王趙帥，邢 然，劉麗媛，王闊傳，韓 琪

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京，100076）

關(guān)鍵字：活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)；轉(zhuǎn)換裝置；無線傳輸；同步控制

0 引 言

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)換裝置用于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)行走狀態(tài)和定位狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，行走狀態(tài)下發(fā)射平臺(tái)載荷作用于輪組，到達(dá)發(fā)射陣地后，通過轉(zhuǎn)換裝置觸地頂升活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)本體令輪組離地，使得火箭加注及起飛時(shí)對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的載荷通過轉(zhuǎn)換裝置傳導(dǎo)至地面，減輕行走裝置及軌道的壓力。轉(zhuǎn)換裝置動(dòng)作是基于“三垂”發(fā)射方式的運(yùn)載火箭在發(fā)射測(cè)試流程中必要?jiǎng)幼鳎D(zhuǎn)換裝置的同步控制是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)之一。

轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)采用基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的集中控制方案，為提高系統(tǒng)靈活性和維護(hù)性，減少系統(tǒng)配套電纜數(shù)量，提升狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程工作效率，采用基于無線傳感器測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換裝置高度反饋測(cè)量。本文著重對(duì)無線測(cè)量傳輸技術(shù)及轉(zhuǎn)換裝置全自動(dòng)同步控制策略進(jìn)行介紹。

1 轉(zhuǎn)換裝置控制原理

轉(zhuǎn)換裝置采用多個(gè)支腿同步升降方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)大負(fù)載螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成升降動(dòng)作。轉(zhuǎn)換過程分為預(yù)升、同升、同降、回收4個(gè)流程，預(yù)升過程中通過預(yù)設(shè)高度值控制各支腿觸地，為同升動(dòng)作做準(zhǔn)備，同升動(dòng)作時(shí)各支腿同步運(yùn)動(dòng)將平臺(tái)頂升至預(yù)設(shè)高度，同降、回收動(dòng)作是同升、預(yù)升動(dòng)作的逆流程。轉(zhuǎn)換裝置動(dòng)作流程如圖1所示，各動(dòng)作流程可在控制系統(tǒng)控制下自動(dòng)完成。

圖1 轉(zhuǎn)換裝置動(dòng)作流程Fig.1 Action Flow of the Conversion Device

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)換裝置支腿分布及控制原理示意如圖2所示。為方便描述轉(zhuǎn)換裝置各支腿的位置及運(yùn)動(dòng)方向，按如圖順序標(biāo)記支腿編號(hào)為1～8號(hào)。

圖2 轉(zhuǎn)換裝置支腿分布及控制原理Fig.2 The Distribution of the Legs and the Control Principle of the Conversion Device

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)采用八點(diǎn)支撐，同升動(dòng)作屬于過自由度運(yùn)動(dòng)，為避免因運(yùn)動(dòng)不同步導(dǎo)致箭體姿態(tài)變化或應(yīng)力集中，同升過程中需對(duì)各支腿的伸長(zhǎng)量進(jìn)行同步控制，保證各支點(diǎn)在同一水平面內(nèi)動(dòng)作。各支腿均安裝位移傳感器用于實(shí)時(shí)反饋支腿伸長(zhǎng)量，為同步控制提供依據(jù)?；跓o線傳感器測(cè)量的同步控制系統(tǒng)組成如圖3所示，系統(tǒng)主要由拉線位移傳感器、無線發(fā)射設(shè)備、無線接收設(shè)備、主控計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、放大板等部分組成。

圖3 轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of the Conversion Device Control System

轉(zhuǎn)換裝置運(yùn)動(dòng)過程中，控制系統(tǒng)同時(shí)控制各支腿油路的比例方向閥，通過調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)流量實(shí)現(xiàn)各支腿運(yùn)動(dòng)速度的控制。拉線位移傳感器用于測(cè)量各支腿伸長(zhǎng)量，測(cè)量結(jié)果經(jīng)無線發(fā)射設(shè)備轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)發(fā)出，無線接收設(shè)備接收無線信號(hào)并通過RS485串行總線將信號(hào)傳輸至主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各支腿的位置監(jiān)測(cè)。主控計(jì)算機(jī)與PLC組成控制核心，用于運(yùn)行同步控制算法，完成同步控制。

2 無線傳感器測(cè)量技術(shù)

無線傳感器測(cè)量技術(shù)在火箭測(cè)發(fā)控領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用，如發(fā)射塔架位移以及溫濕度監(jiān)測(cè)、火箭燃料加注監(jiān)控等，主要用于解決地面電纜網(wǎng)布設(shè)困難的問題。將無線傳輸測(cè)量技術(shù)引入活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)中，可以使系統(tǒng)布置更加靈活，且測(cè)量系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化不影響系統(tǒng)整體架構(gòu)，系統(tǒng)靈活性、拓展性強(qiáng)，傳感器布置、撤收方便，易于維護(hù)維修，有助于提升流程效率。

2.1 無線測(cè)量原理

無線傳感器測(cè)量子系統(tǒng)由無線網(wǎng)關(guān)、無線中繼器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)等設(shè)備組成，通過射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)鐘統(tǒng)一和信號(hào)傳輸。系統(tǒng)采用SUB-1G射頻技術(shù)，無線設(shè)備配備鞭狀天線，在滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與通訊速率要求的同時(shí)，具備較好的抗遮擋能力和較遠(yuǎn)的通信距離。

無線傳感器測(cè)量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖如圖4所示。

圖4 無線傳感器測(cè)量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖Fig.4 Data Flow of Wireless Sensor Measurement Subsystem

無線測(cè)量子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向及工作流程如下：

a）無線網(wǎng)關(guān)加電后發(fā)送無線同步信號(hào)，中繼器和各無線節(jié)點(diǎn)接收無線同步信號(hào)；

b）中繼器接收無線同步信號(hào)后即刻轉(zhuǎn)發(fā)同步信號(hào)，無線節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)關(guān)或中繼器的同步信號(hào)后完成時(shí)間同步；

c）完成時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)按系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，分時(shí)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，不同節(jié)點(diǎn)間按照分時(shí)復(fù)用（TDMA）方式完成無線數(shù)據(jù)發(fā)送；

d）節(jié)點(diǎn)發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)可直到無線網(wǎng)關(guān)，也可經(jīng)過中繼器轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)無線網(wǎng)關(guān)；

e）網(wǎng)關(guān)接收到測(cè)量數(shù)據(jù)后通過485串行總線定時(shí)發(fā)送至控制計(jì)算機(jī)。

無線中繼器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)由內(nèi)置可充電電池供電，為確保無線測(cè)量設(shè)備電池能量滿足單次任務(wù)流程的使用需求，系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)工作模式和休眠模式。

實(shí)時(shí)工作模式下，無線測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)完成時(shí)鐘同步，無線傳感器定時(shí)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，中繼器接收數(shù)據(jù)包后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。休眠模式下，無線測(cè)量系統(tǒng)處于無線電靜默狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)耗電電流可控制在μA級(jí)。無線采集器和中繼器定時(shí)開啟射頻接收，搜索到同步信號(hào)后激活，轉(zhuǎn)為實(shí)時(shí)工作模式。

2.2 冗余抗干擾技術(shù)

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)控制系統(tǒng)對(duì)可靠性和信息傳輸實(shí)時(shí)性有較高要求，為同時(shí)保證實(shí)時(shí)性和可靠性要求，無線傳感器測(cè)量子系統(tǒng)采用了頻分多址（FDMA）和時(shí)分多址（TDMA）相結(jié)合的冗余抗干擾技術(shù)。

TDMA指以信號(hào)傳輸時(shí)間的不同建立多址的方式。無線傳感器測(cè)量系統(tǒng)以同步時(shí)鐘技術(shù)為基礎(chǔ)，確保無線網(wǎng)關(guān)、中繼器和無線傳感器節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間基準(zhǔn)下工作，在此基礎(chǔ)上將傳輸信道進(jìn)行時(shí)間分割以傳送若干話路信息，系統(tǒng)按一定次序輪流給各節(jié)點(diǎn)分配一段利用信道的時(shí)間。FDMA指把總帶寬分隔為多個(gè)正交信道，各節(jié)點(diǎn)可利用正交信道實(shí)現(xiàn)信息冗余傳輸。

本系統(tǒng)采用TDMA與FDMA結(jié)合的冗余抗干擾通訊技術(shù)，在時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上通過TDMA實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膹?qiáng)時(shí)效性，通過跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂?。跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)FDMA最大的技術(shù)難點(diǎn)在于系統(tǒng)內(nèi)部各獨(dú)立部分跳頻時(shí)間的同步，本系統(tǒng)采用令牌式的協(xié)調(diào)機(jī)制，網(wǎng)關(guān)發(fā)出的同步數(shù)據(jù)包包含同步信息和跳頻次序表，信號(hào)收發(fā)方在統(tǒng)一的時(shí)鐘下按順序同步跳頻，實(shí)現(xiàn)同步收發(fā)。冗余抗干擾通信流程示意如圖5 所示。為避免對(duì)發(fā)射場(chǎng)其他無線通信設(shè)備造成干擾，選用914～917 MHz頻段進(jìn)行跳頻。

圖5 冗余抗干擾通信流程Fig.5 Redundant Anti-jamming Communication Process

2.3 錯(cuò)誤陷阱技術(shù)

控制系統(tǒng)通過冗余抗干擾技術(shù)保證無線通信可靠不受到外部干擾，但是在極端惡劣的環(huán)境下，數(shù)字系統(tǒng)的內(nèi)部時(shí)序、存儲(chǔ)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)仍有可能受到干擾導(dǎo)致錯(cuò)誤，影響系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及設(shè)備安全?？刂葡到y(tǒng)采取了錯(cuò)誤陷阱技術(shù)來防止極端情況發(fā)生。錯(cuò)誤陷阱技術(shù)可分為3個(gè)層次：

a）錯(cuò)誤重啟技術(shù)：監(jiān)測(cè)到關(guān)鍵數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、關(guān)鍵故障時(shí)，系統(tǒng)重啟并重新組網(wǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致小部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，但是重啟后系統(tǒng)可重新正常工作；

b）錯(cuò)誤丟棄技術(shù)：監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，系統(tǒng)自動(dòng)丟棄該數(shù)據(jù)；

c）錯(cuò)誤恢復(fù)技術(shù)：監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)錯(cuò)誤，系統(tǒng)能夠?qū)﹀e(cuò)誤進(jìn)行修正并恢復(fù)工作。

控制系統(tǒng)采用錯(cuò)誤重啟技術(shù)和錯(cuò)誤丟棄技術(shù)應(yīng)對(duì)無線測(cè)量系統(tǒng)極端錯(cuò)誤情況。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤重啟技術(shù)能保證1 s內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，如系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到空中數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，采取丟棄的方式，由于本系統(tǒng)中無線信道的冗余性，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，系統(tǒng)仍可正常工作。

為驗(yàn)證錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)技術(shù)和錯(cuò)誤陷阱技術(shù)有效性，系統(tǒng)研制過程開展了大量的在極端情況下的錯(cuò)誤模擬測(cè)試（見表1）。試驗(yàn)表明錯(cuò)誤陷阱技術(shù)可很大程度避免極端情況對(duì)控制系統(tǒng)影響，使系統(tǒng)具備自我恢復(fù)能力。

表1 極端情況下模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Simulation test Results in Extreme Cases

為保證系統(tǒng)在極端情況系統(tǒng)的可靠工作，本系統(tǒng)所有單機(jī)均設(shè)計(jì)了兩路看門狗計(jì)時(shí)器（WDT），其中單片機(jī)采用內(nèi)部自帶的WDT，其復(fù)位周期為軟件可調(diào)，另外單機(jī)內(nèi)單片機(jī)復(fù)位電路上連接了一個(gè)硬件WDT，其復(fù)位周期為硬件設(shè)置，軟件不可設(shè)置。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，內(nèi)外WDT采用了分級(jí)設(shè)計(jì)機(jī)制，即如果出現(xiàn)故障，內(nèi)部WDT先行啟動(dòng)，在內(nèi)部WDT不能正常工作的時(shí)候，外部WDT強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位，后續(xù)軟件機(jī)制保證問題單機(jī)或者整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。雙重的WDT機(jī)制保證了系統(tǒng)能夠可靠快速恢復(fù)故障。

3 同步控制流程及算法

轉(zhuǎn)換裝置控制系統(tǒng)采用全自動(dòng)主從同步控制策略實(shí)現(xiàn)各支腿的位置同步性控制。主從同步指多個(gè)需要同步運(yùn)動(dòng)的對(duì)象以其中一個(gè)對(duì)象的輸出作為基準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行跟蹤以達(dá)到運(yùn)動(dòng)同步?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)值自動(dòng)調(diào)節(jié)各支腿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，到達(dá)目標(biāo)值后自動(dòng)停止流程，實(shí)現(xiàn)“一鍵式”控制。

3.1 控制流程

控制系統(tǒng)通過控制各支腿液壓回路比例方向的開度調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度，系統(tǒng)以1號(hào)支腿伸長(zhǎng)量為參考進(jìn)行主從同步控制。轉(zhuǎn)換裝置降的過程為動(dòng)作反向，控制原理及策略一致。本節(jié)主要以升過程為例進(jìn)行描述，預(yù)升、同升控制流程示意如圖6所示。

圖6 預(yù)升、同升控制流程Fig.6 Control Process of the Pre-upgrade and Synchronous-upgrade

轉(zhuǎn)換裝置在初始位置先進(jìn)行預(yù)升控制流程。控制系統(tǒng)依據(jù)測(cè)得的預(yù)升高度值分別控制各支腿啟停。當(dāng)任意轉(zhuǎn)換裝置支腿到達(dá)預(yù)升設(shè)定高度后，該轉(zhuǎn)換裝置停止運(yùn)動(dòng)，直到8組支腿均到達(dá)設(shè)定高度后，預(yù)升流程自動(dòng)停止。

同升動(dòng)作以預(yù)升動(dòng)作確定平面為基準(zhǔn)，設(shè)定同升目標(biāo)值后可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)同步控制，執(zhí)行以1號(hào)支腿伸長(zhǎng)量為基準(zhǔn)的自動(dòng)同步閉環(huán)控制運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中2～8號(hào)支腿伸長(zhǎng)量若大于判斷閾值上限則降低相應(yīng)支腿的比例閥開度，進(jìn)而降低運(yùn)動(dòng)速度，反之亦然。當(dāng)8組轉(zhuǎn)換裝置均達(dá)到設(shè)定同升高度后，同升過程自動(dòng)停止。

3.2 同步控制算法

轉(zhuǎn)換裝置全自動(dòng)同步控制算法分為同步控制算法和位置控制算法兩部分，控制原理示意如圖7所示。

圖7 同步控制原理框圖Fig.7 Principle of Synchronous Control

控制系統(tǒng)對(duì)液壓的輸出流量進(jìn)行控制。采用PID調(diào)節(jié)參數(shù)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)范圍，設(shè)定基本的初值，通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID參數(shù)。反饋誤差參量為位移。建立公式模型如下：

控制系統(tǒng)對(duì)液壓的輸出流量進(jìn)行控制。采用PID調(diào)節(jié)參數(shù)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)范圍，設(shè)定基本的初值，通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID參數(shù)。反饋誤差參量為位移。建立公式模型如下：

式中，分別為標(biāo)準(zhǔn)支腿（1號(hào)支腿）的初始高度和實(shí)時(shí)測(cè)量高度；，分別為隨動(dòng)支腿（2～8號(hào)支腿）初始高度和實(shí)時(shí)測(cè)量高度；，分別為標(biāo)準(zhǔn)腿、隨動(dòng)腿的高度變化值；為偏差比例系數(shù)；Δ為位置反饋PID中的偏差值；為初始設(shè)定流量值；為流量調(diào)節(jié)系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得；′為調(diào)整后的流量值。

控制過程中選取固定轉(zhuǎn)換裝置為標(biāo)準(zhǔn)支腿作為基準(zhǔn)，將其動(dòng)作曲線認(rèn)為是理想曲線；隨動(dòng)支腿作為跟隨，按照理想曲線調(diào)整。計(jì)算隨動(dòng)支腿和標(biāo)準(zhǔn)支腿的變換高度誤差，將誤差Δ反饋到隨動(dòng)支腿的流量控制中，反復(fù)調(diào)整得到最佳的輸出曲線。同時(shí)在同步控制過程中對(duì)誤差Δ進(jìn)行監(jiān)控，使其保持在±0.5 mm的范圍內(nèi)，保障同步控制誤差精度。

4 試驗(yàn)結(jié)果

前文介紹的基于無線傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)換裝置同步控制系統(tǒng)在某型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上得到了應(yīng)用，其中無線測(cè)量部分采用拉線位移傳感器與無線發(fā)射模塊結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)的無線傳輸，且無線模塊具有與多種傳感器配合的能力，接口靈活、拓展性強(qiáng)。

首先對(duì)無線傳感器測(cè)量子系統(tǒng)通訊距離及可靠性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出無線傳感器測(cè)量子系統(tǒng)具有較大的傳輸距離和較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的冗余抗干擾技術(shù)可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性。

表2 無線傳感器測(cè)量子系統(tǒng)可靠性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Tab.2 Reliability Test of Wireless Sensor Measurement Subsystem

在一定流量、壓力下啟動(dòng)同升流程，設(shè)定同升期望值為30 mm，同升過程位移偏差閾值指標(biāo)為0.5 mm，即隨動(dòng)支腿與參考支腿的位移偏差不超過±0.5 mm。同升過程中各支腿的位移-時(shí)間變化曲線如圖8a所示，運(yùn)動(dòng)過程中隨動(dòng)支腿與標(biāo)準(zhǔn)支腿最大位置偏差絕對(duì)值曲線如圖8b所示。

圖8 同升過程數(shù)據(jù)曲線Fig.8 Data Curve of the Synchronous-upgrade Process

從圖8可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與控制策略一致，隨動(dòng)支腿以標(biāo)準(zhǔn)支腿伸長(zhǎng)量為參考自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)同步性良好，最大位移偏差為0.46 mm，滿足同升位移偏差閾值要求。

5 結(jié) 論

本文首先介紹了運(yùn)載火箭活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)換裝置的系統(tǒng)組成和控制原理，闡述了引入無線傳感器測(cè)量技術(shù)的背景和目的，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了無線測(cè)量子系統(tǒng)的測(cè)量原理和冗余抗干擾技術(shù)、錯(cuò)誤陷阱技術(shù)等可靠性保障技術(shù)，介紹了控制系統(tǒng)組成及多支腿全自動(dòng)同步控制策略與算法，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)表明，無線測(cè)量子系統(tǒng)通訊可靠性良好，控制策略及算法滿足轉(zhuǎn)換裝置同步控制指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)配套優(yōu)化和效率提升的目標(biāo)。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某型號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)中，并完成了火箭的發(fā)射任務(wù)。