基于LabWindows/CVI的激光跟蹤測量系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)*

王亞偉 ，周維虎 ， 王中宇 ，丁 蕾

（1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191；2.中國科學(xué)院 光電研究院，北京100094）

自主研制的激光跟蹤測量系統(tǒng)通過激光測距和精密測角實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的坐標(biāo)測量。作為一個(gè)精密測角測距儀器，激光跟蹤測量系統(tǒng)在出廠之前需要進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)，以獲得儀器內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、伺服系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并對儀器測量精度進(jìn)行評估。為了使儀器校準(zhǔn)過程簡捷有效，開發(fā)通用型的校準(zhǔn)軟件很有必要。LabWindows/CVI是由美國NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開發(fā)工具，為熟悉C語言的技術(shù)開發(fā)人員在測控領(lǐng)域建立計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)-虛擬儀器，提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。該軟件的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，涵蓋了軍工、電訊、工業(yè)生產(chǎn)和航天等各種行業(yè)[1-2]。本文應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，為自主研制的激光跟蹤測量系統(tǒng)開發(fā)了基于LabWindows/CVI的校準(zhǔn)軟件。

1 系統(tǒng)組成與校準(zhǔn)內(nèi)容

激光跟蹤測量系統(tǒng)的硬件主要包括跟蹤測量單元（包括跟蹤頭、支架等）、電控單元（包括電控箱、環(huán)境傳感器等）、主控計(jì)算機(jī)和測量附件（包括角反射器、標(biāo)準(zhǔn)桿、磁性基座等），如圖1所示。其中，跟蹤頭是激光跟蹤測量系統(tǒng)的核心單元，其集激光測距儀（干涉測距與絕對測距）和光電經(jīng)緯儀于一體，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)測距、測角和跟蹤功能。激光跟蹤測量系統(tǒng)校準(zhǔn)的目的是對影響系統(tǒng)測距、測角精度的誤差項(xiàng)進(jìn)行辨識，以便進(jìn)行軟件修正。按照系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)周期內(nèi)變化程度大小可將分為實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和現(xiàn)場自校準(zhǔn)。其中實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)主要是對IFM激光器、大氣參數(shù)傳感裝置、測角光柵碼盤進(jìn)行校準(zhǔn)；現(xiàn)場自校準(zhǔn)主要是對Home基準(zhǔn)距離、幾何誤差、ADM測距進(jìn)行校準(zhǔn)。由于上述某些校準(zhǔn)項(xiàng)目對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高，故校準(zhǔn)軟件中只涉及Home基準(zhǔn)距離、幾何誤差、ADM測距、測角光柵碼盤等項(xiàng)目的校準(zhǔn)，另測角精度檢查和系統(tǒng)精度檢測 （Bundle test）也將一并放入校準(zhǔn)軟件。

2 校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)

2.1 校準(zhǔn)軟件整體設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)軟件與激光跟蹤測量系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP連接。軟件運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行設(shè)備連接，之后進(jìn)行校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇，校準(zhǔn)子界面彈出后，按照提示進(jìn)行操作，校準(zhǔn)完成后退回主界面進(jìn)行參數(shù)文件生成與發(fā)送，成功后退出主界面，從而完成用戶自校準(zhǔn)。校準(zhǔn)軟件的操作流程如圖2所示。

2.2 校準(zhǔn)軟件模塊化設(shè)計(jì)

2.2.1 主界面設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)主界面設(shè)計(jì)以簡潔實(shí)用為原則，主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備連通、校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇、參數(shù)文件生成、連接狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)顯示，如圖3所示。在未實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接時(shí)，主界面上除了連接和退出按鈕，其他按鈕是鎖定的，只有點(diǎn)擊了連接按鈕并且電控箱和客戶機(jī)的狀態(tài)燈變成綠色時(shí)，其他按鈕可用。測量系統(tǒng)有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，數(shù)據(jù)顯示區(qū)的方位角、俯仰角和距離顯示將同步變化。點(diǎn)擊某個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目按鈕時(shí)，將彈出校準(zhǔn)項(xiàng)目子界面，用戶只需按照子界面上的提示進(jìn)行操作即可，整個(gè)過程中其他校準(zhǔn)項(xiàng)目按鈕將鎖定直到用戶退出當(dāng)前校準(zhǔn)項(xiàng)目。

圖2 校準(zhǔn)軟件操作流程

(1)TCP/IP連接

校準(zhǔn)軟件與設(shè)備之間的通信是通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。LabWindow/CVI提供有用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備間TCP/IP通信的函數(shù)，按照服務(wù)對象不同，大致可以分為三類：服務(wù)器函數(shù)、客戶函數(shù)和支持函數(shù)[3]。校準(zhǔn)軟件在激光跟蹤測量系統(tǒng)中扮演的是客戶端的角色，它不但要接收來自跟蹤測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理單元（服務(wù)器端）發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行響應(yīng)，向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。TCP/IP連接按鈕完成的功能是啟動連接程序后，根據(jù)設(shè)定好的服務(wù)器端口號和IP地址進(jìn)行連接，接收服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)并解算顯示。連接成功后，電控箱和客戶機(jī)指示燈會變成綠色，如果服務(wù)器端有數(shù)據(jù)，則方位、俯仰、距離值將不間斷的刷新顯示，刷新頻率≤1 000 Hz。TCP/IP校準(zhǔn)軟件（客戶機(jī)）與數(shù)據(jù)采集處理單元（服務(wù)器）的連接過程如圖4所示。

(2)校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇

圖4 客戶機(jī)與數(shù)據(jù)采集處理單元連接過程

校準(zhǔn)軟件有6個(gè)項(xiàng)目,分別是ADM測距校準(zhǔn)、HOME距離校準(zhǔn)、測角誤差檢查、GEC幾何誤差校準(zhǔn)、測角碼盤校準(zhǔn)和Bundle test系統(tǒng)精度檢測。校準(zhǔn)項(xiàng)目按鈕之間是互鎖關(guān)系，即點(diǎn)擊任何一個(gè)按鈕，其他項(xiàng)目按鈕將處于不可用狀態(tài)直到退出當(dāng)前校準(zhǔn)項(xiàng)目。

(3)參數(shù)文件生成

在執(zhí)行某些校準(zhǔn)項(xiàng)目后，點(diǎn)擊參數(shù)文件生成按鈕會進(jìn)入新參數(shù)文件生成流程：載入原始參數(shù)文件-根據(jù)校準(zhǔn)項(xiàng)目的執(zhí)行情況計(jì)算相應(yīng)校準(zhǔn)參數(shù)-生成新的參數(shù)文件-發(fā)送新的參數(shù)文件至數(shù)據(jù)采集處理單元-保存原始測量數(shù)據(jù)-退出參數(shù)文件生成程序。

2.2.2 校準(zhǔn)項(xiàng)目子界面設(shè)計(jì)

由于校準(zhǔn)項(xiàng)目較多，僅以ADM測距校準(zhǔn)為例說明子界面的設(shè)計(jì)。在用戶測量現(xiàn)場，激光跟蹤測量系統(tǒng)啟動后，將靶標(biāo)放置在合適位置，觀察ADM與IFM測距值，如果兩者相差較多且變化不穩(wěn)定，則需進(jìn)行ADM測距校準(zhǔn)。采用的方法是與激光跟蹤測量系統(tǒng)自帶的IFM測距進(jìn)行比對，使用三次樣條函數(shù)進(jìn)行誤差曲線擬合。為保證測量精度，要求測量點(diǎn)數(shù)不低于6點(diǎn)，全長最多36點(diǎn)，測量點(diǎn)間隔以1 m為宜。當(dāng)角度、距離數(shù)據(jù)符合設(shè)定測量點(diǎn)要求時(shí)，測量數(shù)據(jù)變成綠色，提示操作人員該點(diǎn)可以采集，點(diǎn)擊采集按鈕，當(dāng)前數(shù)據(jù)被保存并彈出下一步的操作提示。圖5是ADM測距校準(zhǔn)子界面和彈出操作提示，其他校準(zhǔn)項(xiàng)目子界面設(shè)計(jì)與ADM校準(zhǔn)子界面相似。

2.2.3 校準(zhǔn)軟件參數(shù)文件設(shè)計(jì)

參數(shù)文件是激光跟蹤測量系統(tǒng)中用來保存伺服控制參數(shù)、誤差修正與校準(zhǔn)參數(shù)和其他重要參數(shù)（如激光器校準(zhǔn)波長等）的文件。系統(tǒng)在出廠前會給出一個(gè)默認(rèn)的參數(shù)文件，用于誤差修正。在系統(tǒng)使用過程中，為了保證系統(tǒng)在現(xiàn)場工作時(shí)適應(yīng)環(huán)境的穩(wěn)定性和可靠性，參數(shù)文件中的某些數(shù)據(jù)允許用戶根據(jù)需要通過校準(zhǔn)軟件進(jìn)行校準(zhǔn)后刷新。參數(shù)文件按照內(nèi)容分為三部分：參數(shù)區(qū)、參數(shù)說明區(qū)和校準(zhǔn)歷史記錄區(qū)。用戶進(jìn)行校準(zhǔn)后，參數(shù)文件被改動的部分是參數(shù)區(qū)和校準(zhǔn)歷史區(qū)。參數(shù)文件的保存格式為文本文件（*.txt）。圖6為參數(shù)文件示意圖。

3 校準(zhǔn)軟件聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)

在現(xiàn)有激光跟蹤測量系統(tǒng)已研制設(shè)備的基礎(chǔ)上，開展校準(zhǔn)軟件和數(shù)據(jù)采集處理單元的聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)。所需設(shè)備有：計(jì)算機(jī)兩臺，數(shù)據(jù)采集與處理單元和連接線若干，其中一臺作為上位機(jī)（校準(zhǔn)軟件），通過網(wǎng)線和數(shù)據(jù)采集與處理單元連接，另外一臺作為數(shù)據(jù)采集與處理單元的程序刷新設(shè)備。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為數(shù)據(jù)連通實(shí)驗(yàn)，指令傳輸實(shí)驗(yàn)和參數(shù)文件刷新實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)連通實(shí)驗(yàn)是指設(shè)備間的TCP/IP連通和測量數(shù)據(jù)解算顯示實(shí)驗(yàn)；指令傳輸實(shí)驗(yàn)是指校準(zhǔn)軟件中的控制指令傳輸與執(zhí)行成功回傳實(shí)驗(yàn)；參數(shù)文件刷新實(shí)驗(yàn)是指校準(zhǔn)軟件對數(shù)據(jù)采集與處理單元參數(shù)文件區(qū)的刷新操作實(shí)驗(yàn)。

設(shè)備連通后，電控箱和客戶機(jī)狀態(tài)燈變成綠色，校準(zhǔn)軟件主界面上除了連接按鈕不可用外，其他按鈕均可進(jìn)行操作，如圖7所示。當(dāng)選擇其中某一項(xiàng)校準(zhǔn)項(xiàng)目后，彈出該項(xiàng)目的操作子界面，此時(shí)主界面上其他按鈕不可用 （退出按鈕除外），直到退出當(dāng)前子界面，如圖8所示。用戶執(zhí)行所需要的校準(zhǔn)項(xiàng)目后，即可點(diǎn)擊參數(shù)文件生成按鈕進(jìn)行新參數(shù)文件的生成、存儲和發(fā)送。圖9為點(diǎn)擊參數(shù)文件生成后軟件操作過程。

針對自主研制激光跟蹤測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)了基于LabWindows/CVI的面向測量用戶的校準(zhǔn)軟件。測量用戶在激光跟蹤測量系統(tǒng)啟動后，通過校準(zhǔn)軟件自動檢查測距測角誤差，以確定是否需要進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的校準(zhǔn)。本軟件以人性化的設(shè)計(jì)為原則，在校準(zhǔn)過程中自動指導(dǎo)用戶完成相應(yīng)項(xiàng)目的校準(zhǔn)，并可對原始測量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行顯示、存儲等操作，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)校準(zhǔn)過程的自動化和虛擬化。

[1]張毅剛,喬立巖.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]王浩,齊建宇.基于Labwindows/CVI的捷聯(lián)慣導(dǎo)測試軟件設(shè)計(jì)[J].航天控制,2011,29(2):56-60.

[3]王建新,楊世鳳,隋美麗.LabWindows/CVI測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2006.