劉寅琛，崔劍，王亮，

(1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心)

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劉寅琛1，崔劍2，王亮1，2

(1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心)

為了測(cè)量氣浮平臺(tái)臺(tái)面上轉(zhuǎn)動(dòng)部件的角動(dòng)量，需要測(cè)量氣浮平臺(tái)工作過(guò)程中諸如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理量。為此，設(shè)計(jì)了一臺(tái)單軸氣浮平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理量的測(cè)量方法，介紹了系統(tǒng)各模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)提出了氣浮平臺(tái)臺(tái)上和臺(tái)下相關(guān)性數(shù)據(jù)的時(shí)間同步方案。系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，具有很高的數(shù)據(jù)測(cè)量精度和相關(guān)性數(shù)據(jù)的時(shí)間同步精度。

單軸氣浮平臺(tái)；測(cè)試系統(tǒng)；角動(dòng)量測(cè)量；時(shí)間同步

引 言

本文設(shè)計(jì)了基于單軸氣浮平臺(tái)的角動(dòng)量測(cè)試系統(tǒng)，與單軸氣浮平臺(tái)本體共同構(gòu)成單軸氣浮平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單軸氣浮平臺(tái)臺(tái)面轉(zhuǎn)動(dòng)部件角動(dòng)量的高精度和高穩(wěn)定度測(cè)量。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具有單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)動(dòng)部件的角動(dòng)量輸出，可以通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)動(dòng)單元相對(duì)安裝面的角速度實(shí)現(xiàn)。但是，對(duì)于多轉(zhuǎn)動(dòng)單元、多自由度以非正交方式耦合的情況，如果分別對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)單元角動(dòng)量輸出進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)耦合分析得到的綜合輸出會(huì)因中間環(huán)節(jié)過(guò)多而增大測(cè)試誤差。利用氣浮平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)部件角動(dòng)量輸出的直接測(cè)量，從而減少中間環(huán)節(jié)，提高測(cè)量精度，被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件輸出角動(dòng)量Hout如下[3]:

(1)

單軸氣浮平臺(tái)角動(dòng)量測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。構(gòu)成單軸氣浮平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)主體的單軸氣浮平臺(tái)由轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分組成，為了保證氣浮平臺(tái)近似無(wú)摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面上的設(shè)備和臺(tái)下固定部分的設(shè)備進(jìn)行完全的物理隔離，對(duì)臺(tái)上的設(shè)備采用高蓄能電池供電，臺(tái)上和臺(tái)下之間數(shù)據(jù)信息和控制命令等的傳輸采用無(wú)線通信方式，減少干擾力矩。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

臺(tái)上測(cè)試系統(tǒng)的陀螺數(shù)據(jù)、臺(tái)下測(cè)試系統(tǒng)的角度數(shù)據(jù)的讀取以及臺(tái)上和臺(tái)下的5路時(shí)間同步信號(hào)需要達(dá)到高精度的時(shí)間同步。使用PIC32單片機(jī)解調(diào)IRIG-B(DC)時(shí)間碼[4]獲取絕對(duì)時(shí)間，并用軟件補(bǔ)償延時(shí)的方法使各路數(shù)據(jù)的獲取達(dá)到高精度時(shí)間同步。

由式(1)可知，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣浮平臺(tái)臺(tái)面上轉(zhuǎn)動(dòng)部件角動(dòng)量的高精度測(cè)量，對(duì)氣浮平臺(tái)角動(dòng)量測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量、角速度測(cè)量和系統(tǒng)其他相關(guān)的關(guān)鍵單元的測(cè)試精度提出了較高的要求。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

2.1 質(zhì)心測(cè)量單元設(shè)計(jì)

單軸氣浮平臺(tái)臺(tái)面裝載有效負(fù)載后，為盡量減小干擾力矩，確保系統(tǒng)測(cè)試精度，應(yīng)盡量減少臺(tái)面質(zhì)心相對(duì)于臺(tái)體回轉(zhuǎn)軸線的偏移量，因此需要在氣浮平臺(tái)工作前測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面及負(fù)載的質(zhì)心,并進(jìn)行調(diào)整。

采用三點(diǎn)支撐法進(jìn)行質(zhì)心測(cè)量。用3個(gè)測(cè)力傳感器支承氣浮平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面(包括負(fù)載)，根據(jù)力矩平衡原理測(cè)量氣浮平臺(tái)的質(zhì)心。3個(gè)測(cè)力傳感器均布于臺(tái)面上，與之對(duì)應(yīng)的三個(gè)稱重壓片安裝在軸承基體上。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量效率和精度比較高。若稱重傳感器所測(cè)得力分別為f1、f2、f3，則工作臺(tái)總質(zhì)量M為：

(2)

式中:g為重力加速度，單位為N/kg。

根據(jù)力矩平衡原理可得質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算式為：

(3)

式中:xi,yi為測(cè)力傳感器i的坐標(biāo)，i=1,2,3。

由上述計(jì)算式計(jì)算得到質(zhì)心坐標(biāo)，調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面上負(fù)載的位置，減小偏移量，反復(fù)測(cè)試和調(diào)整以達(dá)到質(zhì)心偏移要求。測(cè)量誤差主要來(lái)自傳感器測(cè)量誤差以及傳感器定位誤差。前者取決于傳感器的測(cè)量精度，而定位誤差取決于加工及安裝誤差。

鑒于轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面與軸承基體之間空間較小，測(cè)力傳感器選用微型壓力傳感器、可選用LC4700型號(hào)的測(cè)力傳感器、TR200H型號(hào)的測(cè)力變送器。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試單元設(shè)計(jì)

測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是單軸氣浮平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)重要前期工作，測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法很多。若物體形狀簡(jiǎn)單且質(zhì)量分布均勻，可以直接計(jì)算而獲得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對(duì)于單軸氣浮平臺(tái)及其負(fù)載和設(shè)備這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試方法的選擇略——編者注。本系統(tǒng)采取簡(jiǎn)諧振動(dòng)差值法測(cè)量氣浮平臺(tái)及臺(tái)面負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

測(cè)試方法設(shè)計(jì)如下：由簡(jiǎn)諧振動(dòng)差值法原理可知，測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)面和基座相應(yīng)位置安裝彈簧和測(cè)試砝碼；通過(guò)氣浮平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)記錄振動(dòng)波形，利用快速傅里葉變換進(jìn)行自譜分析可得到精確的頻率值；將加配重前后的頻率值、以及配重相關(guān)參數(shù)帶入公式，即可算得氣浮平臺(tái)及其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。改變砝碼質(zhì)量和安裝位置，多次測(cè)量取平均值。測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試流程

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試完成后須將彈簧和砝碼拆下，以免影響氣浮平臺(tái)正常工作。

2.3 測(cè)角單元設(shè)計(jì)

測(cè)角單元實(shí)現(xiàn)對(duì)氣浮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量，安裝在氣浮平臺(tái)內(nèi)部，角度編碼器必須采用分體式結(jié)構(gòu)，編碼器和固定裝置在物理上是分離的，從而避免軸系摩擦力矩對(duì)氣浮平臺(tái)測(cè)量精度的影響。

角度編碼器選擇ERP880型無(wú)內(nèi)置軸承角度編碼器，測(cè)角精度可達(dá)±1″。讀數(shù)頭讀取的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)角度編碼器板卡IK220進(jìn)行采集和細(xì)分，細(xì)分后數(shù)據(jù)位數(shù)最高可達(dá)29位。板卡接口為PCI總線形式。經(jīng)控制計(jì)算機(jī)處理計(jì)算可得氣浮平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，測(cè)角單元程序流程圖如圖3(a)所示。

2.4 測(cè)速單元設(shè)計(jì)

測(cè)速單元實(shí)現(xiàn)對(duì)氣浮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的高精度測(cè)量，主要包括光纖陀螺儀、供電系統(tǒng)、臺(tái)上MCU、無(wú)線傳輸模塊等。臺(tái)下無(wú)線接收模塊接收臺(tái)上無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送的陀螺速度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)缴衔籔C機(jī)處理和存儲(chǔ)。

選擇F98M-M型光纖陀螺儀，角速度信息以RS232串口形式輸出。測(cè)量速度分辨率達(dá)到0.1″/s，測(cè)量重復(fù)精度達(dá)到0.000 03(°/s)，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度達(dá)到0.000 17(°/s)。測(cè)速單元程序流程圖如圖3(b)所示。

圖3 測(cè)角單元和測(cè)速單元程序流程圖

2.5 數(shù)傳單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)將氣浮平臺(tái)臺(tái)上MCU讀取的數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳送給臺(tái)下MCU，并將主計(jì)算機(jī)的控制指令通過(guò)臺(tái)下MCU回傳給臺(tái)上MCU。根據(jù)系統(tǒng)要求，臺(tái)上和臺(tái)下之間采用無(wú)線方式進(jìn)行通信。無(wú)線收發(fā)器技術(shù)具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、自主開發(fā)程度高、開發(fā)成本低、技術(shù)成熟、靈活度極高等優(yōu)點(diǎn)[9]，是氣浮平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)中無(wú)線通信的最佳方案。

在目前較為流行的無(wú)線通信芯片中，從使用的方便性、傳輸速度和輸出功率等各個(gè)方面考慮，nRF24L01型號(hào)的無(wú)線收發(fā)模塊是一種比較理想的選擇。它的增強(qiáng)型ShockBurst工作模式對(duì)節(jié)省指令時(shí)間、提高時(shí)間同步精度起到重要作用。nRF24L01無(wú)線模塊發(fā)送模式和接收模式程序流程圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線模塊發(fā)送模式和接收模式流程圖

2.6 時(shí)統(tǒng)單元設(shè)計(jì)

分布式采集系統(tǒng)由一組獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集器件組成,它們之間相互連接、共享信息,注重各個(gè)系統(tǒng)之間的配合,因此在分布式系統(tǒng)中需要引入時(shí)鐘同步技術(shù)[10]。在氣浮平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)中，時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)通過(guò)獲得IRIG-B(DC)碼的精確授時(shí)信息，并對(duì)無(wú)線傳輸過(guò)程中的延遲進(jìn)行補(bǔ)償，為被測(cè)設(shè)備、測(cè)角和測(cè)速單元提供統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，從而保證分布式數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的一致性。

2.6.1 IRIG-B(DC)碼格式及其解碼設(shè)計(jì)

IRIG-B時(shí)間碼(簡(jiǎn)稱B碼)是一種時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)碼，廣泛應(yīng)用于靶場(chǎng)時(shí)間信息的傳遞和各系統(tǒng)間的時(shí)間同步，具有信息量大、分辨率高、適合于傳輸、抗干擾能力強(qiáng)和通用性好的特點(diǎn)[11]。在本系統(tǒng)中，采用IRIG-B(DC)碼獲取絕對(duì)時(shí)間，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行高精度的授時(shí)，在實(shí)驗(yàn)方式和成本方面是最合適的方案。

IRIG-B(DC)碼是一種串行脈寬編碼，有3種碼元，每個(gè)碼元分別占據(jù)10 ms的時(shí)間，邏輯“1”和邏輯“0”所對(duì)應(yīng)碼元的高電平持續(xù)時(shí)間分別為5 ms和2 ms，P碼元稱為位置識(shí)別碼元，用于定位編解碼，高電平持續(xù)時(shí)間為8 ms。IRIG-B(DC)碼一秒傳送一幀數(shù)據(jù)，每一幀所包含的時(shí)間信息略——編者注。

IRIG-B(DC)碼的解碼分為兩個(gè)部分，一是對(duì)準(zhǔn)時(shí)沿的提取，二是對(duì)時(shí)間信息的解碼。對(duì)準(zhǔn)時(shí)沿的提取是解碼的關(guān)鍵，準(zhǔn)時(shí)沿的提取誤差將直接影響秒脈沖的精度。對(duì)時(shí)間信息解碼就是將B碼中包含的時(shí)、分、秒信息提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成時(shí)間數(shù)據(jù)的形式。

單片機(jī)解碼流程圖略——編者注。

2.6.2 氣浮平臺(tái)臺(tái)上和臺(tái)下的時(shí)間同步方案

單片機(jī)對(duì)IRIG-B(DC)碼進(jìn)行軟件解碼后，根據(jù)解碼的結(jié)果，修正臺(tái)下MCU本地時(shí)鐘。本地時(shí)鐘采用外接高頻高穩(wěn)定度恒溫晶體分頻定時(shí)，保證本地時(shí)鐘具有很低的計(jì)時(shí)抖動(dòng)，降低計(jì)時(shí)帶來(lái)的時(shí)間同步誤差。

臺(tái)下系統(tǒng)和臺(tái)上系統(tǒng)通信采用半雙工進(jìn)行，臺(tái)下MCU為主控機(jī)，臺(tái)上MCU為客戶機(jī)，主控機(jī)在Th時(shí)刻向客戶機(jī)發(fā)送固定的測(cè)量幀，客戶機(jī)接收后將客戶機(jī)本地時(shí)間Ts發(fā)送給主控機(jī)，主控機(jī)接收后根據(jù)發(fā)送時(shí)刻Th和接收時(shí)刻Td計(jì)算出線路延遲ts，并將延時(shí)補(bǔ)償后的初始時(shí)刻發(fā)送給客戶機(jī)進(jìn)行精確授時(shí)。

PIC32單片機(jī)最高工作頻率為80 MHz，中斷響應(yīng)時(shí)間很短，采用中斷方式響應(yīng)無(wú)線模塊的狀態(tài)，可以最大幅度地減少處理器響應(yīng)延遲，為精確的定時(shí)同步提供保障。由于臺(tái)上和臺(tái)下計(jì)算機(jī)都采用相同的MCU和收發(fā)模塊，則主控機(jī)向客戶機(jī)發(fā)送信號(hào)和客戶機(jī)向主控機(jī)發(fā)送信號(hào)的延時(shí)近似相等，均為ts，則有：

(4)

式中：tp為客戶機(jī)收到授時(shí)標(biāo)志后，到返回授時(shí)標(biāo)志的處理時(shí)間。由于PIC32 MCU處理器的響應(yīng)時(shí)間非常快(1/80 MHz = 0.012 5 μs)，故相較時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的時(shí)間誤差5 μs，可以忽略。故式(4)可以簡(jiǎn)化為：

(5)

由式(5)可以解得：

(6)

當(dāng)主機(jī)通過(guò)計(jì)算得到ts時(shí)，就可以將原始授時(shí)點(diǎn)時(shí)刻補(bǔ)償ts延遲之后的值發(fā)送給客戶機(jī)，保證客戶機(jī)本地時(shí)鐘和主機(jī)時(shí)鐘嚴(yán)格同步。臺(tái)上系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)輸出信號(hào)和臺(tái)下系統(tǒng)相同，在此不再贅述。臺(tái)上和臺(tái)下系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)子程序流程圖如圖5所示。

圖5 臺(tái)下系統(tǒng)和臺(tái)上系統(tǒng)無(wú)線時(shí)統(tǒng)流程圖

結(jié) 語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方法測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，具有很高的數(shù)據(jù)測(cè)量精度和相關(guān)性數(shù)據(jù)的時(shí)間同步精度，對(duì)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星平臺(tái)的擾動(dòng)以及相應(yīng)的控制設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

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劉寅琛(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

Liu Yinchen1, Cui Jian2, Wang Liang1,2

(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China；2. Engineering Training Center, Beihang University)

In order to measure the angular momentum of rotating components on the test-bed, we need to measure some physical quantities such as rotating speed, rotating angle and rotational inertia.Therefore, this paper designs the test system of single-axis air bearing test-bed, describes the massive structure of the test system and the method of measuring, introduces the design of hardware and software of each module in the system, and focuses on the time synchronization method of the correlative data on the test-bed and under the test-bed. The system is made up of brief equipments, and it can achieve high precision of data measurement and high time synchronization precision of correlative data.

single-axis air bearing test-bed; test system; angular momentum measurement; time synchronization

TP274.2

A

迪娜

2013-10-17)