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(北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100092)
光機(jī)掃描系統(tǒng)是空間光學(xué)遙感器的重要部件之一,是光機(jī)掃描型相機(jī)接收地物信息的第一個(gè)環(huán)節(jié)[1-2],通常通過反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)大視場(chǎng)范圍,對(duì)垂直于遙感器運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行掃描,掃描的精確性、線性度及平穩(wěn)性直接影響了成像質(zhì)量。此外,光機(jī)掃描系統(tǒng)也可作為穩(wěn)像機(jī)構(gòu),對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)、地物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一定范圍的補(bǔ)償,這就更需要高精度的掃描系統(tǒng)。在掃描控制器中,大多采用低速同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)作為控制器的執(zhí)行部件[3]。同時(shí)為保準(zhǔn)掃描精度及線性度,必須采用閉環(huán)控制,利用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等高精度傳感器作為位置或速度反饋,通過控制算法保證高精度的掃描控制[4]。因此對(duì)步進(jìn)電機(jī)、無刷電機(jī)等執(zhí)行部件,以及旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等位置傳感器的性能的精確測(cè)定是高精度光機(jī)掃描控制器開發(fā)的首要環(huán)節(jié)。
本文針對(duì)目前常用遙感器光機(jī)掃描控制器的執(zhí)行、測(cè)角反饋部件,開發(fā)了一套高精度控制器開發(fā)測(cè)試系統(tǒng),用于對(duì)掃描系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、機(jī)電暫態(tài)特性,以及掃描轉(zhuǎn)角測(cè)量特性進(jìn)行精確辨識(shí)。同時(shí)研制信息集成平臺(tái),在線獲取各環(huán)節(jié)測(cè)試信息,利用通用控制器快速原型機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描系統(tǒng)參數(shù)的快速測(cè)試及性能評(píng)估,提高了掃描控制器的研制效率。
該測(cè)試系統(tǒng)由掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測(cè)試模塊,軸角測(cè)量模擬測(cè)試模塊,掃描控制器快速原型機(jī)開發(fā)測(cè)試模塊與系統(tǒng)集成平臺(tái)4個(gè)部分組成。其中掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測(cè)試模塊通過測(cè)試臺(tái)上的聯(lián)軸器及軸承等設(shè)備與被測(cè)機(jī)構(gòu)的電機(jī)相連,完成電機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(力矩、轉(zhuǎn)速等)和電特性參數(shù)(電壓、電流、功率等)的測(cè)試,并將測(cè)試結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送給系統(tǒng)集成平臺(tái);軸角測(cè)量模擬測(cè)試模塊與被測(cè)測(cè)角傳感器相連,主要完成旋變參數(shù)的模擬和測(cè)試。
掃描控制器快速原型機(jī)開發(fā)測(cè)試模塊實(shí)現(xiàn)了軸角測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下電機(jī)算法的仿真和驗(yàn)證,根據(jù)結(jié)果將算法逐步加載到DSP-FPGA控制評(píng)估卡中,同時(shí)將結(jié)果發(fā)送到系統(tǒng)集成平臺(tái)中;系統(tǒng)集成平臺(tái)可接收上述3個(gè)模塊的數(shù)據(jù),對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對(duì)控制算法進(jìn)行評(píng)估,通多多次測(cè)試迭代,獲取最優(yōu)控制算法及參數(shù)。各個(gè)模塊間通過網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行通信。
圖1 開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
其中掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測(cè)試模塊、軸角模擬測(cè)試模塊采用成熟測(cè)試系統(tǒng),通過系統(tǒng)集成信息平臺(tái)進(jìn)行控制及信息獲取。
掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測(cè)試模塊選用Magtrol測(cè)功機(jī)測(cè)試系統(tǒng)作為測(cè)試主體方案。其適用于測(cè)量交流或直流電機(jī),配合Magtrol專用馬達(dá)測(cè)試軟件SW-M-TEST-WE7.0、測(cè)功機(jī)控制器DSP7001、電力分析儀6510e,可以實(shí)現(xiàn)以Ramp、Curve、Manual等測(cè)試方式來測(cè)得電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù),包括:扭力、轉(zhuǎn)速、輸出功率、電壓、電流、輸入功率、功率因數(shù)、馬力、效率等。該測(cè)功機(jī)可以進(jìn)行從空載到堵轉(zhuǎn)的全程測(cè)試;最大扭矩測(cè)量5 N·m;測(cè)試最高轉(zhuǎn)速為4 000 rpm;最高功率為0.5 kW。
測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)方式為:將被測(cè)電機(jī)通過夾具固定安裝在測(cè)試臺(tái)面上,電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與測(cè)功機(jī)相連,電機(jī)啟動(dòng)后,測(cè)功機(jī)將被測(cè)電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速和輸出功率等信息發(fā)送給測(cè)功機(jī)控制器,控制器將這些信息進(jìn)行解析并通過儀表顯示,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過USB電纜或GPIB電纜發(fā)送給控制計(jì)算機(jī);電機(jī)電源通過電參數(shù)儀后為電機(jī)提供電源,電參數(shù)儀可實(shí)現(xiàn)工作電壓、電流和功率等參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取,同時(shí)將結(jié)果通過GPIB電纜發(fā)送給控制計(jì)算機(jī);控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將測(cè)試結(jié)果發(fā)送至集成信息平臺(tái)。
軸角模擬測(cè)試模塊包括軸角模擬和軸角測(cè)試等功能,測(cè)試儀主要完成旋變信號(hào)的雙通道測(cè)試功能,在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器激勵(lì)信號(hào)的同時(shí),完成旋變信號(hào)的解調(diào)功能。模擬器主要作用是對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定,同時(shí)在不具備旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí),模擬產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào),送到角度解調(diào)電路進(jìn)行旋變信號(hào)測(cè)試。
其中測(cè)試儀選用的是北大西洋公司的8810A型號(hào)產(chǎn)品,可自動(dòng)接收并顯示輸入電壓為1.0~90 VLL的信號(hào),并可接受基準(zhǔn)電壓2~115 VRMS,頻率范圍覆蓋47 Hz到20 kHz,分辨率0.000 1°,精度±0.004°,并具備自動(dòng)相位校正功能,可對(duì)目前大多感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行測(cè)試。
模擬器選用的是北大西洋公司的5330A型號(hào)產(chǎn)品,其利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行同步并實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器模擬。角度輸出0~360°或±180°可調(diào),輸出頻率范圍47 Hz到10 kHz。該裝置可模擬在順時(shí)針或逆時(shí)針方向上的旋轉(zhuǎn)分量,產(chǎn)生正弦波,三角波或鋸齒波輸出。輸出電壓為1.0~90 VLL,并可接受基準(zhǔn)電壓2~115 V,輸出功率可達(dá)6 VA/通道,分辨率0.001°,精度±0.003°;可滿足感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器模擬要求。
快速原型機(jī)的主要功能是根據(jù)測(cè)試信息,設(shè)計(jì)修改部署掃描系統(tǒng)控制器的參數(shù),包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)量、位置傳感器參數(shù)以及閉環(huán)控制算法,通過與測(cè)試系統(tǒng)的多次測(cè)量迭代,獲取最優(yōu)控制方法[5]??焖僭蜋C(jī)基于PXI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用上位主機(jī)+實(shí)時(shí)功能卡的結(jié)構(gòu)。其中,上位主機(jī)采用NI公司的PXIe-1042機(jī)箱,其內(nèi)置背板通過PCI Express將各辦卡連接在一起,機(jī)箱內(nèi)置定時(shí)與同步特性,通過PXI的觸發(fā)總線進(jìn)行同步,以滿足各板卡的同步測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的需求。上位機(jī)基于Labview設(shè)計(jì),利用內(nèi)置控制模塊快速搭建控制結(jié)構(gòu)及參數(shù),并通過網(wǎng)絡(luò)與集成信息平臺(tái)連接,用于上傳控制器信息、獲取控制參數(shù)[6-7]。實(shí)時(shí)功能板卡包括PXI驅(qū)動(dòng)控制卡用于驅(qū)動(dòng)電機(jī);PXI角度解算卡用于解算光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器的角度信息;PXI控制評(píng)估卡通過內(nèi)部總線與驅(qū)動(dòng)控制卡、角度解算卡連接,運(yùn)行控制算法,用于對(duì)控制算法的實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)控制效果評(píng)估。
PXI驅(qū)動(dòng)控制卡的主要功能是接收快速控制器上位機(jī)或控制評(píng)估卡發(fā)送的電機(jī)控制信號(hào),將前端的原始控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠識(shí)別的驅(qū)動(dòng)信號(hào),包括光耦隔離、防死區(qū)設(shè)計(jì),同時(shí)預(yù)留三線/232/422板間連接接口。其原理框圖如圖2所示。
圖2 PXI驅(qū)動(dòng)控制卡原理框圖
本文為適應(yīng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng),采用PWM的驅(qū)動(dòng)方式,由FPGA根據(jù)上位機(jī)或控制評(píng)估卡發(fā)送的電機(jī)控制信號(hào),例如PWM的占空比等信息,生成相應(yīng)的PWM信號(hào),經(jīng)光耦隔離及防死區(qū)電路后送至功率放大電路。功率放大電路由驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管組成。如圖3所示為功率放大電路。
圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖
其中,P+5 V為數(shù)字端電源,P+12 V為數(shù)字端電源為自舉電源,PVCC為功率電源。PWM1_M1、PWM2_M1為差分PWM信號(hào),EN1-2_M1為使能信號(hào)。圖中C7為自舉電容,P+12 V依次經(jīng)過D1后給C7充電,以確保MOS管關(guān)閉;當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí),柵極通過C7的儲(chǔ)能來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。兩組驅(qū)動(dòng)電路可為兩相直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
PXI軸角解算卡的主要功能是:實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器信號(hào)的解算與實(shí)時(shí)讀取。其中將旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)(RDC)過程較為復(fù)雜,本文采用專用芯片AD2S82為解算核心,通過FPGA進(jìn)行控制,對(duì)角度信息進(jìn)行濾波處理,以及與上位主機(jī)信息交互。如圖4為AD2S82的配置電路。
圖4 PXI軸角解算卡配置電路
其中,旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦信號(hào)通過圖中的A_SININ/A_COSIN管腳接入,AC_ERR與DBMIP間設(shè)計(jì)為濾波器,INTIP/OP、VCOIP為調(diào)節(jié)內(nèi)部壓控振蕩器的參數(shù),DEMOP用于調(diào)節(jié)內(nèi)部壓控振蕩器的零點(diǎn),SC1、SC2設(shè)計(jì)為16位輸出。數(shù)字端通過INHABIT、ENABLE、DIR管腳進(jìn)行使能控制。在調(diào)試時(shí)首先將輸入的正余弦信號(hào)以及參考信號(hào)調(diào)節(jié)為同相位,其次將AD2S82的正余弦信號(hào)分別接到AGND、參考信號(hào)上,調(diào)節(jié)壓控振蕩器的相關(guān)參數(shù),從而保證輸出角度的精度。
PXI控制評(píng)估卡的主要功能是對(duì)控制算法的實(shí)時(shí)硬件運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)一般掃描系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),一般采用DSP+FPGA的電路結(jié)構(gòu),同時(shí)具備板間同步串行接口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡、角度解算卡連接,電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。FPGA根據(jù)需求將PXI總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,來控制外圍功能電路進(jìn)行通信、輸出(DA)和采集(AD)信號(hào),與DSP配合,實(shí)現(xiàn)開發(fā)評(píng)估功能,進(jìn)行算法的仿真和驗(yàn)證。DSP可以根據(jù)用戶需求完成高速數(shù)據(jù)處理,可將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果逐步加載到DSP芯片中,已達(dá)到優(yōu)化算法、提高效率的目的。其中,為滿足控制算法的驗(yàn)證及宇航應(yīng)用需求,F(xiàn)PGA選用XILINX的XC4VSX55,DSP選用TI的TMS320C6727浮點(diǎn)型數(shù)字處理器。其原理框圖如圖5所示。
圖5 PXI控制評(píng)估卡原理框圖
系統(tǒng)集成平臺(tái)是開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)中心,通過該平臺(tái)可建立測(cè)試、控制閉環(huán),通過多次測(cè)量,設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)控制算法,多次評(píng)估迭代獲取最優(yōu)控制算法。同時(shí)集成平臺(tái)需實(shí)時(shí)同步獲取多種數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行控制,包括控制掃描執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)測(cè)試模塊、軸角模擬測(cè)試模塊的參數(shù)并獲取測(cè)試數(shù)據(jù);根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)被測(cè)掃描機(jī)構(gòu)的控制參數(shù),并傳送至控制器快速原型機(jī)相關(guān)板卡,對(duì)被測(cè)掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,同時(shí)對(duì)控制參數(shù)實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。為保證系統(tǒng)信息交互的實(shí)時(shí)性及同步性,集成平臺(tái)基于Windows RTX開發(fā),RTX是美國(guó)公司開發(fā)的Window平臺(tái)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
采用C/S模式,各程序之間互為Server端和Client端。集成平臺(tái)為各測(cè)試模塊授時(shí),各測(cè)試模塊根據(jù)集成平臺(tái)的授時(shí),在測(cè)試數(shù)據(jù)中加入時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息后上傳至集成平臺(tái),根據(jù)Windows RTX的時(shí)間精度,測(cè)試數(shù)據(jù)的授時(shí)間隔為1 ms。集成平臺(tái)工作于被動(dòng)模式下,自動(dòng)獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并保存。人機(jī)界面提供數(shù)據(jù)查看、分析以及設(shè)備操控功能。端到端通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。各測(cè)試設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)端口連接到一臺(tái)交換機(jī)上,構(gòu)成一個(gè)微型局域網(wǎng),所有測(cè)試數(shù)據(jù)通過此局域網(wǎng)發(fā)送到本測(cè)試軟件。如圖所示為測(cè)試系統(tǒng)的信息交互局域網(wǎng)構(gòu)成。系統(tǒng)集成平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)層經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)獲取掃描執(zhí)行部件測(cè)試模塊、軸角模擬測(cè)試模塊的測(cè)試數(shù)據(jù);經(jīng)數(shù)據(jù)層發(fā)送至應(yīng)用層,基于Matlab進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì);將控制參數(shù)發(fā)送至快速原型機(jī)對(duì)被控機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制;測(cè)試模塊對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并發(fā)送數(shù)據(jù),形成開發(fā)-測(cè)試閉環(huán)。
圖6 測(cè)試系統(tǒng)信息交互局域網(wǎng)
集成平臺(tái)端的控制軟件的工作流程為:
1)啟動(dòng)測(cè)試程序,程序?yàn)楦鳒y(cè)試模塊授時(shí)并啟動(dòng)各模塊開始測(cè)試準(zhǔn)備;
2)程序查詢并獲取各測(cè)試模塊的工作信息及工作狀態(tài)并記錄;
3)根據(jù)人機(jī)交互界面設(shè)置的測(cè)試工作需求及參數(shù),對(duì)各測(cè)試模塊進(jìn)行設(shè)置并啟動(dòng)測(cè)試;
4)集成平臺(tái)獲取各測(cè)試模塊數(shù)據(jù)。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù),啟動(dòng)Matlab程序,進(jìn)行控制器設(shè)計(jì);
5)將控制參數(shù)發(fā)送至快速原型機(jī),對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制;
6)集成平臺(tái)同步獲取各測(cè)試模塊的數(shù)據(jù),與Matlab的仿真結(jié)果對(duì)比,迭代修改控制參數(shù),獲取最優(yōu)控制參數(shù)。
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,對(duì)開發(fā)系統(tǒng)測(cè)試分為兩部分:首先利用集成平臺(tái)發(fā)送指令,通過快速模擬器中的控制評(píng)估卡生成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),由電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng),利用測(cè)功機(jī)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試并上傳至集成平臺(tái),從而獲得對(duì)集成平臺(tái)控制、快速原型機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)功機(jī)系統(tǒng)測(cè)試性能的評(píng)價(jià);其次利用旋變模擬器模擬旋轉(zhuǎn)變壓器發(fā)出正余弦信號(hào),利用旋變測(cè)試儀以及快速原型機(jī)的軸角解算卡進(jìn)行角度解算,并將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至集成平臺(tái)進(jìn)行分析,驗(yàn)證軸角模擬測(cè)試模塊、快速原型機(jī)的軸角解算卡的性能,以確保滿足遙感器光機(jī)掃描控制器的測(cè)試需求。
根據(jù)測(cè)試要求將測(cè)功機(jī)系統(tǒng)中的電力分析儀的電流及電壓測(cè)試管腳經(jīng)直流電機(jī)后,與電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡驅(qū)動(dòng)輸出端相連,將電機(jī)按要求與測(cè)功機(jī)聯(lián)軸器相連。由集成平臺(tái)授時(shí)并發(fā)出測(cè)試指令,并實(shí)時(shí)監(jiān)聽測(cè)功機(jī)數(shù)據(jù)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果如圖7所示。
圖7 測(cè)功機(jī)測(cè)試結(jié)果
根據(jù)測(cè)試可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出力矩與驅(qū)動(dòng)卡的輸出電流、功率、電壓等的數(shù)據(jù)曲線,根據(jù)該數(shù)據(jù)曲線可為掃描控制器控制算法的設(shè)計(jì)提供參考,并可實(shí)時(shí)評(píng)估控制算法的性能。
根據(jù)測(cè)試要求,由軸角模擬器模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào),分別與軸角測(cè)試儀以及快速原型機(jī)的軸角解算卡相連。通過系統(tǒng)集成平臺(tái)授時(shí)并控制兩者分別對(duì)軸角模擬信號(hào)進(jìn)行解算,通過集成平臺(tái)獲取解算結(jié)果,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行保存分析。如表所示為集成平臺(tái)獲取的特征軸角模擬下的解算結(jié)果。
表1 軸角解算結(jié)果對(duì)比
根據(jù)結(jié)果可以看出軸角測(cè)試儀的輸出誤差為0.000 5°,而軸角解算卡的輸出誤差為0.003°,由此可以獲得軸角解算卡解算精度的評(píng)價(jià),從而指導(dǎo)軸角解算卡AD2S82配置電路的調(diào)試,亦可用于旋轉(zhuǎn)變壓器的裝調(diào)參考。
文中針對(duì)目前常用遙感器光機(jī)掃描控制器的執(zhí)行、測(cè)角反饋部件,開發(fā)了一套高精度控制器測(cè)試系統(tǒng),用于對(duì)掃描系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速、功率等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量;對(duì)軸角傳感器進(jìn)行模擬測(cè)量。同時(shí)利用信息集成平臺(tái),在線獲取各環(huán)節(jié)測(cè)試信息,通過控制器快速原型機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),對(duì)掃描系統(tǒng)參數(shù)的快速測(cè)試及性能評(píng)估,實(shí)現(xiàn)了控制器的測(cè)量-開發(fā)閉環(huán),可用于遙感器光機(jī)掃描控制器的快速測(cè)試,從而提高了研制開發(fā)效率。
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