王賢亮，李紅鋼

(1.中國船舶重工集團公司第七一七研究所武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430073;2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

載體的振動可作為一個剛體來研究。一般來說，一個剛體有6個自由度，分別是縱向振動、橫向振動、豎向振動、側(cè)傾振動、縱傾振動和偏航振動。其中豎向振動、側(cè)傾振動和縱傾振動具有較大的實用價值，而另外3種振動很少以振動的方式出現(xiàn)，因為在這3種振動中沒有恢復(fù)力的存在［1－3］。因此我們主要研究側(cè)傾振動、縱傾振動及豎向振動，對應(yīng)數(shù)據(jù)輸出量分別為橫搖、縱搖及首搖。

1 光電載體平臺運動的仿真模型

根據(jù)剛體振動的一般理論，對于1個自由度(側(cè)傾振動、縱傾振動或豎向振動)的阻尼振動力學(xué)模型，當(dāng)振動恢復(fù)力與路程成正比、阻尼力與速度成正比時，運動方程為如下形式:

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。

對于艦載設(shè)備，干擾力主要來自迫使載體產(chǎn)生振動的波浪;對于機載設(shè)備，干擾力主要來自迫使載體產(chǎn)生振動的氣流;而對于車載設(shè)備，干擾力主要來自路面障礙物的碰撞。無論是艦載、機載還是車載，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)作用下引起的振動是強迫振動。

當(dāng)干擾力為簡諧力時(F(t)=F0*sin(ωt))，運動方程可改寫為

式中:2n=k/m;wx=

這是一個二階常系數(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，第2部分為干擾力引起的強迫振動。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)，載體的振動就是固有振動與強迫振動的合成。對式(3)進行三角變換運算，其表達式可簡化為

“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為載體振動角度;θ0為固有振動幅值;ω0為固有振動頻率;θ1為強迫振動幅值;ω1為強迫振動頻率;t為時間。

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、縱傾振動和豎向振動方向上固有振動的振幅、頻率和強迫振動的振幅、頻率，即可仿真輸出包含振動量的橫搖、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、電子機箱、顯示器、操控臺(含鍵盤和鼠標(biāo))等組成。數(shù)字量I/O板置于工控機內(nèi)，電子機箱由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)，可同時輸出2路橫搖、2路縱搖、2路首搖、2路速度自整角機信號，供2路被測試設(shè)備同時使用。接口板將接收的外時統(tǒng)差分秒脈沖信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號發(fā)送給工控機。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，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊發(fā)送給試驗室網(wǎng)絡(luò)中心。同時將仿真數(shù)據(jù)通過工控機數(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、精雙路的自整角機信號后按需要發(fā)送給被試設(shè)備。

此外，載體仿真設(shè)備能實時接收試驗室時統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)時碼報文及秒脈沖(1PPS)信號，按統(tǒng)一時間基準(zhǔn)完成守時，并按需要完成載體仿真數(shù)據(jù)的存儲。

3 電路設(shè)計

DSC轉(zhuǎn)換板用于將計算機軟件模擬仿真的載體運動數(shù)字量轉(zhuǎn)換為單通道或雙通道自整角機信號，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－自整角機信號。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板用于接收計算機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。同時接收經(jīng)接口板轉(zhuǎn)換后的時統(tǒng)設(shè)備秒脈沖(1PPS)信號。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8255芯片共96位I/O分成12個數(shù)字量I/O端口。

4 仿真軟件設(shè)計

載體仿真設(shè)備仿真軟件需要實時繪制、顯示載體姿態(tài)及軌跡運動曲線，本設(shè)備采用 VC++與Matlab混合編程，各種仿真運算、實時控制以及人機界面用VC++實現(xiàn)，載體姿態(tài)及軌跡實時曲線用Matcom C++矩陣庫圖形函數(shù)實現(xiàn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，降低軟件開發(fā)的難度和復(fù)雜度［4－5］。

整個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、載體振動仿真模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、守時模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和自檢模塊。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、人機界面操控等功能;網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊用于對外發(fā)送載體仿真運動信息;網(wǎng)絡(luò)接收模塊用于接收時統(tǒng)設(shè)備的時碼報文和光電成像系統(tǒng)試驗室控制命令;守時模塊按統(tǒng)一時間基準(zhǔn)完成守時;數(shù)據(jù)存儲模塊存儲載體仿真運動信息。

軟件運行時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

通過軟件人機界面，可進行載體類型選擇(如艦載、機載或車載)和輸出通道選擇。載體姿態(tài)信息和載體振動信息可分別通過設(shè)定橫搖、縱搖和首搖的振幅和周期來確定，且振幅和周期在搖擺過程中可在線更改。2個通道的橫搖、縱搖和首搖可分別進行鎖定，也可以分別置為導(dǎo)航有效或?qū)Ш綗o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 試驗結(jié)果

載體仿真設(shè)備研制完成后，通過與導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收裝置對接，驗證了設(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)測軟件實時錄取載體仿真軟件對外發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)報文，確認了設(shè)備對外發(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、精雙路自整角機模擬信號。

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

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。

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

6 結(jié)語

本文中所述的載體仿真設(shè)備采用光電載體平臺物理運動特性為仿真模型，模擬光電載體平臺運動，通過高分辯率的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，較為真實地仿真了光電載體的運動姿態(tài)與軌跡。各項功能與技術(shù)指標(biāo)均滿足實驗室研發(fā)任務(wù)使用要求。軟件開發(fā)采用VC++與Matlab混合編程，降低了軟件開發(fā)的難度和復(fù)雜度，仿真設(shè)備所用試驗裝置采用了模塊化設(shè)計，提高了設(shè)備的可維護性并方便功能擴展升級。

［1］夏全喜.車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2011.

［2］王麗博.機載光電吊艙控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［D］.洛陽:河南科技大學(xué)，2011.

［3］何鵬，馮建闖，戰(zhàn)強，等.一種近水面拖曳式小型載體的設(shè)計研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24(2):62 －64.

［4］劉維.精通MATLAB與C/C++混合程序設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］徐明遠.MATLAB仿真在信號處理中的應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.