基于伺服電機和運動控制器的目標仿真實時性控制研究

　　引言

　　眾所周知，激光制導(dǎo)武器是以敏感到的特定激光信號為制導(dǎo)信息。在激光制導(dǎo)武器的半實物仿真系統(tǒng)中，目標仿真和制導(dǎo)仿真具有同等重要的地位。這是因為激光目標模擬的準確性影響到系統(tǒng)的整體仿真精度和可靠性，甚至可以說目標仿真系統(tǒng)的研制水平?jīng)Q定仿真大系統(tǒng)水平[1]。因此，目標仿真是提高半實物仿真系統(tǒng)整體精度的關(guān)鍵，“如何逼真地模擬激光目標”就成為仿真中重要的問題[1]。

　　目標仿真系統(tǒng)研究的是能夠?qū)崟r精確的模擬戰(zhàn)場環(huán)境中導(dǎo)引頭入瞳處接收到的各種目標反射編碼激光的光學特性。具體來說就是在計算機和電機控制器的控制下實時控制激光能量和光斑大小的變化，并以此來模擬激光航彈導(dǎo)引頭入瞳處的激光目標特性、能量變化特性和光斑大小變化特性。這種精確的模擬要求對目標的位置信息和速度信息等進行實時采集處理。之前基于步進電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)的程控一體化激光器不能很好的滿足系統(tǒng)的實時性要求，因此，筆者設(shè)計了基于伺服電機及運動控制卡的運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在控制激光光斑大小和能量的實時變化方面較前一系統(tǒng)有了較大改進。

　　運動控制的實時性設(shè)計

　　對激光光斑的大小和能量的實時性控制，具體體現(xiàn)就是對程控一體化激光器中的可變衰減系統(tǒng)和可控擴束系統(tǒng)進行實時性設(shè)計，這是目標仿真系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵。在設(shè)計時，我們以某型激光制導(dǎo)武器為背景進行了數(shù)字仿真，得到一組典型的數(shù)字仿真能量衰減(對應(yīng)的為電機控制步數(shù)數(shù)據(jù))曲線如圖1~2所示。

　　由上述數(shù)據(jù)和圖形可見，在初始投彈和飛行的大部分時間里，能量和光斑變化較緩慢，而在接近目標時發(fā)生了劇烈的變化。這說明當炸彈接近目標時激光能量和導(dǎo)引頭所見光斑大小隨時間的變化并不是一個線性關(guān)系。鑒于此，本系統(tǒng)在設(shè)計時既充分考慮光斑大小和能量的實時跟蹤范圍，又考慮了工程上實現(xiàn)的可能性，選用了TSA50標準型高速電控平移臺。旋轉(zhuǎn)臺則選用中空力矩電機帶動旋轉(zhuǎn)棱鏡來直接實現(xiàn)。特別的，本系統(tǒng)將步進電機驅(qū)動的平移臺和旋轉(zhuǎn)臺均改為由伺服電機進行驅(qū)動，主要考慮的是伺服電機啟動時間短，速度高，在極短的時間內(nèi)能夠帶動激光器內(nèi)安裝的平移棱鏡和旋轉(zhuǎn)棱鏡做高速運動，來模擬導(dǎo)引頭近距離敏感到的光斑的大小和能量，從而能夠滿足對光斑實時變化的要求。由高速平移臺和旋轉(zhuǎn)電機分別驅(qū)動擴束系統(tǒng)的目鏡和格蘭—付克棱鏡的檢偏鏡，使得能量和光斑變化在彈目距離>300m時能完全滿足實時性控制要求。而在剩余時間內(nèi)，由電機做全速運動來近似逼近末段的陡峭變化。

　　基于以上的目標和對于運動控制功能的設(shè)計，采用專用運動控制芯片是一種較好的選擇[2]。專用控制芯片通過PCI 總線與PC 機的CPU 通訊，接收PC 機的控制指令，由內(nèi)部的邏輯電路進行運算和脈沖發(fā)送，同時檢測一些開關(guān)量信號(如限位信號)的狀態(tài)并向PC 機報告，以實現(xiàn)運動控制的功能。在這種方案中，所有的運動控制細節(jié)都由運動控制卡上的專用芯片完成，無需占用PC 機的資源，PC 機可以專注于用戶界面的處理和對運動控制卡狀態(tài)的監(jiān)控。運動控制專用芯片自身具有強大的運動控制功能，不需要擴展復(fù)雜的外圍電路。PC 機只需要對運動控制芯片發(fā)送命令和參數(shù)，控制簡單。經(jīng)過反復(fù)的調(diào)研和論證，初步確定總體運動控制方案為“PCI 接口芯片+專用運動控制芯片+激光控制模塊”。