運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任 路，徐敬卿，姚曉嘉

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051;2.中國北方發(fā)動機(jī)研究所，山西大同037036)

目前，光電跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)成為火炮、飛機(jī)、導(dǎo)彈和艦艇的“眼睛和神經(jīng)”，其跟蹤精度直接決定了武器裝備的打擊準(zhǔn)確率。因此，對光電跟蹤系統(tǒng)的檢測就顯得尤為重要。但是，如果都采用真實(shí)目標(biāo)給武器提供測試信號，不僅要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，而且可能還會延長武器的研制周期，甚至在某些情況下是無法實(shí)現(xiàn)的。為此，現(xiàn)在普遍采用目標(biāo)模擬調(diào)試技術(shù)進(jìn)行光電跟蹤系統(tǒng)的檢測。

振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬技術(shù)是設(shè)計(jì)振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)的核心技術(shù)，它采用一種激光經(jīng)雙鏡面全反射投影方式，利用運(yùn)動光斑來模擬運(yùn)動目標(biāo)。本章主要介紹該運(yùn)動目標(biāo)模擬技術(shù)的理論，包括其物理基礎(chǔ)、原理和基于原理推導(dǎo)的模擬目標(biāo)運(yùn)動航路影射算法三部分。物理基礎(chǔ)部分是該運(yùn)動目標(biāo)模擬技術(shù)產(chǎn)生的物理?xiàng)l件，主要包括激光產(chǎn)生條件與特性、激光發(fā)生器概述和激光振鏡概述等。在介紹物理基礎(chǔ)的前提下，本章在第二小節(jié)重點(diǎn)就振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬掃描技術(shù)的原理、方式和誤差分析與校正進(jìn)行了詳細(xì)的論述。通過分析振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬技術(shù)原理可推導(dǎo)出投影軌跡光斑的坐標(biāo)方程，該坐標(biāo)方程不僅反映了投影軌跡光斑與振鏡偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系也間接反映了上位機(jī)航路軌跡坐標(biāo)與振鏡偏轉(zhuǎn)角之間的控制關(guān)系，進(jìn)而為推導(dǎo)目標(biāo)勻速等半徑運(yùn)動等三種航路軌跡映射算法奠定了基礎(chǔ)［1］。

模擬目標(biāo)能夠更好地再現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動方式和運(yùn)動狀態(tài)，就必須對模擬目標(biāo)的航路軌跡進(jìn)行研究規(guī)劃，這就涉及到航路映射算法的問題?，F(xiàn)實(shí)中運(yùn)動目標(biāo)的航路軌跡是復(fù)雜多樣的，常見的主要有勻速直線運(yùn)動、勻加速直線運(yùn)動、勻速圓弧運(yùn)動、勻速直線運(yùn)動基礎(chǔ)上的隨機(jī)加速度運(yùn)動和轉(zhuǎn)彎俯沖飛行等。在課題研究中重點(diǎn)對運(yùn)動目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動、勻速斜線運(yùn)動和勻速等半徑運(yùn)動進(jìn)行了模擬，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)檢測光電跟蹤系統(tǒng)的目的。在模擬系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了能更精確地控制模擬目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，準(zhǔn)確獲取模擬目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息，就需要詳細(xì)分析航路軌跡中運(yùn)動目標(biāo)速度、振鏡偏轉(zhuǎn)角度和振鏡勻角速度三者之間的映射關(guān)系，此外還有振鏡偏轉(zhuǎn)角度與運(yùn)動目標(biāo)位置坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系。

在推導(dǎo)模擬運(yùn)動目標(biāo)的三種航路軌跡映射算法之前，需要首先介紹一下PC上位機(jī)人機(jī)交互程序界面下的坐標(biāo)系與投影平面幕的坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。在這里，記xoy坐標(biāo)系和XOY坐標(biāo)系分別為投影屏幕下和PC上位機(jī)人機(jī)交互程序界面下的坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化示意圖

設(shè)X，Y軸的坐標(biāo)最大值分別為Xmax，Ymax，二者在xoy坐標(biāo)系下對應(yīng)的坐標(biāo)分別為(xmax，0)，(0，ymax)，XOY坐標(biāo)原點(diǎn)O在xoy坐標(biāo)系下的對應(yīng)坐標(biāo)為o(xo，yo)，則xoy坐標(biāo)系下的任意一點(diǎn)M(x，y)轉(zhuǎn)換為XOY坐標(biāo)系下的對應(yīng)點(diǎn)(X，Y)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)，控制系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和投影屏幕四部分構(gòu)成。PC上位機(jī)選用工控計(jì)算機(jī)，上面運(yùn)行有上位機(jī)軟件，主要是用于參數(shù)輸入與命令設(shè)置的人機(jī)交互程序和用于生成模擬目標(biāo)航路軌跡的軌跡規(guī)劃程序;控制系統(tǒng)作為連接PC上位機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的橋梁，是整個(gè)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。控制系統(tǒng)主要接收PC上位機(jī)發(fā)送過來的控制指令、航路軌跡信號并對信號做相應(yīng)的處理(命令執(zhí)行、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)提取分離、數(shù)模轉(zhuǎn)換和CAN傳送等);執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的激光發(fā)生器用來輸出一定功率，特定激光波長的激光束;激光振鏡系統(tǒng)內(nèi)含有兩個(gè)正交設(shè)置的振鏡單元X和Y，兩個(gè)鏡片分別負(fù)責(zé)X方向和Y方向的掃描。投影屏幕是用來顯示模擬目標(biāo)的鉛錘平面幕。模擬系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)圖

系統(tǒng)上電運(yùn)行，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢、初始化，初始化完畢后自動進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員可通過PC上位機(jī)軟件的人機(jī)交互程序界面設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)置軌跡屬性、輸入已知運(yùn)動目標(biāo)航路軌跡關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)在人機(jī)交互程序界面的顯示窗口生成運(yùn)動目標(biāo)航路軌跡曲線，同時(shí)每隔20 ms將采樣得到的軌跡曲線坐標(biāo)(x，y)和對應(yīng)的光功率信息等數(shù)據(jù)通過USB發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將收到的信息存儲到存儲器中，待信息全部傳輸完畢后，控制中心的處理器提取存儲器中的(x，y)坐標(biāo)信息和光功率信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)分離，分離出的x，y值通過X，Y振鏡控制電路進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換得到模擬電壓控制信號，該電壓控制信號傳送給振鏡驅(qū)動電路，分別驅(qū)動X振鏡和Y振鏡的偏轉(zhuǎn)，同時(shí)分離出的光功率控制信息處理后傳送給光功率控制電路，而后其控制激光器生成一束一定功率和特定波長的激光束，生成的入射激光經(jīng)過振鏡的偏轉(zhuǎn)，在X、Y兩個(gè)方向進(jìn)行掃描合成，在投影屏幕上投射出模擬運(yùn)動目標(biāo)的光斑軌跡?？刂浦行拿扛?0 ms也會通過CAN總線將(x，y)坐標(biāo)信息發(fā)送給光電跟蹤系統(tǒng)的精度解算計(jì)算機(jī)解算跟蹤精度。在上位機(jī)界面中也可以發(fā)送一些控制命令，包括激光發(fā)生器的開啟與關(guān)閉命令等，控制系統(tǒng)接收到控制命令后，控制相關(guān)功能單元執(zhí)行操作［2］。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分PC上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件和USB通信程序三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是用于參數(shù)輸入與命令設(shè)置的人機(jī)交互程序和用于生成模擬目標(biāo)航路軌跡的軌跡規(guī)劃程序的設(shè)計(jì);下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、初始化程序、存儲程序、軌跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序、振鏡控制程序、光功率控制程序和CAN通信程序的設(shè)計(jì)。USB通信程序完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。

2.1 人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)

人機(jī)交互程序是振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)上位機(jī)軟件的重要組成部分，它提供了用戶與上位機(jī)互動的窗口。用戶可以通過上位機(jī)界面發(fā)出控制命令、設(shè)置航路軌跡生成參數(shù)或輸入航路軌跡關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)生成航路軌跡，也可設(shè)置文本和數(shù)據(jù)輸出屬性等。在WINDOWS平臺下實(shí)現(xiàn)上位機(jī)編程常用Visual C++、Visual C#和LabVIEW等上位機(jī)開發(fā)程序，在本系統(tǒng)中開發(fā)上位機(jī)程序正是選用了支持面向?qū)ο蟮母呒壘幊陶Z言VC++的Microsoft VC++6.0開發(fā)環(huán)境［3］。上位機(jī)主界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件界面

2.2 USB通信程序設(shè)計(jì)

USB通信程序在系統(tǒng)軟件中主要作為上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件的連接媒介，完成上位機(jī)向下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

USB通信程序的設(shè)計(jì)主要有三部分:USB固件程序設(shè)計(jì)、USB驅(qū)動程序設(shè)計(jì)、USB上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下面簡要介紹各部分開發(fā)流程和實(shí)現(xiàn)的功能。

(1)USB固件編程

在USB接口設(shè)計(jì)中，USB固件編程是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的核心。USB固件程序用于完成USB設(shè)備的識別、重列舉、設(shè)備請求、USB協(xié)議處理、外部硬件的功能、負(fù)責(zé)與USB主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信等。本軟件系統(tǒng)中USB固件編程是在Windows平臺下的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境ARM ADS1.2中完成的。

(2)USB驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

USB驅(qū)動程序是連接USB主機(jī)程序和USB固件程序的橋梁。USB主機(jī)通過相應(yīng)的驅(qū)動程序來控制外部USB設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。在WINDOWS平臺下，目前開發(fā)驅(qū)動程序有3種方式:使用 Microsoft的 DDK工具，使用KRFTech公司的WinDriver工具和使用Compuware公司的DriverStudio工具。使用Microsoft的DDK開發(fā)驅(qū)動程序，比較復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。而WinDriver和DriverStudio是簡化驅(qū)動程序開發(fā)的開發(fā)工具的出色代表，Win-Driver軟件比較簡單，可以快速創(chuàng)建驅(qū)動程序，但是對驅(qū)動程序的刻畫不夠細(xì)致。DriverStudio軟件可以高效、細(xì)致地刻畫驅(qū)動程序的每一個(gè)細(xì)節(jié)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在本軟件系統(tǒng)中USB驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的就是在WINDOWS平臺下采用DriverStudio的DriverWork完成的。

(3)USB上位機(jī)程序

在USB設(shè)備開發(fā)中，上位機(jī)程序是設(shè)備與用戶的接口。上位機(jī)程序通過USB接口設(shè)備驅(qū)動程序和外部的USB硬件進(jìn)行通信，USB固件程序執(zhí)行所用的操作。在編寫上位機(jī)程序的時(shí)候，只需調(diào)用相應(yīng)的Windows API函數(shù)向驅(qū)動程序提交各種申請，就能由驅(qū)動程序來完成相應(yīng)的讀、寫數(shù)據(jù)等各種功能。主機(jī)端的應(yīng)用程序負(fù)責(zé)向USB的FIFO緩存器發(fā)送大量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)在Visual C++6.0環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)。

3 結(jié)論與展望

振鏡式激光掃描運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)是為檢測地面機(jī)動防空武器的光電跟蹤系統(tǒng)提供可跟蹤模擬目標(biāo)，且該模擬目標(biāo)是二維平面內(nèi)的一個(gè)具有真實(shí)目標(biāo)紅外特性和可見光特性的模擬運(yùn)動目標(biāo)。

［1］寧國勤.激光打標(biāo)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.碩士學(xué)位論文.武漢:華中師范大學(xué)，2002.

［2］戴詠欣.目標(biāo)模擬運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)問題［D］.西安電子科技大學(xué)研究生碩士學(xué)位論文，2005.

［3］于方德，苑偉.空中目標(biāo)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，2008，27(1):1 －2.