升降方式實現狀態轉換，由液壓馬達驅動大負載螺旋傳動機構完成升降動作。轉換過程分為預升、同升、同降、回收4個流程，預升過程中通過預設高度值控制各支腿觸地，為同升動作做準備，同升動作時各支腿同步運動將平臺頂升至預設高度，同降、回收動作是同升、預升動作的逆流程。轉換裝置動作流程如圖1所示，各動作流程可在控制系統控制下自動完成。

圖1 轉換裝置動作流程Fig.1 Action Flow of the Conversion Device

活動發射平臺轉換裝置支腿分布及控制原理示意如圖2所示。為方便描述轉換裝置各支腿的位置及運動方向，按如圖順序標記支腿編號為1～8號。

圖2 轉換裝置支腿分布及控制原理Fig.2 The Distribution of the Legs and the Control Principle of the Conversion Device

活動發射平臺采用八點支撐，同升動作屬于過自由度運動，為避免因運動不同步導致箭體姿態變化或應力集中，同升過程中需對各支腿的伸長量進行同步控制，保證各支點在同一水平面內動作。各支腿均安裝位移傳感器用于實時反饋支腿伸長量，為同步控制提供依據。基于無線傳感器測量的同步控制系統組成如圖3所示，系統主要由拉線位移傳感器、無線發射設備、無線接收設備、主控計算機、可編程邏輯控制器（PLC）、放大板等部分組成。

圖3 轉換裝置控制系統組成Fig.3 Composition of the Conversion Device Control System

轉換裝置運動過程中，控制系統同時控制各支腿油路的比例方向閥，通過調節液壓馬達流量實現各支腿運動速度的控制。拉線位移傳感器用于測量各支腿伸長量，測量結果經無線發射設備轉換為無線信號發出，無線接收設備接收無線信號并通過RS485串行總線將信號傳輸至主控計算機，實現對各支腿的位置監測。主控計算機與PLC組成控制核心，用于運行同步控制算法，完成同步控制。

2 無線傳感器測量技術

無線傳感器測量技術在火箭測發控領域取得了一定的應用，如發射塔架位移以及溫濕度監測、火箭燃料加注監控等，主要用于解決地面電纜網布設困難的問題。將無線傳輸測量技術引入活動發射平臺轉換裝置控制系統中，可以使系統布置更加靈活，且測量系統節點數量的變化不影響系統整體架構，系統靈活性、拓展性強，傳感器布置、撤收方便，易于維護維修，有助于提升流程效率。

2.1 無線測量原理

無線傳感器測量子系統由無線網關、無線中繼器、無線傳感器節點等設備組成，通過射頻通信技術實現無線測量系統內的時鐘統一和信號傳輸。系統采用SUB-1G射頻技術，無線設備配備鞭狀天線，在滿足控制系統實時性與通訊速率要求的同時，具備較好的抗遮擋能力和較遠的通信距離。

無線傳感器測量子系統數據流向圖如圖4所示。

圖4 無線傳感器測量子系統數據流向圖Fig.4 Data Flow of Wireless Sensor Measurement Subsystem

無線測量子系統數據流向及工作流程如下：

a）無線網關加電后發送無線同步信號，中繼器和各無線節點接收無線同步信號；

b）中繼器接收無線同步信號后即刻轉發同步信號，無線節點接收到網關或中繼器的同步信號后完成時間同步；

c）完成時間同步的節點按系統統一時間基準，分時發送測量數據，不同節點間按照分時復用（TDMA）方式完成無線數據發送；

d）節點發送的測量數據可直到無線網關，也可經過中繼器轉發后到達無線網關；

e）網關接收到測量數據后通過485串行總線定時發送至控制計算機。

無線中繼器、無線傳感器節點由內置可充電電池供電，為確保無線測量設備電池能量滿足單次任務流程的使用需求，系統分為實時工作模式和休眠模式。

實時工作模式下，無線測量系統內各節點完成時鐘同步，無線傳感器定時發送測量數據，中繼器接收數據包后進行轉發。休眠模式下，無線測量系統處于無線電靜默狀態，節點耗電電流可控制在μA級。無線采集器和中繼器定時開啟射頻接收，搜索到同步信號后激活，轉為實時工作模式。

2.2 冗余抗干擾技術

活動發射平臺控制系統對可靠性和信息傳輸實時性有較高要求，為同時保證實時性和可靠性要求，無線傳感器測量子系統采用了頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA）相結合的冗余抗干擾技術。

TDMA指以信號傳輸時間的不同建立多址的方式。無線傳感器測量系統以同步時鐘技術為基礎，確保無線網關、中繼器和無線傳感器節點在同一時間基準下工作，在此基礎上將傳輸信道進行時間分割以傳送若干話路信息，系統按一定次序輪流給各節點分配一段利用信道的時間。FDMA指把總帶寬分隔為多個正交信道，各節點可利用正交信道實現信息冗余傳輸。

本系統采用TDMA與FDMA結合的冗余抗干擾通訊技術，在時鐘同步的基礎上通過TDMA實現信息傳輸的強時效性，通過跳頻技術實現數據傳輸的冗余。跳頻技術實現FDMA最大的技術難點在于系統內部各獨立部分跳頻時間的同步，本系統采用令牌式的協調機制，網關發出的同步數據包包含同步信息和跳頻次序表，信號收發方在統一的時鐘下按順序同步跳頻，實現同步收發。冗余抗干擾通信流程示意如圖5 所示。為避免對發射場其他無線通信設備造成干擾，選用914～917 MHz頻段進行跳頻。

圖5 冗余抗干擾通信流程Fig.5 Redundant Anti-jamming Communication Process

2.3 錯誤陷阱技術

控制系統通過冗余抗干擾技術保證無線通信可靠不受到外部干擾，但是在極端惡劣的環境下，數字系統的內部時序、存儲的關鍵數據仍有可能受到干擾導致錯誤，影響系統的功能實現及設備安全。控制系統采取了錯誤陷阱技術來防止極端情況發生。錯誤陷阱技術可分為3個層次：

a）錯誤重啟技術：監測到關鍵數據錯誤、關鍵故障時，系統重啟并重新組網，可能會導致小部分數據丟失，但是重啟后系統可重新正常工作；

b）錯誤丟棄技術：監測到數據錯誤，系統自動丟棄該數據；

c）錯誤恢復技術：監測到系統錯誤，系統能夠對錯誤進行修正并恢復工作。

控制系統采用錯誤重啟技術和錯誤丟棄技術應對無線測量系統極端錯誤情況。系統設計的錯誤重啟技術能保證1 s內整個系統恢復正常工作，如系統監測到空中數據包錯誤，采取丟棄的方式，由于本系統中無線信道的冗余性，數據不會丟失，系統仍可正常工作。

為驗證錯誤監測技術和錯誤陷阱技術有效性，系統研制過程開展了大量的在極端情況下的錯誤模擬測試（見表1）。試驗表明錯誤陷阱技術可很大程度避免極端情況對控制系統影響，使系統具備自我恢復能力。

表1 極端情況下模擬試驗結果Tab.1 Simulation test Results in Extreme Cases

為保證系統在極端情況系統的可靠工作，本系統所有單機均設計了兩路看門狗計時器（WDT），其中單片機采用內部自帶的WDT，其復位周期為軟件可調，另外單機內單片機復位電路上連接了一個硬件WDT，其復位周期為硬件設置，軟件不可設置。

在系統設計中，內外WDT采用了分級設計機制，即如果出現故障，內部WDT先行啟動，在內部WDT不能正常工作的時候，外部WDT強制系統復位，后續軟件機制保證問題單機或者整個系統的正常工作。雙重的WDT機制保證了系統能夠可靠快速恢復故障。

3 同步控制流程及算法

轉換裝置控制系統采用全自動主從同步控制策略實現各支腿的位置同步性控制。主從同步指多個需要同步運動的對象以其中一個對象的輸出作為基準，對其進行跟蹤以達到運動同步。控制系統可根據目標值自動調節各支腿運動狀態，到達目標值后自動停止流程，實現“一鍵式”控制。

3.1 控制流程

控制系統通過控制各支腿液壓回路比例方向的開度調節其運動速度，系統以1號支腿伸長量為參考進行主從同步控制。轉換裝置降的過程為動作反向，控制原理及策略一致。本節主要以升過程為例進行描述，預升、同升控制流程示意如圖6所示。

圖6 預升、同升控制流程Fig.6 Control Process of the Pre-upgrade and Synchronous-upgrade

轉換裝置在初始位置先進行預升控制流程。控制系統依據測得的預升高度值分別控制各支腿啟停。當任意轉換裝置支腿到達預升設定高度后，該轉換裝置停止運動，直到8組支腿均到達設定高度后，預升流程自動停止。

同升動作以預升動作確定平面為基準，設定同升目標值后可實現全自動同步控制，執行以1號支腿伸長量為基準的自動同步閉環控制運動。運動過程中2～8號支腿伸長量若大于判斷閾值上限則降低相應支腿的比例閥開度，進而降低運動速度，反之亦然。當8組轉換裝置均達到設定同升高度后，同升過程自動停止。

3.2 同步控制算法

轉換裝置全自動同步控制算法分為同步控制算法和位置控制算法兩部分，控制原理示意如圖7所示。

圖7 同步控制原理框圖Fig.7 Principle of Synchronous Control

控制系統對液壓的輸出流量進行控制。采用PID調節參數：根據經驗范圍，設定基本的初值，通過模擬或閉環運行觀察系統的響應曲線，然后根據各環節參數對系統響應的大致影響，反復湊試參數，以達到滿意的響應，從而確定PID參數。反饋誤差參量為位移。建立公式模型如下：

控制系統對液壓的輸出流量進行控制。采用PID調節參數：根據經驗范圍，設定基本的初值，通過模擬或閉環運行觀察系統的響應曲線，然后根據各環節參數對系統響應的大致影響，反復湊試參數，以達到滿意的響應，從而確定PID參數。反饋誤差參量為位移。建立公式模型如下：

式中，分別為標準支腿（1號支腿）的初始高度和實時測量高度；，分別為隨動支腿（2～8號支腿）初始高度和實時測量高度；，分別為標準腿、隨動腿的高度變化值；為偏差比例系數；Δ為位置反饋PID中的偏差值；為初始設定流量值；為流量調節系數，依據經驗獲得；′為調整后的流量值。

控制過程中選取固定轉換裝置為標準支腿作為基準，將其動作曲線認為是理想曲線；隨動支腿作為跟隨，按照理想曲線調整。計算隨動支腿和標準支腿的變換高度誤差，將誤差Δ反饋到隨動支腿的流量控制中，反復調整得到最佳的輸出曲線。同時在同步控制過程中對誤差Δ進行監控，使其保持在±0.5 mm的范圍內，保障同步控制誤差精度。

4 試驗結果

前文介紹的基于無線傳感器測量的轉換裝置同步控制系統在某型號活動發射平臺上得到了應用，其中無線測量部分采用拉線位移傳感器與無線發射模塊結合的形式實現位移信號的無線傳輸，且無線模塊具有與多種傳感器配合的能力，接口靈活、拓展性強。

首先對無線傳感器測量子系統通訊距離及可靠性進行測試，測試結果如表2所示。從表2中可以看出無線傳感器測量子系統具有較大的傳輸距離和較強的抗干擾能力，系統的冗余抗干擾技術可有效保證數據傳輸的可靠性、穩定性。

表2 無線傳感器測量子系統可靠性現場試驗Tab.2 Reliability Test of Wireless Sensor Measurement Subsystem

在一定流量、壓力下啟動同升流程，設定同升期望值為30 mm，同升過程位移偏差閾值指標為0.5 mm，即隨動支腿與參考支腿的位移偏差不超過±0.5 mm。同升過程中各支腿的位移-時間變化曲線如圖8a所示，運動過程中隨動支腿與標準支腿最大位置偏差絕對值曲線如圖8b所示。

圖8 同升過程數據曲線Fig.8 Data Curve of the Synchronous-upgrade Process

從圖8可以看出，試驗結果與控制策略一致，隨動支腿以標準支腿伸長量為參考自動調整運動速度，運動同步性良好，最大位移偏差為0.46 mm，滿足同升位移偏差閾值要求。

5 結 論

本文首先介紹了運載火箭活動發射平臺轉換裝置的系統組成和控制原理，闡述了引入無線傳感器測量技術的背景和目的，在此基礎上詳細介紹了無線測量子系統的測量原理和冗余抗干擾技術、錯誤陷阱技術等可靠性保障技術，介紹了控制系統組成及多支腿全自動同步控制策略與算法，經過實際測試試驗表明，無線測量子系統通訊可靠性良好，控制策略及算法滿足轉換裝置同步控制指標要求，實現了系統配套優化和效率提升的目標。該系統已經應用于某型號活動發射平臺中，并完成了火箭的發射任務。