王賢亮，李紅鋼

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一七研究所武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

載體的振動(dòng)可作為一個(gè)剛體來(lái)研究。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)剛體有6個(gè)自由度，分別是縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、豎向振動(dòng)、側(cè)傾振動(dòng)、縱傾振動(dòng)和偏航振動(dòng)。其中豎向振動(dòng)、側(cè)傾振動(dòng)和縱傾振動(dòng)具有較大的實(shí)用價(jià)值，而另外3種振動(dòng)很少以振動(dòng)的方式出現(xiàn)，因?yàn)樵谶@3種振動(dòng)中沒(méi)有恢復(fù)力的存在［1－3］。因此我們主要研究側(cè)傾振動(dòng)、縱傾振動(dòng)及豎向振動(dòng)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出量分別為橫搖、縱搖及首搖。

1 光電載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的仿真模型

根據(jù)剛體振動(dòng)的一般理論，對(duì)于1個(gè)自由度(側(cè)傾振動(dòng)、縱傾振動(dòng)或豎向振動(dòng))的阻尼振動(dòng)力學(xué)模型，當(dāng)振動(dòng)恢復(fù)力與路程成正比、阻尼力與速度成正比時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程為如下形式:

式中:m為質(zhì)量;k為阻尼系數(shù);c為彈性系數(shù);F(t)為干擾力。

對(duì)于艦載設(shè)備，干擾力主要來(lái)自迫使載體產(chǎn)生振動(dòng)的波浪;對(duì)于機(jī)載設(shè)備，干擾力主要來(lái)自迫使載體產(chǎn)生振動(dòng)的氣流;而對(duì)于車(chē)載設(shè)備，干擾力主要來(lái)自路面障礙物的碰撞。無(wú)論是艦載、機(jī)載還是車(chē)載，其主要干擾力為一種周期性外力，載體在這種周期性外力的持續(xù)作用下引起的振動(dòng)是強(qiáng)迫振動(dòng)。

當(dāng)干擾力為簡(jiǎn)諧力時(shí)(F(t)=F0*sin(ωt))，運(yùn)動(dòng)方程可改寫(xiě)為

式中:2n=k/m;wx=

這是一個(gè)二階常系數(shù)微分方程，其通解由2部分組成:第1部分為剛體本身的固有振動(dòng)，第2部分為干擾力引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。通解中的系數(shù)c1與c2為由邊界條件所決定的待定系數(shù)。通解形式為

根據(jù)以上分析與推導(dǎo)，載體的振動(dòng)就是固有振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)的合成。對(duì)式(3)進(jìn)行三角變換運(yùn)算，其表達(dá)式可簡(jiǎn)化為

“That’s right,”says the first,“when’s a pigeon a mountain?When it’s a molehill.”The woman turns on them,and the villain thankfully makes his escape,looking incredibly guilty,despite himself.（1972：366）

式中:θ為載體振動(dòng)角度;θ0為固有振動(dòng)幅值;ω0為固有振動(dòng)頻率;θ1為強(qiáng)迫振動(dòng)幅值;ω1為強(qiáng)迫振動(dòng)頻率;t為時(shí)間。

根據(jù)以上分析，仿真模型只需根據(jù)外部需求，分別設(shè)定載體在側(cè)傾振動(dòng)、縱傾振動(dòng)和豎向振動(dòng)方向上固有振動(dòng)的振幅、頻率和強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅、頻率，即可仿真輸出包含振動(dòng)量的橫搖、縱搖和首搖等信息。

2 設(shè)備組成及工作原理

載體仿真設(shè)備由工控機(jī)、電子機(jī)箱、顯示器、操控臺(tái)(含鍵盤(pán)和鼠標(biāo))等組成。數(shù)字量I/O板置于工控機(jī)內(nèi)，電子機(jī)箱由4塊DSC轉(zhuǎn)換板、接口板及低壓電源模塊組成。4塊DSC轉(zhuǎn)換板包括3塊雙通道DSC轉(zhuǎn)換板(橫搖DSC板、縱搖DSC板、首搖DSC板)和1塊單通道DSC轉(zhuǎn)換板(速度DSC板)，可同時(shí)輸出2路橫搖、2路縱搖、2路首搖、2路速度自整角機(jī)信號(hào)，供2路被測(cè)試設(shè)備同時(shí)使用。接口板將接收的外時(shí)統(tǒng)差分秒脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)。電源模塊由+5 V、±15 V直流電源模塊組成。載體仿真設(shè)備的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 載體仿真設(shè)備原理Fig.1 The principle diagram of the carrier simulation equipment

設(shè)備通過(guò)載體姿態(tài)仿真模塊和載體軌跡仿真模塊仿真生成載體姿態(tài)及軌跡信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊發(fā)送給試驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)中心。同時(shí)將仿真數(shù)據(jù)通過(guò)工控機(jī)數(shù)字量I/O板發(fā)送給DSC轉(zhuǎn)換板，被試設(shè)備提供給DSC轉(zhuǎn)換板115 V中頻電源，DSC轉(zhuǎn)換板將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為粗、精雙路的自整角機(jī)信號(hào)后按需要發(fā)送給被試設(shè)備。

此外，載體仿真設(shè)備能實(shí)時(shí)接收試驗(yàn)室時(shí)統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)時(shí)碼報(bào)文及秒脈沖(1PPS)信號(hào)，按統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)完成守時(shí)，并按需要完成載體仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3 電路設(shè)計(jì)

DSC轉(zhuǎn)換板用于將計(jì)算機(jī)軟件模擬仿真的載體運(yùn)動(dòng)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為單通道或雙通道自整角機(jī)信號(hào)，發(fā)送給被試設(shè)備。雙通道DSC轉(zhuǎn)換板選用DSC48－119B－2036模塊，其分辨率為20位，單通道DSC轉(zhuǎn)換板選用DSC－1716模塊，分辨率為16位。每塊DSC轉(zhuǎn)換板由2塊數(shù)字－自整角機(jī)DSC轉(zhuǎn)換芯片組成，可輸出2路單通道或雙通道數(shù)字－自整角機(jī)信號(hào)。該DSC轉(zhuǎn)換芯片可將輸入的數(shù)字全角量轉(zhuǎn)換成粗/精雙路自整角機(jī)模擬電壓輸出。雙路DSC轉(zhuǎn)換芯片工作原理框圖如圖3所示。

圖2 雙路DSC轉(zhuǎn)換芯片工作原理Fig.2 The operating principle diagram of the two channels DSC converted chips

數(shù)字量I/O板用于接收計(jì)算機(jī)仿真軟件仿真生成的載體姿態(tài)及軌跡信息，并發(fā)送給DSC轉(zhuǎn)換板。同時(shí)接收經(jīng)接口板轉(zhuǎn)換后的時(shí)統(tǒng)設(shè)備秒脈沖(1PPS)信號(hào)。本設(shè)備I/O板采用研華公司基于PCI總線的PCI－1753數(shù)字量I/O板，該板提供96路TTL數(shù)字量I/O，4個(gè)8255芯片共96位I/O分成12個(gè)數(shù)字量I/O端口。

4 仿真軟件設(shè)計(jì)

載體仿真設(shè)備仿真軟件需要實(shí)時(shí)繪制、顯示載體姿態(tài)及軌跡運(yùn)動(dòng)曲線，本設(shè)備采用 VC++與Matlab混合編程，各種仿真運(yùn)算、實(shí)時(shí)控制以及人機(jī)界面用VC++實(shí)現(xiàn)，載體姿態(tài)及軌跡實(shí)時(shí)曲線用Matcom C++矩陣庫(kù)圖形函數(shù)實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，降低軟件開(kāi)發(fā)的難度和復(fù)雜度［4－5］。

整個(gè)軟件主要分為綜合控制模塊、顯示模塊、載體姿態(tài)仿真模塊、載體軌跡仿真模塊、載體振動(dòng)仿真模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、守時(shí)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和自檢模塊。其中綜合控制模塊提供控制參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)流程控制、人機(jī)界面操控等功能;網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊用于對(duì)外發(fā)送載體仿真運(yùn)動(dòng)信息;網(wǎng)絡(luò)接收模塊用于接收時(shí)統(tǒng)設(shè)備的時(shí)碼報(bào)文和光電成像系統(tǒng)試驗(yàn)室控制命令;守時(shí)模塊按統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)完成守時(shí);數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)載體仿真運(yùn)動(dòng)信息。

軟件運(yùn)行時(shí)的仿真曲線界面如圖3所示。

圖3 載體姿態(tài)信息仿真曲線Fig.3 The simulation curve of the carrier posture’s information

通過(guò)軟件人機(jī)界面，可進(jìn)行載體類型選擇(如艦載、機(jī)載或車(chē)載)和輸出通道選擇。載體姿態(tài)信息和載體振動(dòng)信息可分別通過(guò)設(shè)定橫搖、縱搖和首搖的振幅和周期來(lái)確定，且振幅和周期在搖擺過(guò)程中可在線更改。2個(gè)通道的橫搖、縱搖和首搖可分別進(jìn)行鎖定，也可以分別置為導(dǎo)航有效或?qū)Ш綗o(wú)效狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)置界面Fig.4 The software setting interface

5 試驗(yàn)結(jié)果

載體仿真設(shè)備研制完成后，通過(guò)與導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收裝置對(duì)接，驗(yàn)證了設(shè)備輸出載體姿態(tài)與軌跡模擬量數(shù)據(jù)的正確性;利用EtherPeek網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)錄取載體仿真軟件對(duì)外發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，確認(rèn)了設(shè)備對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。其主要指標(biāo)完成情況如下:

1)輸出載體仿真角分辨率，可輸出角分辨率為20 bit的橫搖、縱搖及首搖的粗、精雙路自整角機(jī)模擬信號(hào)。

2)輸出載體仿真速度分辨率，可輸出角分辨率為16 bit的速度自整角機(jī)模擬信號(hào)。

3)輸出載體仿真其他分辨率，可輸出分辨率為16 bit的其他數(shù)字信號(hào)。

4)輸出導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)能力，具備輸出2路導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)輸出能力。

6 結(jié)語(yǔ)

本文中所述的載體仿真設(shè)備采用光電載體平臺(tái)物理運(yùn)動(dòng)特性為仿真模型，模擬光電載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)高分辯率的DSC轉(zhuǎn)換板、接口轉(zhuǎn)換與高精度的仿真軟件，構(gòu)造完成載體仿真設(shè)備，較為真實(shí)地仿真了光電載體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與軌跡。各項(xiàng)功能與技術(shù)指標(biāo)均滿足實(shí)驗(yàn)室研發(fā)任務(wù)使用要求。軟件開(kāi)發(fā)采用VC++與Matlab混合編程，降低了軟件開(kāi)發(fā)的難度和復(fù)雜度，仿真設(shè)備所用試驗(yàn)裝置采用了模塊化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的可維護(hù)性并方便功能擴(kuò)展升級(jí)。

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