朱曉明， 張淑芝， 徐 巖

（1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，黑龍江哈爾濱 150001;

2.大慶石化公司乙烯工程指揮部，黑龍江大慶 163714）

雷達(dá)監(jiān)控半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

朱曉明1， 張淑芝2， 徐 巖1

（1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，黑龍江哈爾濱 150001;

2.大慶石化公司乙烯工程指揮部，黑龍江大慶 163714）

針對開放式四軸運動控制開發(fā)實驗平臺中存在的電機控制對象姿態(tài)無法直觀觀察問題，提出了雷達(dá)監(jiān)控半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電機為控制對象，以工控機和運動控制器為控制核心，通過控制器庫函數(shù)實現(xiàn)了兩個電機的位置與速度控制。以O(shè)penGL建模技術(shù)建立了兩自由度三維虛擬雷達(dá)，利用位置監(jiān)控與定時器同步技術(shù)實現(xiàn)了虛擬雷達(dá)的方位軸、俯仰軸與電機的同步運動與控制。為了逼真模擬臨場效果和增加教學(xué)效果，利用建模技術(shù)增加了機群模擬攻擊和虛擬儀表的飛機監(jiān)控功能。經(jīng)測試該系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮實驗平臺的教學(xué)功能，解決其存在問題，并在實踐教學(xué)中起到良好教學(xué)效果。

雷達(dá);半實物仿真;運動控制;教學(xué)系統(tǒng)

0 引言

運動控制系統(tǒng)設(shè)計是我校機電學(xué)院、自動控制學(xué)院以及相關(guān)專業(yè)的重要通識教育選修課程［1-3］。運動控制是以電機為主要控制對象，以軌跡、速度和加速度等機電參數(shù)為主要控制參數(shù)，使控制對象完成預(yù)期的運動狀態(tài)。隨著計算機、自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，運動控制在數(shù)控加工、電子加工、醫(yī)療、機器人、紡織等行業(yè)有了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)滲透到工業(yè)和生活的各個方面［4-5］。因此培養(yǎng)學(xué)生運動控制系統(tǒng)的設(shè)計能力、實踐創(chuàng)新能力，對于其知識體系的完善以及未來的職業(yè)發(fā)展具有重要的促進作用［6-8］。

目前該課程以固高四軸運動控制開發(fā)平臺為硬件實驗平臺，完成電機的功能測試、控制測試以及數(shù)控編程測試等。但是該設(shè)備的控制對象為4個電機軸，在實驗及系統(tǒng)設(shè)計時學(xué)生無法看到電機軸假設(shè)連接對象所形成的空間軌跡或姿態(tài)，影響教學(xué)效果和觀測效果，無法有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對這個問題，提出了雷達(dá)監(jiān)控半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以雷達(dá)的姿態(tài)控制為主要教學(xué)內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生運動控制系統(tǒng)的設(shè)計能力。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過虛擬雷達(dá)與電機的同步運動仿真，實現(xiàn)姿態(tài)的觀察。同時通過模擬機群攻擊和虛擬雷達(dá)監(jiān)控儀表設(shè)計等功能，使系統(tǒng)具有逼真性和工程應(yīng)用背景，吸引學(xué)生激發(fā)其好奇心和興趣。

1 實驗設(shè)備分析

四軸運動控制開發(fā)平臺是一種開放式教學(xué)設(shè)備，由控制系統(tǒng)和機械本體兩大部分組成。其中控制系統(tǒng)硬件部分采用上下位機結(jié)構(gòu)。工業(yè)計算機作為上位機完成非實時控制的相關(guān)功能，專注于人機界面、狀態(tài)監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作。四軸運動控制器(型號GT400SV)作為下位機，依靠其高速的計算能力和專用設(shè)備的特點，完成系統(tǒng)的實時控制功能，如移動計算、行程控制等。同時控制器廠商隨機提供了運動指令庫函數(shù)，可完成外設(shè)不同功能的控制。用戶通過這些指令的不同組合設(shè)計，可以完成特定功能系統(tǒng)的定制設(shè)計。

機械本體包括電機及其配套驅(qū)動器、限位開關(guān)、原點開關(guān)、伺服報警開關(guān)、輸入開關(guān)等功能開關(guān)、輸出指示燈以、實驗操作面板等。

系統(tǒng)運行時由用戶通過上位機的人機界面進行系統(tǒng)的控制指令輸入、參數(shù)設(shè)定和任務(wù)指定等工作。然后通過PCI總線與控制器進行總線通訊，再由控制器根據(jù)上位機的要求發(fā)送指令給伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機執(zhí)行相關(guān)指令。伺服驅(qū)動器從光電編碼器獲得閉環(huán)系統(tǒng)的位置反饋信號，并將此信號傳給運動控制器。實驗平臺邏輯圖如圖1所示，實驗操作面板如圖2所示。從圖2的4個電機軸可以觀察電機的控制轉(zhuǎn)速與角度。

圖1 實驗平臺邏輯圖

圖2 實驗操作面板

2 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)和教學(xué)知識點

從圖2實驗平臺操作面板上可看出，學(xué)生在進行電機的控制與測試實驗時，只能看到電機軸的轉(zhuǎn)動效果。但在很多應(yīng)用中，電機要驅(qū)動相應(yīng)的控制對象完成空間的軌跡運行或姿態(tài)控制，僅通過這4個軸無法直觀觀察。為了解決這個問題，提出了半實物仿真系統(tǒng)，其原理是在計算機環(huán)境下的設(shè)計虛擬控制對象，其軌跡或者姿態(tài)的數(shù)據(jù)來源于電機實際運動過程中的編碼器信息，從而保持了虛擬控制對象與電機控制的一致性。為了體現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)由背景，控制對象設(shè)計為二自由度雷達(dá)，可實現(xiàn)方位角和俯仰角旋轉(zhuǎn)，能通過實驗操作面板上的軸1和軸2完成驅(qū)動。為了增加系統(tǒng)的臨場感和逼真效果并增強趣味性，在系統(tǒng)中加入了機群模擬攻擊效果和飛機的雷達(dá)監(jiān)視儀表等功能［9-10］。

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)主要設(shè)計任務(wù):①方位軸電機的速度控制，②俯仰軸電機的角度控制，③虛擬雷達(dá)建模與運動仿真，④虛擬雷達(dá)監(jiān)視儀表設(shè)計，實現(xiàn)機群位置監(jiān)控，⑤機群模擬攻擊仿真，實現(xiàn)攻擊效果。

通過該教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可以掌握的知識點主要包括:①單軸系統(tǒng)精確位置控制方法、速度控制方法，②虛擬儀表的設(shè)計方法，③三維對象動態(tài)仿真的設(shè)計方法，④半實物仿真的設(shè)計方法。

3 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)的開發(fā)采用Microsoft公司VC++6.0環(huán)境下的C++語言實現(xiàn)。該集成環(huán)境具有很強的界面設(shè)計、二維三維圖形開發(fā)以及硬件支持能力，可完成人機界面開發(fā)、電機運動控制功能、雷達(dá)虛擬建模、運動仿真以及虛擬監(jiān)控儀表和機群模擬攻擊等任務(wù)。而且通過在統(tǒng)一環(huán)境下開發(fā)，系統(tǒng)的集成度和可移植性好［11-13］。

3.1 單軸運動的速度和角度控制

系統(tǒng)利用軸1(圖2中最左邊軸)完成虛擬雷達(dá)方位軸的速度控制。開啟控制以后，軸1將以設(shè)定的恒定速度實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，同時虛擬儀表和虛擬雷達(dá)也以同樣的角速度掃描。為了實現(xiàn)軸1的恒速旋轉(zhuǎn)，采用了控制器單軸運動控制模式中的速度模式。速度模式的特點是只需指定運動軸的速度和加速度即可，不需要指定目標(biāo)值。其核心庫函數(shù)包括3個:①GT_PrflV()，使當(dāng)前軸運動控制模式變?yōu)樗俣饶Ｊ剑贕T_SetAcc(double acc)，設(shè)置當(dāng)前軸加速度，③GT_SetVel(double vel)，設(shè)置當(dāng)前軸最大速度。將這些核心函數(shù)作為人機界面中方位軸開始按鈕的消息映射函數(shù)，即可實現(xiàn)人機交互的方位軸控制。為了符合實際應(yīng)用情況，方位軸的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置了8個可調(diào)檔位，以便以不同速度進行掃描，用戶可通過人機界面中的速度控制滑塊實現(xiàn)速度調(diào)整。其實現(xiàn)原理是在滑塊的拖動消息響應(yīng)函數(shù)OnHScroll()中通過函數(shù)m_velSlider.GetPos()取得用戶設(shè)定的檔位，將其轉(zhuǎn)換為方位軸對應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，并通過庫函數(shù)GT_SetVel(double vel)設(shè)定。

系統(tǒng)利用軸2(圖2中左起第二個軸)完成虛擬雷達(dá)俯仰角度控制。用戶設(shè)定目標(biāo)角度后，軸2以設(shè)定速度旋轉(zhuǎn)至設(shè)定角度值，虛擬雷達(dá)俯仰軸也以同樣角速度運行至設(shè)定仰角。為了實現(xiàn)精確角度控制，采用了控制器單軸運動控制模式中的T曲線控制模，其特點是可以控制運動軸的角度，速度和加速度。T曲線模式的核心庫函數(shù)包括4個:①GT_PrflT()，使當(dāng)前軸運動控制模式變?yōu)?T曲線模式，②GT_SetAcc(double acc)，設(shè)置當(dāng)前軸的加速度，③GT_SetVel(double vel)，設(shè)置當(dāng)前軸的最大速度，④GT_SetPos(double pos)，設(shè)置當(dāng)前軸的目標(biāo)角度。在人機界面中，俯仰軸的角度是用戶需要調(diào)整的參數(shù)，據(jù)此設(shè)計人機界面時將俯仰角作為唯一設(shè)定參數(shù)，且將其范圍限制到0～45°之間，其他參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)值。將這些核心函數(shù)作為人機界面中俯仰軸開始按鈕的消息映射函數(shù)，即可實現(xiàn)人機交互的俯仰軸角度控制。

3.2 虛擬雷達(dá)建模及運動仿真

虛擬雷達(dá)的結(jié)構(gòu)形式采用兩自由度旋轉(zhuǎn)軸:方位軸實現(xiàn)雷達(dá)360°循環(huán)掃描，俯仰軸實現(xiàn)雷達(dá)掃描高度調(diào)整。雷達(dá)接收器采用球面網(wǎng)狀形式，其球面半徑為10 m，通過支撐立柱固定于圓柱形底座。由于在OpenGL中無圓弧繪制函數(shù)，采用直線段擬合圓弧的方法來完成圓弧繪制。再以不同尺寸圓弧拼接成接收器球面結(jié)構(gòu)。虛擬雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

XY平面(與立柱垂直平面)內(nèi)單條圓弧的直線擬合編程設(shè)計如下:

圖3 虛擬雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

其中繪制參數(shù)GL_LINE_STRIP的作用是將所有點依次連接形成一個折線。這里設(shè)計為每隔1度繪制一個點進行依次連接，最后形成一段圓弧結(jié)構(gòu)。最后將有所圓弧段交叉繪制，就形成圖3中上半部所示的接收器結(jié)構(gòu)。

虛擬雷達(dá)的運動仿真主要是在實驗電機運轉(zhuǎn)時，能夠保持和電機的同步運行，為此需要解決3個問題:虛擬雷達(dá)的動態(tài)效果、姿態(tài)控制、同步實現(xiàn)。

為實現(xiàn)動態(tài)效果，在系統(tǒng)的視類MyCView中設(shè)計2個定時器。用戶在人機界面中啟動雷達(dá)運行后，系統(tǒng)自動通過函數(shù)SetTimer()啟動對應(yīng)的定時器。定時器每隔50 ms觸發(fā)一次，并調(diào)用響應(yīng)函數(shù)OnTimer()。該函數(shù)設(shè)計功能包括讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)動軸的編碼器讀數(shù)，換算為空間位置，繪制更新姿態(tài)的虛擬雷達(dá)。通過這種定時器機制，即可實現(xiàn)虛擬雷達(dá)的動態(tài)效果［14-16］。

虛擬雷達(dá)的姿態(tài)控制主要是方位軸與俯仰軸的精確旋轉(zhuǎn)定位控制，在OpenGL環(huán)境下主要通過坐標(biāo)系變換矩陣來實現(xiàn)。在OpenGL中起到旋轉(zhuǎn)作用的坐標(biāo)系變換矩陣通過函數(shù) glRotated(rotate，0，0，1)來實現(xiàn)。第一個參數(shù)為旋轉(zhuǎn)角度，其他參數(shù)指定所繞的坐標(biāo)軸。此外，姿態(tài)控制不但和坐標(biāo)系變換的角度有關(guān)系，而且和坐標(biāo)系變換的順序有關(guān)系。本系統(tǒng)中采用先旋轉(zhuǎn)方位軸、再旋轉(zhuǎn)俯仰軸的順序。在仿真時，將雷達(dá)接收器看做一個整體對象，在繪制前加入兩個矩陣轉(zhuǎn)換函數(shù):①glRotated(rotate，0，0，1)，繞Z軸方位軸旋轉(zhuǎn)，②glRotated(velevation，0，1，0)，繞Y軸俯仰角旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了虛擬雷達(dá)的準(zhǔn)確姿態(tài)控制。其中參數(shù)rotate和velevation分別表示方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)角度。

為了實現(xiàn)虛擬雷達(dá)與實際電機的同步運行，必須保證其方位軸和俯仰軸的角度與電機的實際運行角度一致。為此，需要取得電機的實時位置。這需要通過運動控制器的位置監(jiān)控庫函數(shù)來實現(xiàn)，其函數(shù)原型為:GT_GetAtlPos(long* apos)。執(zhí)行該指令后自變量apos將取得電機脈沖編碼器的讀數(shù)。軸1和軸2電機的編碼器分辨率為4 000，故取得的脈沖值apos乘以系數(shù)360/4 000，其結(jié)果就是電機的實際角度值，即雷達(dá)方位軸和俯仰軸當(dāng)前角度。

3.3 機群模擬攻擊及監(jiān)控儀表設(shè)計

機群模擬攻擊設(shè)計需要先對單個飛機進行建模，利用該模型復(fù)制出多個飛機，然后設(shè)計出不同高度與角度的攻擊路線，并仿真出碰撞后的聲音與光線效果，從而模擬出具有臨場感的機群攻擊效果。

單個飛機主要采用圓柱繪制函數(shù)auxSolidCylinder()、圓錐繪制函數(shù) auxSolidCone()、球面繪制函數(shù)auxSolidSphere()以及折線多邊形繪制函數(shù)glBegin(GL_QUADS)完成飛機機身及機翼幾何建模。飛機幾何模型如圖4所示。

圖4 飛機幾何模型

然后定義一個包含機群信息的數(shù)組Position m_plane［PLANE_NUM］，其中PLANE_NUM為一個宏變量，其值為可以生成的飛機數(shù)目，本系統(tǒng)設(shè)為20架。Position類是包含飛機高度、進攻角度以及飛行半徑信息的自定義類，其定義如下:

通過循環(huán)語句和隨機函數(shù)rand()使機群數(shù)組m_plane存入20個飛行高度在100～150 m、進攻角度0～360°、初始飛行半徑在250～400 m之間隨機生成的飛機信息。

為了實現(xiàn)模擬攻擊的動態(tài)效果，在視圖類中設(shè)計了一個定時器，在其消息觸發(fā)函數(shù)OnTimer中，每次調(diào)用時減少每個飛機的飛行半徑r，并判斷。一旦飛機飛行半徑小于攻擊目標(biāo)的碰撞半徑，則產(chǎn)生爆炸效果、調(diào)用爆炸聲音，并設(shè)定該飛機在雷達(dá)掃描范圍之外重新生成。這種循環(huán)過程不斷持續(xù)，就會產(chǎn)生機群的動態(tài)攻擊和爆炸效果。

飛機的監(jiān)控儀表在視圖類中的界面繪制函數(shù)OnDraw()通過三維圖形庫OpenGL繪制，將其固定在人機界面中主視圖的左上角。儀表采用圓形結(jié)構(gòu)，通過OpenGL中繪制5個同心圓完成儀表的主體設(shè)計，同時通過XY坐標(biāo)系將儀表分為4個象限。雷達(dá)監(jiān)控儀表如圖5所示。在機群攻擊過程中，定時器消息觸發(fā)函數(shù)OnTimer每次觸發(fā)都會更新機群數(shù)組m_plane中每個飛機的飛行半徑r，并通過三角函數(shù)換算以及比例變換，將其變?yōu)槔走_(dá)監(jiān)控儀表下的坐標(biāo)值(x，y，z)，最后在該坐標(biāo)值上繪制小球，以表示監(jiān)控到的飛機位置。單個飛機的監(jiān)控核心代碼如下:

圖5 雷達(dá)監(jiān)控儀表

4 實驗驗證

根據(jù)以上設(shè)計方法和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了雷達(dá)監(jiān)控半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合四軸運動控制開發(fā)平臺，實現(xiàn)了虛擬雷達(dá)的真實控制與虛擬機群的實時監(jiān)控。系統(tǒng)運行的人機界面如圖6所示。

系統(tǒng)左側(cè)為控制區(qū)，從上到下4個控制區(qū)功能為:①方位軸控制區(qū)。通過開始和停止按鈕控制虛擬雷達(dá)方位軸的旋轉(zhuǎn)與停止。還可通過滑塊設(shè)置八檔旋轉(zhuǎn)速度。②俯仰軸控制區(qū)。用戶設(shè)置目標(biāo)角度后，通過開始按鈕可驅(qū)動俯仰軸運行到指定角度，設(shè)置范圍為0～45°，從而可調(diào)整雷達(dá)對飛機的監(jiān)控高度。③視角切換，可在近景模式和遠(yuǎn)景模式切換。近景模式可在較近的角度觀察雷達(dá)的運行情況(見圖3)。遠(yuǎn)景模式在較遠(yuǎn)角度觀察整個系統(tǒng)的運行情況，包括飛機的模擬攻擊情況、虛擬雷達(dá)的監(jiān)控范圍(圖6中灰色圓柱所圍的范圍)。④仿真控制。包括是否顯示場景，攻擊與監(jiān)控的開始與暫停。此外，系統(tǒng)還可在單機與聯(lián)機模式之間切換，保證系統(tǒng)適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

經(jīng)過與設(shè)備的聯(lián)機操作，證明系統(tǒng)可以可靠、準(zhǔn)確運行，能夠精確控制實驗平臺的電機位置和速度，并保持虛擬雷達(dá)與電機的實時同步。同時雷達(dá)監(jiān)控儀表也能夠準(zhǔn)確的監(jiān)控機群的實時位置，起到身臨其境的效果。經(jīng)測試，系統(tǒng)的教學(xué)良好，學(xué)生興趣濃厚，并能夠從系統(tǒng)中學(xué)到多種系統(tǒng)功能的設(shè)計方法。

圖6 系統(tǒng)人機界面

5 結(jié)語

本文以運動控制系統(tǒng)設(shè)計課程改革為背景，為了提高課程的教學(xué)效果、增強課程實踐訓(xùn)練效果提出。以課程所使用的開放式四軸運動控制開發(fā)平臺為研究對象，針對其在教學(xué)實踐中存在無法直接查看控制對象姿態(tài)問題，提出了一種雷達(dá)監(jiān)控半實物仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以軍事雷達(dá)監(jiān)控為應(yīng)用背景，通過函數(shù)庫將硬件設(shè)備控制與軟件設(shè)計結(jié)合起來，將實際控制與虛擬設(shè)備結(jié)合起來，不但有效解決了實驗平臺存在的無法進行姿態(tài)觀測問題，而且具有濃厚的趣味性和多種應(yīng)用知識點，不但能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠使學(xué)生在實踐中學(xué)到運動控制系統(tǒng)的多種設(shè)計方法和開發(fā)經(jīng)驗，有效提高學(xué)生的實踐能力與系統(tǒng)設(shè)計能力。

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Design on Semi-physical Simulation and Teaching System for Radar Control

ZHU Xiao-ming1，ZHANG Shu-zhi2，XU Yan1
(1.Engineering Training Center，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China;
2.Ethylene Project Headquarter，Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China)

Aiming at the problem that the object’s posture controlled by motors cannot be observed directly in the open 4-axis motion controlling development platform，a semi-physical simulation and teaching system for radar control is proposed.With motors being controlled and IPC and motion controller as control center，the system realizes position and velocity control by library functions for controller.OpenGL modeling technology is used to build a 2-freedom 3-dimensional virtual radar，which can realize the synchronous motion and control with motors in azimuth axis and elevation axis by position monitoring and timer synchronization.To simulate the field condition and enhance the teaching effect，the functions of plane simulating attacking and virtual instrument for monitoring planes are added by modeling technology.By test，the system can fully exert the teaching function of the development platform，solve its problem and achieve good teaching effect.

radar;semi-physical simulation;motion control;teaching system

TP 302.1

A

1006－7167(2014)05－0201－05

2013－06－13

朱曉明(1976－)，男，黑龍江大慶人，博士，講師，主要從事運動控制及仿真等方向的研究。

Tel.:13904646705;E-mail:zxm0345@163.com