某發射裝置應急控制設計與實現

王天輝，付京來

(中國人民解放軍 91851部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

發射裝置是導彈武器系統的重要組成部分，能夠為導彈的發射提供初始指向[1-2]。某發射裝置可根據射擊需要，調轉到指定發射方向和發射角度，為某型靶彈發射提供穩定的初始姿態[3-4]。但由于裝備服役年限、使用頻率、人員素質、使用環境等因素影響，其控制系統可靠性降低，電動控制存在偶發故障，為提高發射裝置的可靠性，提升裝備保障效率，以現有裝備，減少裝備改動，保留原有功能的原則，設計一種應急控制方案，從而大大提高裝備的可靠性和使用效能。

1 系統組成及應急控制分析

1.1 系統組成

發射裝置具有俯仰和方位兩個自由度，包括：起落臂、轉臺、俯仰推桿系統、方位推桿系統控制系統、手持盒、鎖止裝置、基座等。起落臂主要用于支撐和固定發射箱；轉臺安裝于發射裝置基座與起落臂之間，是實現發射裝置起落臂的俯仰和方位控制的機械部件；俯仰推桿系統主要由俯仰電動缸、驅動器和俯仰支架構成，用于驅動發射裝置完成俯仰動作；方位推桿系統主要由方位電動缸、驅動器和方位支架構成，用于驅動發射裝置完成方位動作；控制系統由主控制箱和配套電纜組成，可按手持盒或發控設備傳輸過來的指令對俯仰機構和方位機構進行精確控制[5-7]；手持盒是人機交互工具，實現角度的輸入和發射裝置狀態監視；鎖止裝置主要用于發射裝置運動到位后的鎖定；基座為控制系統、方位電動缸、驅動器提供安裝空間，并起落臂離地高度。

1.2 應急控制分析

發射裝置工作原理如圖1所示。由圖可以看出，發射裝置要正常調轉，至少需要供配電系統、手持盒、控制系統、俯仰/方位推桿系統、俯仰/方位角度傳感器、方位鎖緊裝置等工作正常。

圖1 發射裝置工作原理圖

俯仰/方位推桿系統由驅動器和電動缸構成，該產品為成熟通用產品，可靠性好[8-9]。因此，針對原控制系統可靠性不高的現象，利用原俯仰/方位推桿系統，設計一種應急控制方式，實現發射裝置調轉，調轉到位后對發射裝置進行手動鎖定。應急控制實現原理圖如圖2所示，驅動器可控制電動缸運行速度，可對速度進行時間積分，可求得電動缸運行距離。

圖2 發射裝置應急控制實現框圖

發射裝置根據射擊要求，對發射裝置進行一定角度的俯仰和方位調轉，而電動缸僅能實現伸長和收縮運動，要實現發射裝置的角度控制，就需要建立發射裝置俯仰和方位的數學模型，將需要轉動的角度信息轉換為電動缸的運動距離。

2 數學模型分析

2.1 俯仰轉動數學模型

本發射裝置要求俯仰運動范圍為0o～60o，俯仰0°和60°為發射裝置俯仰運動極限位置。發射裝置俯仰驅動的極限位置如圖3所示，轉臺上的起落臂支耳與電動推桿下支耳水平距離740 mm，豎直距離600 mm，電動推桿上支耳距離轉臺起落臂支耳距離2 565 mm。當起落臂位于水平狀態(俯仰角度為0°)時，電動推桿長度1 921.3 mm，傾角為18°；隨著電動推桿逐漸伸長，起落臂俯仰角度逐漸增大，當角度達到60°時，電動推桿長度2 873.04 mm。

圖3 發射裝置俯仰驅動極限位置示意圖

根據發射裝置俯仰驅動極限位置示意圖建立俯仰轉動的數學模型如圖4所示，A點為電動缸推桿的固定支持點，AB為發射裝置俯仰初始零位的電動缸長度，AC為發射裝置俯仰γ角度時電動缸的長度。

圖4 俯仰轉動數學模型

在該數學模型中，∠COB的角度設定為γ，該角度為俯仰轉動角度。∠AOB的角度設定為α，∠COA的角度設定為β，則有

γ=β-α

(1)

圖中AB的長度為初始狀態LAB=1 921.3 mm，設定電動缸伸出S，則電動缸伸出后的長度LAC為

LAC=LAB+S

(2)

由圖4可知，LOA=952.68 mm，LOC=LOB=2 565 mm，在三角形AOB和AOC中有

(3)

(4)

由公式(1)、公式(3)和公式(4)可得

(5)

由公式(2)和公式(5)，可得

1921.3

(6)

若發射裝置俯仰角位處于初態，應先用光學象限儀測得發射裝置俯仰初始角度，根據公式(6)，求得此時電動缸的伸長量S0，同理可求得目標俯仰角下電動缸的伸長量S1，則電動缸的運動長度為S1～S0。通過上位機向驅動器發送俯仰速度幀，來控制俯仰電動缸俯仰運行速度，從而達到控制俯仰電動缸運行長度的目的。

2.2 方位轉動數學模型

發射裝置方位范圍為-45°～45°，方位-45°和45°為發射裝置俯仰運動極限位置。發射裝置方位極限位置如圖5所示，方位推桿與基座相連的支耳距轉臺中心水平距離1 250 mm，豎直距離190.8 mm，轉臺方位角度處于零位時，電動推桿長度1 252.56 mm，當電動推桿回縮至1 059.08 mm時，轉臺向一個方向旋轉45°。若定義此方向角度為正，則當電動推桿伸長至1 440.93 mm時，轉臺將旋轉-45°。

圖5 發射裝置方位驅動極限位置示意圖

根據發射裝置方位驅動極限位置示意圖建立方位轉動的數學模型如圖6所示。O點為轉動中心，B點為電動缸固定點，AB為發射裝置方位零位時電動缸長度，BC為發射裝置轉動γ角度時電動缸長度。

圖6 方位轉動數學模型

在該數學模型中，∠AOC的角度設定為α，該角度為發射裝置方位轉動角度。∠AOB的角度設定為β，∠COB的角度設定為γ，則有

γ=β-α

(7)

發射裝置方位角度為0°時，電動缸初始長度LAB=1 252.56 mm，設定電動缸伸出S(向右轉動為正角度，此時電動缸伸出為負值)，則電動缸伸出后的長度AC為

LBC=LAB+S

(8)

(9)

在三角形BOC中有

(10)

由公式(7)、公式(9)和公式(10)可得

(11)

由公式(8)和公式(11)，可得

1252.56

(12)

若發射裝置俯仰角未處于初態，應先用炮瞄鏡測得發射裝置方位初始角度，根據公式(12)，求得此時電動缸的伸出量S1，同理可求得目標方位角下電動缸的伸長量S2，則電動缸的運動長度為S2～S1。通過上位機向驅動器發送方位速度幀，來控方位電動缸運行速度，從而達到控制方位電動缸運行長度的目的。

3 基于Qt的軟件設計

3.1 軟件總體架構設計

本應急控制軟件采用Qt開發，Qt是由諾基亞公司開發的一款強大的跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架開發平臺[10-12]。它具備優良的跨平臺特性、組件編程和豐富的控件資源，可以為開發者提供健全且美觀的用戶界面功能[13-14]。

軟件采用模塊化設計思想，整個軟件分為模型解算模塊、通信模塊、人機交互模塊等三部分，采用模塊分割設計，進行模塊封裝，簡化各模塊之間的耦合關系。

人機交互模塊：提供人機操作界面，查看電動缸實時狀態，輸入發射裝置的當前角度和目標角度，并實時顯示發射裝置的運動角度。

解算模塊：根據輸入的角度和發射裝置的數學模型，計算方位電動缸和俯仰電動缸的運動長度，并將計算的結果傳遞給數據通信模塊。

數據通信模塊：是完成上位機和驅動器的串口通信，按照通信協議，以1幀/10 ms的速率向驅動器發送指令，并以1幀/50 ms的速率接收驅動發送的電動缸狀態幀。

3.2 人機交互模塊設計

軟件界面是人機交互的主要途徑，要完成軟件的界面設計，首先要設計軟件界面的基本框架[15-16]。根據軟件要實現的功能，設計界面可分為串口設置區、狀態顯示區和操作控制區，圖7為發射裝置應急控制軟件主界面。

圖7 發射裝置應急控制軟件主界面

3.2.1 串口設置區

在初始狀態下，可以通過下拉列表選擇對應的可用串口號，“打開串口”和“關閉串口”采用同一個按鈕，當串口打開時，該按鍵變為“關閉串口”，初始狀態該按鍵為“打開串口”。

3.2.2 狀態指示區

狀態指示區分俯仰狀態指示和方位狀態指示，在初始狀態下，方位狀態和俯仰狀態指示燈為灰色，對應燈有相應的說明。在收到電動缸反饋的狀態后，狀態指示區能夠根據收到數據，用紅燈和綠燈來顯示電動缸狀態，同時在狀態燈前用文字描述對應電動缸狀態。指示燈采用自定義控件實現，通過自定義函數setLedState(quint8 fangx，quint8 ledState)來設置對應指示燈狀態。

3.2.3 操作控制區

操作控制區包括俯仰控制和方位控制，首先要輸入發射裝置當前的角度，俯仰角度范圍為0°～60°，方位角度范圍為-45°～45°，當輸入范圍或者計算結果超過電動缸的運轉范圍，會彈出相應的提示框，提示輸入超過范圍。當設置當前角度滿足范圍要求時，對應的表盤及表盤下方顯示數據顯示當前發射裝置角度。同理可設置目標角度，即發射裝置要轉動到的角度。

當完成“設置當前角度”和“設置目標角度”后，點擊運行按鈕，若此時串口未打開，會彈出提示框提示“打開串口”。若此時串口打開正常，點擊運行會彈出提示：“詢問發射裝置的鎖定機構是否松開”。防止因鎖定機構未松開，轉動發射裝置造成發射裝置損壞。若此時未松開鎖定機構，則點擊提示框“NO”按鈕，發射裝置不轉動，可進行鎖定機構松開操作。若此時已經松開鎖定機構，則點擊提示框的“Yes”按鈕，發射裝置轉動，同時對應的儀表盤實時顯示發射裝置轉動角度。儀表盤采用自定義控件實現，編寫儀表盤類Dashboard，在主類中調用該類。

當在發射裝置轉動過程中，發現發射裝置周邊有異常情況時，可點擊操作區的“急停”按鈕，發射裝置迅速停止。

3.3 解算模塊設計

解算模塊主要是根據輸入角度和目標角度，依據發射裝置的模型，解算電動缸運動距離。解算模塊封裝為double moveSlove(double angle，bool ch)函數，參數angle為發射裝置角度，ch對應發射裝置的通道，1表示俯仰通道，0表示方位通道，返回值為發射裝置角度對應的電動缸伸長距離。下面以俯仰角度為例進行闡述。

假設當前俯仰角度為20°，目標角度為60°，按鍵“設置目標角度”對應的槽函數為void on_Btn_AimAngle_fy_clicked()，在槽函數中調用解算模型函數moveSlove，可求得20°和60°對應的電動缸長度，兩者相減即可求得電動缸的運動距離，當結果為負數時，表示電動缸為收縮運動，若求解結果超過電動缸運動范圍，軟件彈出提示框提示。解算模塊設計流程圖如圖8所示。

圖8 解算模塊流程圖

3.4 通信模塊設計

通信模塊主要是完成上位機和電動缸驅動器的串口通信，可分為串口設置模塊、數據接收解析模塊和數據發送模塊。

串口設置模塊完成串口的波特率、校驗方式、停止位、流控設置、數據接收定時器開啟、數據發送定時器開啟等功能，其設計流程圖如圖9所示[17-18]。

圖9 串口設置模塊流程圖

數據接收解析模塊主要是完成串口數據的接收解析，并將解析結果以指示燈的模式顯示至軟件界面，數據接收模塊的頻率為1幀/50 ms。因此，在串口打開時，開啟定時器timer1，定時器的周期設置為50 ms，當定時周期到，自動觸發槽函數void timer_50ms_out()函數，在該函數完成數據處理和顯示。接收數據每幀為8個字節，幀頭為0XEB90。幀類型0X1F代表俯仰狀態，0X1E代表方位狀態，每一幀采用CRC16校驗，其流程圖如圖10所示。

圖10 數據接收模塊流程圖

數據發送模塊主要完成上位機向電動缸驅動器發送指令，控制電動缸運動，指令周期為1幀/10 ms。在點擊界面上“運行”按鈕時，啟動定時器timer2，定時周期為10 ms，該定時器為電動缸指令發送周期。同時開啟控制周期定時器timer3，定時周期為500 ms，該定時器為運動控制周期。按照先發解鎖幀、再發送啟動幀的順序發送解鎖和啟動指令，每個指令發送5次，其主流程圖如圖11所示。

圖11 數據發送模塊主流程圖

在運動控制周期內，當解鎖和啟動指令發送完畢后，先判斷電動缸剩余運動長度是否大于12 mm。若大于，則判斷電動缸目前運行速度是否大于額定轉速，若小于，則在該運動周期內速度增加1，否則按額定速度運行。若電動缸剩余運動長度小于等于12 mm，則判斷剩余運動長度是否大于1 mm，若大于則判斷運行速度是否大于1，若大于1，則在該控制周期內速度減少1，否則按照速度為1運行，直至剩余運動長度小于1 mm。按照速度緩慢增加或減小的控制目的是為了保障電動缸運行的平穩性，防止出現超調。其周期內速度控制流程圖如圖12所示。為保障電動缸驅動器能夠可靠收到指令，每個指令幀在一個控制周期發送5次，俯仰和方位控制流程一致。

4 試驗驗證與可靠性分析

4.1 試驗驗證

1)俯仰角度驗證

將發射裝置運輸至發射陣地，利用起落臂上的基準面測量發射裝置的俯仰和滾轉角度，調整發射裝置底部墊板使二者均為0o，隨后用地腳螺栓將發射裝置固定。將發射裝置俯仰調轉至一定角度，利用精度為1′的光學象限儀在發射裝置基準平面上進行俯仰角度測量，測得角度即為發射裝置實際俯仰角度。

將發射裝置依次從0°轉至5°，然后發射裝置轉回0°，然后再從0°轉至10°。按照此方法，利用應急控制軟件，依次將發射裝置俯仰角度調轉至10°、20°、30°、40°、50°、60°。調轉到位后用光學象限儀進行測量，測量結果見表1所示。

表1 發射裝置俯仰角度測量結果

2)方位角度驗證

將MG150A單筒瞄準鏡安裝在起落臂支耳轉軸上，使瞄準鏡上的滾轉水泡均位于中位；調整瞄準鏡的方位角，使其能夠瞄準1 000米外的鐵塔(真北方向基準)塔尖，記錄瞄準鏡讀數β0。調轉發射裝置的方位偏轉角一定角度，然后手動調整瞄準鏡，使其仍能夠瞄準1 000米外的鐵塔塔尖，記錄此時瞄準鏡讀數β。β-β0位置則為發射裝置實際轉過角度。

先用校瞄鏡對遠處標桿，測量發射裝置方位0°對應的校瞄鏡讀數，然后向右調轉發射裝置至10°，讀出此時校瞄鏡讀數，兩次校瞄鏡讀數之差就是發射裝置實際調轉角度。依照此方法依次將發射裝置分別向左和向右調轉10°、20°、30°、40°、45°，測量結果見表2和表3所示。

表2 發射裝置俯仰角度測量結果(向右)

表3 發射裝置俯仰角度測量結果(向左)

由表1～3中理論值和測量值的對比可以看出，采用應急控制方式，發射裝置俯仰和方位的角度控制精度均不大于10′，滿足發射裝置設計精度：方位不大于10′，俯仰精度不大于20′的要求。

4.2 可靠性分析

根據原發射裝置的工作原理，俯仰可靠性模型如圖13所示。

圖13 原發射裝置可靠性模型

從可靠性模型可以看出，發射裝置是一個可靠性串聯系統，即任意功能單元失效都將導致整個系統工作失效，通常對發射裝置中電氣產品均假定壽命分布近似為指數型，則發射裝置的可靠性數學模型可用下式表示[19-20]：

(13)

式中，n為發射裝置可靠性框圖中組成單元的個數；Ri(t)為發射裝置可靠性框圖中各組成單元的可靠度；λS為發射裝置的故障率；λi為發射裝置各組成單元的故障率。

則，發射裝置的平均故障間隔時間(MTBF)為：

(14)

結合各部件組成，由以上公式推導可算出原發射裝置的控制可靠性如表4所示，其中發射裝置總的平均故障間隔時間是可由公式(14)求得。

在應急控制工作方式下，其只需上位機(工控機)、驅動器、電動缸正常工作即可，其可靠性模型認為是上位機(工控機)、驅動器、電動缸3個部件的串聯，其應急控制工作方式下可靠性計算表如表5所示。

由表4和表5對比可以看出，采用應急控制方式，發射裝置應急工作方式下的可靠性得到較大提升。

表4 發射裝置可靠性計算表

表5 應急工作方式下發射裝置可靠性計算表

5 結束語

本文針對某發射裝置控制系統可靠性降低，遠程電動控制模塊出現偶發故障的情況，基于原有電動缸和驅動器，減少設備的改動，設計了一種最優配置下的應急控制方案。在原發射裝置設備的基礎上，分析其各部分的組成，基于減少對現有裝備的改動原則，設計了應急控制軟件。通過上位機控制軟件對發射裝置的俯仰和方位角度進行控制。經與系統聯合調試，軟件界面交互性好，運行穩定，充分驗證了應急控制方案的可行性和有效性。后經外場試驗驗證，該應急控制方案亦能滿足多任務工況的指標要求。通過對比發射裝置應急控制改進前后可靠性指標MTBF，結果表明發射裝置可靠性得到大幅提升。本文研究的發射裝置應急控制方法對其它地面支持系統可靠性設計具有一定的參考價值。