王紀(jì)超，陳 科

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

雷達(dá)裝備的研制對國家戰(zhàn)略有著重要意義。在研制過程中衛(wèi)星運動模擬試驗系統(tǒng)以其良好的可控性、安全性以及不受場地限制等優(yōu)點在雷達(dá)裝備研制中扮演著重要的角色[1]。運動控制軟件系統(tǒng)作為衛(wèi)星運動模擬平臺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真試驗的可靠性和置信度，因此，研制性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定、交互性良好的運動控制系統(tǒng)是提高地面仿真試驗?zāi)芰?，提升雷達(dá)研制水平的關(guān)鍵[2]。

1 雷達(dá)運動平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)運動關(guān)系

雷達(dá)系統(tǒng)由信號發(fā)生器、接收天線、信號處理器、信號傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其控制系統(tǒng)操作雷達(dá)的轉(zhuǎn)向，工作模式，鎖定模式等等[3]?？刂葡到y(tǒng)由操作人員通過控制電機(jī)運動操控雷達(dá)衛(wèi)星天線的運動以調(diào)整雷達(dá)的方位。雷達(dá)衛(wèi)星天線運動系統(tǒng)是很典型的機(jī)械運動系統(tǒng)，如圖1.1所示，其運動主要分為平移運動，俯仰運動和旋轉(zhuǎn)運動。圖1.2 給出了典型的陣面雷達(dá)的結(jié)構(gòu)。

圖1.1 雷達(dá)衛(wèi)星天線的運動示意圖Fig 1.1 The radar satellite antenna motion schematic

圖1.2 典型陣面雷達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1.2 The typical array radar mechanical structure diagram

圖1.2中的一維直線運動平臺是整個系統(tǒng)測量的基座，由底座、滑臺、限位裝置、兩組直線導(dǎo)軌副、一組滾珠絲杠副及傳動鏈等組成；其二維轉(zhuǎn)臺是一個平移轉(zhuǎn)臺，衛(wèi)星天線平臺在一維直線運動平臺上進(jìn)行直線運動；其俯仰轉(zhuǎn)臺是執(zhí)行天線俯仰和方位角度調(diào)節(jié)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由俯仰電推桿、轉(zhuǎn)盤、底座、回轉(zhuǎn)支承、傳動鏈、角度傳感器等組成。

該雷達(dá)機(jī)械機(jī)構(gòu)將實現(xiàn)直線運動、旋轉(zhuǎn)運動和俯仰運動，其控制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能：

（1）能夠控制平臺的一維直線運動和轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)運動以及俯仰運動。

（2）能夠完成給定點坐標(biāo)從轉(zhuǎn)臺運動坐標(biāo)系到陣面載體坐標(biāo)系上的變換。

（3）人機(jī)交互界面上具有命令操作顯示、執(zhí)行命令成功提示、執(zhí)行過程及狀態(tài)顯示。

（4）控制系統(tǒng)具有容錯處理的功能，以及報警提示功能。

（5）可完成對輸入?yún)?shù)的存儲，并生成記錄日志。

2 雷達(dá)運動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，將該運動控制系統(tǒng)設(shè)計為上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。

一臺工控機(jī)作為上位機(jī)，實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的監(jiān)控、檢測和管理。上位機(jī)提供人機(jī)交互界面，實現(xiàn)對整個轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的在線檢測、安全保護(hù)、性能檢測和系統(tǒng)的運動管理以及數(shù)據(jù)處理[4]。下位機(jī)通過運動控制卡控制電機(jī)驅(qū)動器控制電機(jī)實現(xiàn)機(jī)械運動。系統(tǒng)的工作狀態(tài)通過上位機(jī)的操作面板設(shè)置，工作狀態(tài)信息在上位機(jī)顯示[5]。

上位機(jī)在接受輸入設(shè)置命令后傳于下位機(jī)，上下位機(jī)通過通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下位機(jī)快速采集測速機(jī)及數(shù)顯表反饋信號，依據(jù)控制算法，實時解算出控制量，由D/A輸出，經(jīng)前置放大器和功放后控制電機(jī)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的實時控制[7]。

本軟件主要使用非自動形式的系統(tǒng)開發(fā)方法。使用的軟件主要有C#和matlab。雷達(dá)機(jī)械機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)變換相對較繁瑣，推導(dǎo)出的坐標(biāo)變換公式用矩陣形式表示，在計算過程中相互變換較多，較復(fù)雜，本軟件將matlab程序作為一個子模塊調(diào)用，通過調(diào)用matlab軟件可以輕松的解決坐標(biāo)變換。主程序都是在C#界面下編寫的，將每個模塊編寫成不同的類，通過主程序調(diào)用這些類，將各個不同的模塊鏈接到一起，從部分到整體，條理清楚，方便設(shè)計[6]。

3 雷達(dá)運動平臺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該控制系統(tǒng)硬件原理如圖3.1所示。其中控制器為西門子1214C的PLC，是運動控制系統(tǒng)的核心，主要完成信號的采集、處理、伺服定位等功能。伺服驅(qū)動器作為驅(qū)動設(shè)備，接收來自PLC的指令脈沖驅(qū)動電機(jī)完成高精度的定位，接收編碼器脈沖并將脈沖反饋給PLC實現(xiàn)整個系統(tǒng)的半閉環(huán)控制[8]。

圖3.1 系統(tǒng)硬件工作原理圖Fig 3.1 The system hardware operating principle

4 雷達(dá)運動平臺的軟件設(shè)計

4.1 總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需要對軟件設(shè)計過程進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計流程如圖4.1所示。

首先對軟件所要實現(xiàn)的功能分析，將軟件劃分為以下幾個模塊： 一是主程序。主程序的功能是時實檢測CPU、各種擴(kuò)展模塊及執(zhí)行原件的工作狀態(tài)，等待上位機(jī)的指令，傳輸以及接受數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)控制功能等；二是數(shù)據(jù)接收模塊。接收上位機(jī)的控制命令，對收到的命令進(jìn)行判斷分析，提取有效的控制關(guān)鍵字，對收到的角度命令進(jìn)行轉(zhuǎn)換；三是運動控制模塊。將上位機(jī)發(fā)來的命令分析后，如果是要求定位，程序使用該子程序，定位模式子程序功能是將上位機(jī)送來的平臺、方位和俯仰運動角度、速度進(jìn)行分析，按照一定的運動規(guī)則進(jìn)行天線運動控制，使天線按照預(yù)先設(shè)定的運動軌跡進(jìn)行運動；四是監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊主要功能是提供友好的人機(jī)界面，可以實現(xiàn)控制命令的傳送、定位角度的輸入、角度回饋顯示和系統(tǒng)故障顯示；五是日志模塊。日志模塊用實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)、雷達(dá)天線運動軌跡實時記錄，儲存管理[9]。整個系統(tǒng)功結(jié)構(gòu)圖如圖4.2。

圖4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖Fig4.1 The system software design flow

圖4.2 軟件結(jié)構(gòu)示意圖Fig4.2 The software structure diagram

4.2 界面設(shè)計

界面可以根據(jù)要求分為三個部分，三個部分是相互聯(lián)系，在界面上沒有明顯的分界點。主要功能分為三個，參數(shù)控制，運動控制，日志管理。

在結(jié)構(gòu)參數(shù)下設(shè)置下拉菜單，下拉菜單中包含的參數(shù)設(shè)置有結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置和串口參數(shù)設(shè)置。運動控制同樣有下拉菜單，下拉菜單包含的是運動控制具體的內(nèi)容，包含位置控制、軌跡控制、到位控制、以及平臺控制等內(nèi)容。日志管理模塊是用來儲存和查詢平臺的運動數(shù)據(jù)。根據(jù)要顯示功能，可以把界面劃分為四個區(qū)，分別是菜單欄，控制區(qū)，操作界面以及實時顯示區(qū)。控制區(qū)是根據(jù)控制區(qū)的不同而不同的，是軟件的核心部分。界面具體設(shè)置如圖4.3所示[10]。

圖4.3 軟件主界面Fig4.3 The software main interface

圖4.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置界面Fig4.4 The structural parameter setting interface

結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置的界面如圖4.4所示，界面上的模式一和模式二是常見的結(jié)構(gòu)的參數(shù)，把常見的結(jié)構(gòu)設(shè)置成兩個模式形式，方便用戶選擇。如果機(jī)械結(jié)果的參數(shù)不是常用的，或者不是這兩個模式，軟件設(shè)置了自定義選項，用戶可以根據(jù)自己的需要自定義結(jié)構(gòu)參數(shù)。

串口設(shè)置界面要求用戶設(shè)置串口參數(shù)，由于運動控制軟件并不是直接控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動的，而是通過控制PLC等控制器來實現(xiàn)控制運動的，為了友好的與控制器連接，設(shè)置串口連接是必要的。串口界面提供了計算機(jī)和控制器連接的一些常用參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)正確的串口連接是實現(xiàn)功能的不可或缺的條件。

圖4.5 串口設(shè)置界面Fig4.5 The serial port setting interface

運動控制界面是將位置控制、軌跡控制放在一個控制窗口里；到位控制以及平臺控制顯示在另一個控制窗口上，界面設(shè)計如圖4.6 所示。不同的功能占用各自的一塊區(qū)域[11]，當(dāng)選中某個功能時相對的區(qū)域會可操作，沒選中的功能區(qū)不可操作，如圖4.6所標(biāo)注的。

圖4.6 運動控制界面Fig4.6 The motion control interface

日志管理界面是對日志的記錄、查詢做了相關(guān)的要求，如用戶自定義開始來記錄，自定義停止記錄，自定義保存路徑等。界面如圖 4.7所示。

為了提供實時顯示的功能，設(shè)計界面時將實時顯示的功能界面始終顯示在主界面的下方，方便用戶實時的了解重要的數(shù)據(jù)，了解各個部分的運行情況，同時還可以了解運動情況及軟件的運行情況[12]。

圖4.7日志管理界面Fig4.7 The log management interface

軟件的各個界面部分是相互關(guān)聯(lián)的，并不是獨立的。如在運動控制中控制衛(wèi)星平臺的各個數(shù)據(jù)將會被傳送到實時顯示區(qū)顯示，提供給用戶，方便了解衛(wèi)星的當(dāng)前姿態(tài)和狀態(tài)，同時又可將數(shù)據(jù)傳送到日志管理區(qū)，可以保存一定的格式。

4.2 模塊編程

4.2.1 運動控制模塊

（1）位置控制程序模塊的編制

利用C#調(diào)用反求運動量的MATLAB程序，該模塊可以實現(xiàn)如下功能：反求出平臺運動到目標(biāo)點所需的運動量；通過串口通信，按照特定的通訊協(xié)議，給下位機(jī)發(fā)送運動指令。

（2）到位控制程序模塊的編制

利用C#調(diào)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的MATLAB程序，該模塊可以實現(xiàn)如下功能：讓用戶輸入所需的運動參數(shù)(z0,θ,φ)；通過串口通信，按照特定的通訊協(xié)議，給下位機(jī)發(fā)送運動指令；求解出不動點新的陣面坐標(biāo)。

（3）軌跡控制程序模塊的編制

擴(kuò)展位置控制模塊，在平臺當(dāng)前姿態(tài)下，讓用戶給定一系列特定的點的陣面坐標(biāo)，反求出平臺所需的運動量并發(fā)送給下位機(jī)。

（4）平臺控制程序模塊的編制

擴(kuò)展到位控制模塊，在平臺當(dāng)前姿態(tài)下，讓用戶給定一系列特定運動參數(shù)，把這些運動量發(fā)送給下位機(jī)。

（5）平臺實時姿態(tài)顯示及系統(tǒng)監(jiān)測

在C#程序界面里設(shè)定定時器，通過串口通信，不斷接受下位機(jī)反饋回來的字節(jié)數(shù)據(jù)，按照通訊協(xié)議，從字節(jié)數(shù)據(jù)中找出平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，顯示到控制主界面。

4.2.2 串口通信模塊

界面中的串口通信模塊是通過調(diào)用C#中的SerialPort類來實現(xiàn)的，其中主要使用了發(fā)送字節(jié)的Write()方法、讀取字節(jié)的Read()方法以及接受數(shù)據(jù)的DataReceived()事件，通信步驟如下：

（1）串口初始化：通過更改Serial Port類的屬性，設(shè)置串口的端口號、波特率、停止位、校驗位、數(shù)據(jù)位。

（2）數(shù)據(jù)的打包和發(fā)送：把將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議，設(shè)定字頭字節(jié)、長度字節(jié)、功能號字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)、備份字節(jié)、檢查和字節(jié)，組裝在一個定義好的字節(jié)數(shù)組里面，然后通過Write()方法發(fā)送給下位機(jī)。

（3）數(shù)據(jù)的讀取和存儲：利用Read()方法，讀取緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)據(jù)，并存儲到定義好的字節(jié)數(shù)組中，然后按照通信協(xié)議，逐個檢驗字節(jié)數(shù)據(jù)，提取并分離出需要的數(shù)據(jù)，存儲到不同的變量。

（4）關(guān)閉串口：停止所有的讀寫操作，斷開和下位機(jī)之間的通信。

4.2.3 日志模塊

（1）創(chuàng)建日志記錄表：通過用戶設(shè)置日志存放的路徑，以系統(tǒng)運行的當(dāng)前時間為文件名創(chuàng)建日志excel表格。

（2）生成日志記錄：當(dāng)雷達(dá)天線的位置與上一時刻位置有變化時，自動將天線的位置數(shù)據(jù)，平臺的運動數(shù)據(jù)記錄在日志表格中。

（3）日志存放：表格默認(rèn)存放在用戶設(shè)置的路徑內(nèi)，方便隨時查詢。

該雷達(dá)運動平臺控制系統(tǒng)已調(diào)試并安裝于某雷達(dá)系統(tǒng)中，很好地實現(xiàn)了預(yù)期的功能，運行狀態(tài)良好。

文章以某典型雷達(dá)運動平臺為控制對象，研發(fā)了雷達(dá)運動控制系統(tǒng)，通過上位機(jī)和下位機(jī)的協(xié)調(diào)配合，可實現(xiàn)雷達(dá)運動平臺的水平方向移動，平臺的俯仰運動和平臺的空間旋轉(zhuǎn)運動。該系統(tǒng)通過簡單修改部分系統(tǒng)參數(shù)即可應(yīng)用于不同的雷達(dá)運動平臺的控制，增強了系統(tǒng)的通用性。

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