朱曉明，趙曉麗，李 欣，徐 巖

（哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，哈爾濱 150001）

0 引言

頭盔測試轉(zhuǎn)臺是用于防空飛行器中飛行員頭盔火力瞄準系統(tǒng)的測試系統(tǒng)，對于頭盔瞄準系統(tǒng)的研究起到很重要的作用。

該系統(tǒng)的機械主體由三部分結(jié)構(gòu)組成：頭盔支撐平臺、相機支撐平臺和底座。頭盔支撐平臺用于固定頭盔，由三個轉(zhuǎn)動自由度和一個移動自由度組成：方位軸、俯仰軸、橫滾軸和Y軸，分別模擬頭部的左右轉(zhuǎn)動、前后擺動、左右擺動以及Y向移動。相機支撐平臺用于固定相機，由兩個移動自由度組成：X軸和Z軸，驅(qū)動相機前后和上下移動，以便在適當(dāng)位置取得頭盔各種信息并反饋給主控系統(tǒng)以便其進行記錄。

1 功能需求分析

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，確定轉(zhuǎn)臺測試系統(tǒng)的功能如下：

1） 實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺方位軸、俯仰軸、橫滾軸的精確位置控制，轉(zhuǎn)動范圍在160度內(nèi)，精度20角秒內(nèi)。三個轉(zhuǎn)動軸可單獨或者同步控制；

2） 實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺Y向的精確移動位置控制，定位精度0.1mm；

3） 實現(xiàn)相機平臺Z向的精確位置控制，定位精度1mm；

4） 實現(xiàn)相機平臺與轉(zhuǎn)臺零點間的X向精確位置控制，定位精度0.1mm；

5） 實時顯示各個軸的狀態(tài)信息，便于用戶查看；

6） 各軸運行與操作具有安全防護措施；

7） 出于保密需要，控制功能進行封裝，便于用戶定制特殊系統(tǒng)；

8） 可通過其他計算機通過串口通訊，控制轉(zhuǎn)臺運動。

2 系統(tǒng)軟硬件平臺設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件平臺采用上下位機結(jié)構(gòu)。高可靠性工業(yè)計算機為上位機，主要完成非實時任務(wù)，如人機界面交互、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和發(fā)送指令等，下位機采用基于PCI的固高多軸運動控制器，依靠其內(nèi)置高速DSP的計算能力，完成實時控制功能，如移動計算、指令處理等。這種通用結(jié)構(gòu)，可以充分利用通用硬件平臺上的通用軟件資源，大大縮短設(shè)計周期，提高效率[1]。下位機的主要控制對象，即轉(zhuǎn)臺的頭盔支撐平臺，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺的頭盔支撐平臺

軟件平臺采用微軟公司的Windows XP系統(tǒng)，軟件開發(fā)環(huán)境采用基于Windows的VC++6.0可視化程序設(shè)計軟件，可以快捷、高效地建立程序結(jié)構(gòu),設(shè)計友好的圖形界面，簡化了用戶界面的設(shè)計過程[2]。同時，可以方便快捷的進行函數(shù)功能的動態(tài)鏈接庫封裝，實現(xiàn)用戶的定制需要。它具有很強的圖形設(shè)計功能，可以用來設(shè)計人機交互的虛擬儀表和三維仿真環(huán)境，提高用戶體驗效果[3]。

3 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，便于用戶進行功能定制，控制軟件的設(shè)計應(yīng)遵循如下原則：

1） 模塊化。先設(shè)計出軟件的總體功能結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及公共接口，然后按功能將各部分劃為功能模塊，再分別為各功能模塊設(shè)計程序流程，分別設(shè)計，最后統(tǒng)一組裝調(diào)試。模塊化設(shè)計方法有利于提高軟件的可擴展性，并且可以做到良好的數(shù)據(jù)和代碼封裝，加強了軟件的可靠性，后期維護也相對方便。

2） 安全可靠性。作為控制軟件，保證安全性和可靠性相當(dāng)關(guān)鍵。通過對可能出現(xiàn)的安全問題，盡可能通過軟件設(shè)計，設(shè)計正確的邏輯控制和安全防護，使其避免發(fā)生。

3.2 功能模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，將控制系統(tǒng)功能設(shè)計為如圖2所示的軟件模塊結(jié)構(gòu)。下面對模塊的設(shè)計予以論述。

圖2 軟件模塊結(jié)構(gòu)

3.2.1 自動定位模塊設(shè)計

自動定位是用戶在設(shè)置選定軸的精確目標位置和速度后，讓選定軸自動完成運動控制的方式。這種方式也是用戶最主要的操作方式，因此對該模塊的設(shè)計要保證其易操作性、安全可靠性。

在功能設(shè)計時，考慮到用戶可能選擇多個軸運動，為達到最大運行效率，考慮多個選擇軸實現(xiàn)同啟同停。為此在人機界面中給用戶留兩個速度設(shè)置接口。一個是移動軸的速度接口，供三個移動軸使用。令一個是轉(zhuǎn)動軸的速度接口，供三個轉(zhuǎn)動軸使用。這種設(shè)計的原理是當(dāng)用戶選擇三個轉(zhuǎn)動軸時，判斷出轉(zhuǎn)動行程最大的軸，將轉(zhuǎn)動速度設(shè)為該軸速度，從而可以計算出運行時間，然后將該時間作為其他兩個轉(zhuǎn)動軸的運行時間，從而計算出其他兩個軸的轉(zhuǎn)動速度，最終使三個轉(zhuǎn)動軸保持時間同步。同理，移動軸也采用這種策略。

自動定位操作時很容易出現(xiàn)的安全問題是用戶沒有設(shè)定正確的目標位置，導(dǎo)致運動超程發(fā)生碰撞，或者速度設(shè)置過大導(dǎo)致超限。為此在用戶啟動自動模式前，需要判斷每個選擇軸的目標位置和速度。如果超出范圍，則不啟動軸運動，并提示用戶。

為了提高易用性，將轉(zhuǎn)動軸目標位置設(shè)置形式設(shè)計為度分秒獨立設(shè)置方式，并可采用鍵盤或者鼠標點擊加減號的直觀輸入兩種方式，界面如圖3所示。鼠標點擊加減號時，度分秒會自動變化1個單位。為了增加可靠性，當(dāng)達到最大范圍時，自動判斷并停止變化，防止超限。

3.2.2 手動定位模塊設(shè)計

手動定位是用戶想實現(xiàn)對某個軸估計位置的調(diào)整而采用的位置調(diào)整方法，也是用戶經(jīng)常使用的功能。在該種方式下，只能選擇一個軸作為控制軸，并事先設(shè)定該軸的運行速度。用戶鼠標點擊人機界面上目標軸的加減號按鈕，該軸就會相應(yīng)移動。抬起鼠標即可實現(xiàn)停止，直觀易用，界面如圖4所示。

手動定位時容易發(fā)生的安全問題是用戶調(diào)整目標軸的運動位置過大，達到限位開關(guān)位置，觸發(fā)電氣限位。雖然電氣限位可以保證軸停止，但是急停會造成機械部件振動過大，造成損害。因此，系統(tǒng)為每個軸設(shè)定了軟限位，比最大行程小5度（轉(zhuǎn)動軸）或者5毫米（移動軸）。手動定位開始后，控制系統(tǒng)啟動定時器，實時檢測運動軸當(dāng)前位置。一旦達到軟限位，主動平滑停止軸運動，實現(xiàn)安全保護。

圖3 轉(zhuǎn)動軸目標值設(shè)定界面

圖4 手動定位操作界面

3.2.3 狀態(tài)監(jiān)控模塊設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)控模塊將系統(tǒng)內(nèi)部各種狀態(tài)導(dǎo)出，是用戶對系統(tǒng)狀態(tài)進行了解的主要途徑。通過狀態(tài)監(jiān)控模塊，用戶才能對系統(tǒng)的狀態(tài)進行判斷，以便進行正確的操作和處理。

系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)非常繁雜，必須根據(jù)用戶的需要選擇關(guān)鍵參數(shù)作為監(jiān)控對象，才能達到監(jiān)控效果。根據(jù)功能需要，選擇的監(jiān)控參數(shù)包括：限位狀態(tài)、伺服報警（用于系統(tǒng)安全狀態(tài)監(jiān)控），位置和速度（用于正常運行狀態(tài)監(jiān)控）、伺服狀態(tài)（用于伺服系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控）、頭盔和轉(zhuǎn)臺的距離（用于碰撞干涉監(jiān)控）等參數(shù)。

狀態(tài)監(jiān)控模塊的設(shè)計原理，是利用運動控制器為每個軸提供的一個16位狀態(tài)寄存器。該寄存器實時記錄了每個軸的當(dāng)前狀態(tài)。通過VC++6.0為每個窗口提供的定時事件處理函數(shù)OnTimer（UINT nIDEvent），定時讀取該寄存器的狀態(tài)，并將其更新至人機界面，完成監(jiān)控任務(wù)。而頭盔碰撞干涉監(jiān)控則需要建立頭盔的數(shù)學(xué)模型，然后采集當(dāng)前六個運動自由度的位置，將其輸入頭盔的模型，從而計算出導(dǎo)致碰撞干涉的距離信息并定時更新至人機界面，及時提示用戶。

狀態(tài)監(jiān)控模塊的人機界面設(shè)計也是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要方面。設(shè)計優(yōu)秀的人機界面，具有親和力和觀感舒適度，符合人體的使用習(xí)慣，具有良好的用戶體驗。根據(jù)上述理念，設(shè)計了多種形式的監(jiān)控界面，包括：1）盤形虛擬儀表，顯示轉(zhuǎn)動軸角度，2）直尺形虛擬儀表，顯示移動軸位置，3）狀態(tài)指示燈，具有兩個顏色狀態(tài)（常態(tài)與觸發(fā)態(tài)），顯示伺服開關(guān)、伺服報警開關(guān)、限位開關(guān)，4）實時趨勢曲線顯示，顯示六個軸的實時位置變化，5）數(shù)字顯示面板，實時顯示運動軸的速度。

其中最重要的盤形虛擬儀表采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，繼承了VC++6.0中的MFC類，即靜態(tài)文本框類CStatic，并對其進行函數(shù)擴充，利用其強大的圖形繪制功能，完成了虛擬儀表的外形設(shè)計，同時設(shè)計了用戶接口UpdateNeedle（double dValue），接受雙精度數(shù)值型的角度值，并實時更新為指針的顯示。為了滿足用戶需要，該虛擬儀表可以精確到小數(shù)點后面4位，如圖5所示。

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊設(shè)計

為了實現(xiàn)其他計算機通過串口通訊，發(fā)送指令控制本系統(tǒng)進行軸運動，必須先建立二者通訊。VC++6.0集成環(huán)境中的通訊控件Microsoft Communications Control本身封裝了串口通訊的底層協(xié)議，并給用戶提供了串口通訊的各種設(shè)置方法和數(shù)據(jù)傳送接口。設(shè)計時在控制計算機和被控計算機應(yīng)用程序中各植入了一個該通訊控件，并進行相同設(shè)置m_ctrlComm.SetSettings（＂9600,n,8,1＂），即通訊數(shù)據(jù)的傳輸波特率為9600，無校驗，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。通過統(tǒng)一設(shè)置保證數(shù)據(jù)的同步傳送。

為了實現(xiàn)通訊，必須建立兩臺計算機的通訊協(xié)議，才能保證指令的正確傳送、接收與解析。為此設(shè)計通訊協(xié)議“n ppp vv”。協(xié)議由三個字段組成。第一個字段n為一位正整數(shù)表示控制的目標軸號，范圍為1-6。第二個字段ppp為三位整數(shù)（可負），指定運動目標值。第三個字段vv為兩位正整數(shù)，指定運行速度。字段間用一位空格隔開?？刂朴嬎銠C的串口控制界面如圖6所示。

圖5 盤形虛擬儀表

圖6 串口控制系統(tǒng)

3.2.5 其他模塊

安全防護模塊主要用于處理安全問題，比如限位觸發(fā)后的處理和提示。開機尋零模塊用于用戶開機后尋找事先標定的工作零點。尋偏移量模塊用于測量物理原點與工作原點的精確偏移，以便標定工作原點。軟件補償模塊則用于補償由于機械制造形成的誤差。坐標置零模塊將當(dāng)前任意位置置零，用于系統(tǒng)的調(diào)試。

4 結(jié)論

本文以防空飛行員的頭盔測試轉(zhuǎn)臺為控制對象，介紹了其基本組成與應(yīng)用，分析了該系統(tǒng)的功能需求，并對該系統(tǒng)的軟硬件平臺進行設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，對軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進行了討論，建立了模塊化結(jié)構(gòu)。然后著重對自動定位模塊、手動定位模塊，狀態(tài)監(jiān)控模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等重要模塊的設(shè)計進行了論述。

根據(jù)本文軟件設(shè)計方法所建立的轉(zhuǎn)臺軟件控制系統(tǒng)，經(jīng)過與電機和驅(qū)動器連線后，經(jīng)過自準直儀的測量結(jié)果證明，轉(zhuǎn)動和移動精度達到了預(yù)期的設(shè)計要求，并且定位穩(wěn)定可靠、操作和運行的安全性高，界面清晰易用，達到了非常滿意的效果，對于該類控制系統(tǒng)具有很高的推廣價值。

[1] 董海瑞, 高連生. 三軸仿真轉(zhuǎn)臺上位機控制軟件的研究[J]. 工業(yè)控制計算機, 2007, 20(12): 52-54.

[2] 楊睿. 基于VC++的通用伺服仿真轉(zhuǎn)臺測試軟件[J]. 伺服控制, 2008(8): 48-50.

[3] 袁立鵬, 盧紅影, 崔淑梅. 三維加速度模擬轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)及控制策略研究[J]. 2010, 38(7): 1-4.