徐偉龍，顧金良，郭 睿，羅紅娥，夏 言，王 康

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210094)

0 引 言

彈道靶道在兵器研制和彈道理論研究中，與風(fēng)洞、靶場(chǎng)具有同等重要的地位，是彈道試驗(yàn)必不可少的實(shí)驗(yàn)設(shè)施［1］。其主要用來進(jìn)行各種彈丸或模型離炮口后的質(zhì)心坐標(biāo)(x，y，z)和飛行姿態(tài)(α，β，γ)隨時(shí)間(t)的變化過程的測(cè)量，通過數(shù)據(jù)處理提取彈丸的氣動(dòng)力系數(shù)和飛行穩(wěn)定性判別因子等［2］。

彈道靶道照相站空間坐標(biāo)標(biāo)定體系是建立靶道坐標(biāo)系與站坐標(biāo)系的基礎(chǔ)，其基本功能是在靶道內(nèi)建立一整套測(cè)量坐標(biāo)系［3］，并將實(shí)驗(yàn)獲得的彈丸圖像的特征點(diǎn)與該特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)聯(lián)系起來，處理出彈丸質(zhì)心的空間坐標(biāo)與姿態(tài)，為獲取彈丸的空間坐標(biāo)提供統(tǒng)一精確的判讀依據(jù)［4，5］。基于位置敏感探測(cè)器(PSD)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是精確調(diào)節(jié)標(biāo)定裝置空間姿態(tài)的可靠依據(jù)，傳統(tǒng)的方法是用CCD 來測(cè)量光斑位置的微小變化，但CCD 受像素大小和間隔的限制，分辨率比較低，運(yùn)算電路復(fù)雜，響應(yīng)速度慢［6］。而采用PSD 所設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單，分辨率高，響應(yīng)速度快，通過調(diào)用LabVIEW 高效靈活的功能控件來實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑位置的測(cè)量和步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制，從而有效回避采用PLC 或單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所造成的電路復(fù)雜、控制精度不高、硬件連接后不易調(diào)整、靈活性差，編程難度大等問題［7］?；赑SD 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用到彈道靶道照相站空間坐標(biāo)標(biāo)定體系中，有效提高了標(biāo)定裝置的定位精度、光斑位置信號(hào)的處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控和步進(jìn)電機(jī)控制臺(tái)的規(guī)律性運(yùn)行，使得靶道照相站的空間坐標(biāo)標(biāo)定精度更加精確。

1 系統(tǒng)的組成與原理

系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，系統(tǒng)硬件主要由步進(jìn)電機(jī)控制臺(tái)、數(shù)據(jù)采集模塊、標(biāo)定裝置、光斑壓縮裝置、PSD、位置控制計(jì)算機(jī)等部分組成。

基于PSD 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是光束照射到PSD 上產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)，微弱的電流信號(hào)經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換模塊、放大電路模塊和A/D 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)光斑信號(hào)采集、I/V 轉(zhuǎn)換、放大和A/D 轉(zhuǎn)換;再將轉(zhuǎn)換后的光斑位置信號(hào)送入位置控制計(jì)算機(jī)，通過軟件對(duì)光斑位置信號(hào)處理分析從而控制步進(jìn)電機(jī)控制臺(tái)的運(yùn)行方向和步長(zhǎng)，并在LabVIEW 虛擬平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示光斑位置坐標(biāo)和步進(jìn)電機(jī)控制臺(tái)運(yùn)行情況，其構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig 1 Block diagram of system composition

軟件部分可分為三個(gè)模塊，包括采集卡驅(qū)動(dòng)模塊、光斑實(shí)時(shí)顯示模塊及步進(jìn)電機(jī)算法模塊。采集卡驅(qū)動(dòng)模塊為虛擬儀器對(duì)硬件的編程提供了軟件接口，實(shí)現(xiàn)光斑數(shù)據(jù)的獲取;光斑實(shí)時(shí)顯示模塊將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的運(yùn)算處理，通過軟件自身的顯示控件將光斑在PSD 上的位置實(shí)時(shí)的顯示出來;步進(jìn)電機(jī)算法模塊根據(jù)事先編好的算法程序?qū)μ幚砗玫墓獍呶恢眯畔⑦M(jìn)行運(yùn)算，從而通過串口控制步進(jìn)電機(jī)控制臺(tái)的運(yùn)行方向和步長(zhǎng)。

2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

基于PSD 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器的控制以及兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過RS—232 串口通信實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)電機(jī)控制控制器與步進(jìn)電機(jī)控制臺(tái)相連，即可以通過上位PC 運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

LabVIEW 軟件中提供了串口通信與數(shù)據(jù)處理功能的VISA 模塊，利用VISA 功能模塊可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中上位機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)傳輸。

3 位置控制關(guān)系與精度影響

3.1 位置控制關(guān)系

設(shè)PSD—1 面陣上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1，y1)，PSD—2 面陣上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為(x2，y2)，其控制流程圖如圖2 所示。

圖2 位置控制流程圖Fig 2 Flow chart of position control

各個(gè)方向光斑位移量與步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中 yf1，yf2，yf3分別為光斑俯仰、Y 軸方向移動(dòng)后的y 軸位置，xs1，xs2分別是光斑偏行、X 軸方向移動(dòng)后的x 軸位置，y0，y1，y2，x0，x1分別是光斑位移前的位置量，kn為對(duì)應(yīng)的步長(zhǎng)系數(shù)值，n=1，2，3，4，5。

3.2 光斑直徑對(duì)控制精度的影響

激光光斑直徑隨著光束照射距離的增加而增加，照射在PSD 上的光斑直徑越大，PSD 檢測(cè)到的光斑能量密度中心位置波動(dòng)越大;通過光斑壓縮裝置，將光斑直徑壓縮在1 mm以內(nèi)，從而有效提高PSD 對(duì)光斑位置的測(cè)量精度，光斑壓縮前后坐標(biāo)位置波動(dòng)如表1、表2 所示。

表1 壓縮前光斑位置波動(dòng)Tab 1 Fluctuations of light spot position before compression

表2 壓縮后光斑位置波動(dòng)Tab 2 Fluctuations of light spot position after compression

由表中數(shù)據(jù)計(jì)算可得光斑位置標(biāo)準(zhǔn)差為:光斑直徑未壓縮時(shí)，光斑坐標(biāo)X 軸方向波動(dòng)值σx=0.148 7 mm、Y 軸方向波動(dòng)值σy=0.136 7 mm;當(dāng)光束直徑壓縮后，光斑坐標(biāo)X 軸方向波動(dòng)值σx=0.013 2 mm、Y 軸方向波動(dòng)值σy=0.011 2 mm;綜合所得數(shù)據(jù)可知，激光光束經(jīng)過壓縮后，PSD對(duì)光斑位置的測(cè)量精度得到了很大的提高，從而可以有效提高系統(tǒng)的控制精度。

3.3 步長(zhǎng)對(duì)控制精度的影響

在理想狀態(tài)下，控制系統(tǒng)可以控制標(biāo)定裝置到達(dá)預(yù)設(shè)的空間位置，但步長(zhǎng)設(shè)置的大小對(duì)定位精度存在不可忽略的影響，其數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 步長(zhǎng)對(duì)定位精度的影響Tab 3 Impact of step on positioning precision

由表3 所測(cè)數(shù)據(jù)可知，標(biāo)定裝置的定位精度與步進(jìn)電機(jī)所設(shè)步長(zhǎng)存在一定的關(guān)系，所設(shè)定步長(zhǎng)越大，步進(jìn)電機(jī)控制標(biāo)定裝置定位的精度越差;實(shí)際操作控制中，步長(zhǎng)設(shè)定并不是越小越好，步長(zhǎng)設(shè)定的太小將導(dǎo)致工作效率低;該控制系統(tǒng)中采用分步法解決步長(zhǎng)與精度問題，即標(biāo)定裝置距離預(yù)設(shè)點(diǎn)較大時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)每執(zhí)行一次所走步長(zhǎng)較大，標(biāo)定裝置距離預(yù)設(shè)點(diǎn)較小時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行一次所走步長(zhǎng)較小，從而解決因所設(shè)步長(zhǎng)較大所引起的定位精度較差和所設(shè)步長(zhǎng)較小工作效率低的問題。

4 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過位置控制計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制臺(tái)的移動(dòng)，直至兩束激光光斑在PSD 上同時(shí)顯示(0.0，0.0)mm，最終獲得標(biāo)定裝置基準(zhǔn)面和標(biāo)準(zhǔn)三角件的陰影圖像如圖3所示，所測(cè)數(shù)據(jù)如表4 所示。標(biāo)準(zhǔn)三角件的A 邊長(zhǎng)度為129.70 mm、B 邊長(zhǎng)度為112.46 mm、C 邊長(zhǎng)度為64.85 mm，通過調(diào)節(jié)好的照相站正交攝影后，對(duì)攝影圖像進(jìn)行判讀，計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)三角件A，B，C 三邊的邊長(zhǎng)大小。

圖3 空間坐標(biāo)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig 3 Spatial coordinates calibration experiments

表4 標(biāo)準(zhǔn)三角件長(zhǎng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 4 Length measurement experimental datas of standard triangular pieces

由表4 所測(cè)數(shù)據(jù)可知，標(biāo)準(zhǔn)三角件A 邊邊長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差LA=0.56mm、B邊邊長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差LB=0.59mm、C邊邊長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差LC=0.93 mm;計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)三角件的三邊邊長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)三角件的實(shí)際長(zhǎng)度相差小于1 mm，多組照相站的空間坐標(biāo)標(biāo)定精度優(yōu)于1 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于PSD 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用到彈道靶道照相站空間坐標(biāo)標(biāo)定體系中，有效提高了標(biāo)定裝置的定位精度，該控制系統(tǒng)是可行的。

5 結(jié) 論

基于PSD 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成的靶道空間坐標(biāo)基準(zhǔn)體系，通過LabVIEW 控制面板能夠?qū)崟r(shí)有效地以較高精度實(shí)現(xiàn)靶道照相站空間坐標(biāo)的標(biāo)定。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理表明:基于PSD 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定，操作方便，定位精度高，具有實(shí)用價(jià)值。

［1］ 任國(guó)民.彈道靶道技術(shù)及其發(fā)展［J］.彈道學(xué)報(bào)，1994，19(1):90－96.

［2］ 任國(guó)民，李觀濤，張 薇.彈道靶道空間坐標(biāo)測(cè)量誤差的初步估計(jì)［J］.彈道學(xué)報(bào)，1995，7(3):57－63.

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［4］ 顧金良，陳 平，夏 言，等.數(shù)字式靶道陰影照相系統(tǒng)［J］.彈道學(xué)報(bào)，2009，21(4):38－41.

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［7］ 毛計(jì)慶，云乃彰，孟 軼.LabVIEW—快速構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的利器［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，36(1):30－33.