基于EtherCAT的導(dǎo)彈發(fā)射車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李曉松,朱新勃,蔡艷芳

(1 西安電子工程研究所, 西安 710100； 2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

導(dǎo)彈發(fā)射車(以下簡稱發(fā)射車)控制系統(tǒng)的功能包括控制發(fā)射車調(diào)平、控制發(fā)射架起豎、控制定位定向系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)射車定位定向信息、產(chǎn)生發(fā)射車時(shí)間基準(zhǔn)、控制伺服系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)、和武器系統(tǒng)指揮車交互數(shù)據(jù)、控制導(dǎo)彈系統(tǒng)和發(fā)射車安全聯(lián)鎖管理。以往的發(fā)射車控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)上述功能需要不同種類和數(shù)量計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),計(jì)算機(jī)間通過現(xiàn)場總線交互數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)發(fā)射車控制系統(tǒng)的功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,文中基于EtherCAT(ethernet for control automation technology,一種基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場總線通信協(xié)議和國際標(biāo)準(zhǔn))將電液控制技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、火力控制技術(shù)、分布式控制技術(shù)和健康管理技術(shù)融為一體,設(shè)計(jì)了一種發(fā)射車控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)發(fā)射車控制系統(tǒng)功能。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 車體調(diào)平及發(fā)射架起豎控制

導(dǎo)彈發(fā)射車工作時(shí)需要對車體進(jìn)行調(diào)平,對發(fā)射架俯仰進(jìn)行架設(shè)。調(diào)平支撐腿按照驅(qū)動方式分成機(jī)電式和電液式兩種。機(jī)電式的調(diào)平支撐腿雖然有不同的結(jié)構(gòu)形式(渦輪蝸桿、T形絲杠和雙向超越離合器),但針對控制系統(tǒng)來說均為通過控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動絲杠做直線運(yùn)動。電液式的調(diào)平支撐腿也有不同的結(jié)構(gòu)形式(液壓缸和馬達(dá)),但針對控制系統(tǒng)來說均為通過控制閥控液壓缸或者閥控馬達(dá)驅(qū)動絲杠做直線運(yùn)動?？刂葡到y(tǒng)通過傾角傳感器測量車體姿態(tài)閉環(huán),通過控制支撐腿運(yùn)動完成車體調(diào)平。車體調(diào)平的過程分成2個階段。第一個階段是支撐腿落地的檢測,機(jī)電式控制系統(tǒng)通過電機(jī)電流的大小來判斷,電液式控制系統(tǒng)通過壓力傳感器的大小來判斷。落地檢測的判斷方式,電液式控制系統(tǒng)每次調(diào)平都需要上升一段距離才能有效的判斷支判斷支撐腿是否落地的條件撐腿是否落地,而機(jī)電式控制系統(tǒng)通過電機(jī)電流的方式判斷支撐腿是否落地的條件更簡單,并且不受環(huán)境溫度的影響。在確認(rèn)沒有虛腿的前提下,進(jìn)入調(diào)平過程的第二個階段(車體調(diào)平),采用最高點(diǎn)不動,其它3點(diǎn)向最高點(diǎn)看齊的調(diào)平方法,整個過程分成粗調(diào)和精調(diào)兩個步驟,粗調(diào)過程中,其它3點(diǎn)動態(tài)同時(shí)調(diào)整,以最大速度將車體傾角調(diào)至20′以內(nèi)。精調(diào)過程中,為了減少調(diào)平過程中的耦合(傾角傳感器安裝面無法保證與4個支撐腿的支撐面絕對平行),先調(diào)整縱搖角(同時(shí)升縱搖角低的兩個支撐腿),后調(diào)整橫滾角(同時(shí)升橫滾角低的兩個支撐腿),調(diào)整速度隨車體傾角線性變化,將車體傾角調(diào)至2′以內(nèi)。最后,根據(jù)傾角傳感器的數(shù)據(jù),計(jì)算出支撐點(diǎn)最低的支撐腿,調(diào)節(jié)支撐點(diǎn)最低的支撐腿,使橫滾角和縱搖角逼近目標(biāo)值(系統(tǒng)要求的調(diào)平精度)。

發(fā)射架起豎的電動缸按照驅(qū)動方式分成機(jī)電式和電液式兩種。針對控制系統(tǒng)來說均為通過控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動絲杠或者通過控制閥驅(qū)動液壓缸做直線運(yùn)動?？刂葡到y(tǒng)通過角度測量裝置(旋轉(zhuǎn)變壓器或者編碼器)測量的發(fā)射架起豎角度閉環(huán),控制支撐腿運(yùn)動完成發(fā)射架起豎。發(fā)射架起豎一般情況下都是通過2個電動缸同步運(yùn)動完成發(fā)射架起豎,電液式電動缸通過機(jī)構(gòu)本身的剛性保證同步,相對于機(jī)電式電動缸來說,具有安裝空間小和安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。如果發(fā)射架需要旋轉(zhuǎn)的話,需要選擇兩通道油路旋轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)液壓油的過環(huán)。

無論是機(jī)電式或者電液式的發(fā)射車調(diào)平和發(fā)射架起豎系統(tǒng),控制系統(tǒng)都是通過采集傳感器數(shù)據(jù)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成車體調(diào)平和發(fā)射架起豎。數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般都是通過現(xiàn)場總線完成。例如：通過現(xiàn)場總線直接采集傾角傳感器和編碼器數(shù)據(jù),通過現(xiàn)場總線控制閥或者驅(qū)動器(驅(qū)動器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速)完成電動缸的升縮。為了更安全、可靠、簡單的構(gòu)建控制系統(tǒng),綜合對比CAN、PROFIBUS、DEVICENET和RS422等實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)總線,認(rèn)為通過CAN總線完成傳感器數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以滿足GB/T 3187—1994可靠性的定義(指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力)。就 CAN 總線而言,這里的“產(chǎn)品”是指完成CAN總線通信所需的軟、硬件。CAN 總線是 controller area network(控制器局域網(wǎng))的簡稱,是20世紀(jì)80 年代由德國 Bosch 公司開發(fā)的有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò),已得到 ISO、IEC 等眾多標(biāo)準(zhǔn)組織的認(rèn)可[1-6],成為一個開放、免費(fèi)、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的協(xié)議,因而在工業(yè)控制、汽車電子、電力系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、工程車輛、船舶設(shè)備、樓宇自動化等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[7]。

基于CAN總線構(gòu)建發(fā)射車調(diào)平和發(fā)射架起豎的電液式控制系統(tǒng)具有設(shè)備少、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射車控制系統(tǒng)配備CAN接口模塊、開關(guān)量輸入輸出(DI /DO)接口模塊和模擬量輸入(AI)接口模塊,在多任務(wù)的軟件系統(tǒng)上運(yùn)行一個發(fā)射車架設(shè)/撤收的任務(wù)就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射車調(diào)平和發(fā)射架起豎的控制功能。

1.2 時(shí)間控制

武器系統(tǒng)工作時(shí),所有裝備必須統(tǒng)一在一個時(shí)間軸上。發(fā)射車控制系統(tǒng)利用衛(wèi)星授時(shí)(GPS或者北斗)信息或指令接收系統(tǒng)接收到的時(shí)間同步脈沖,校準(zhǔn)本地時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步?；贓therCAT的分布時(shí)鐘(distributed clock,DC)產(chǎn)生導(dǎo)彈發(fā)射車的絕對時(shí)間。

分布時(shí)鐘是用于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中使用EtherCAT通信的設(shè)備都使用相同的系統(tǒng)時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)各個控制設(shè)備之間任務(wù)的同步執(zhí)行。EtherCAT從站設(shè)備可以采用分布時(shí)鐘產(chǎn)生同步信號、觸發(fā)輸入輸出信號或中斷控制信號等。在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中,一般以靠近主站的第一個從站節(jié)點(diǎn)作為參考時(shí)鐘,該參考時(shí)鐘采用IEEE 1588協(xié)議,并由該參考時(shí)鐘對網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備和主站的從時(shí)鐘進(jìn)行同步。EtherCAT時(shí)鐘從2000-01-01零時(shí)開始,采用64位定時(shí)器,定時(shí)單位為ns,最大計(jì)時(shí)時(shí)間為500 a。在EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)對分布時(shí)鐘的支持情況,可以將從站分為3類：第一類為完全支持分布時(shí)鐘；第二類為只支持傳輸延時(shí)測量；第三類為從站不支持分布式時(shí)鐘。發(fā)射車控制系統(tǒng)的時(shí)間控制模塊為第一類,模塊能提供本地時(shí)鐘,基于EtherCAT總線的XFC(extreme fast control technology)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速的信號采集和精確時(shí)間的輸出響應(yīng)[8-11]。

發(fā)射車控制系統(tǒng)的時(shí)間控制模塊通道時(shí)間戳精度為10 ns+輸入延遲,模塊分布式時(shí)鐘的精度<100 ns。2個通道分別接收指令收發(fā)系統(tǒng)的秒脈沖和車彈同步脈沖信號。正常情況(GPS或者北斗工作正常)下,時(shí)間控制模塊在接收到秒脈沖后,記錄分布式時(shí)鐘的時(shí)間和衛(wèi)星時(shí)間,比較連續(xù)記錄的10個周期的分布式時(shí)鐘的時(shí)間差,均正常的情況下,取第5個周期的分布式時(shí)鐘和衛(wèi)星的時(shí)間差作為分布式時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為發(fā)射車絕對時(shí)間的差值,從而產(chǎn)生發(fā)射車絕對時(shí)間。當(dāng)武器系統(tǒng)指定用內(nèi)部定時(shí)(GPS或者北斗無法正常工作),時(shí)間控制模塊記錄第一個秒脈沖的分布式時(shí)鐘的時(shí)間,以此時(shí)間作為內(nèi)部定時(shí)的發(fā)射車絕對時(shí)間的零時(shí)刻。

導(dǎo)彈發(fā)射車時(shí)間對準(zhǔn)系統(tǒng)用硬件計(jì)數(shù)器對同步秒脈沖信號進(jìn)行計(jì)時(shí),組合絕對時(shí)間數(shù)據(jù)和硬件計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)可得到當(dāng)前精確時(shí)間,實(shí)現(xiàn)與武器系統(tǒng)之間的時(shí)間同步,精度可達(dá)到ms級。時(shí)間同步不依賴衛(wèi)星、自成體系、自主性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng),不存在衛(wèi)星系統(tǒng)被威脅帶來的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 定位定向控制

發(fā)射車控制系統(tǒng)控制GPS、慣導(dǎo)和碼盤產(chǎn)生發(fā)射車的定位數(shù)據(jù)和發(fā)射架的航向數(shù)據(jù)。正常情況(GPS或者北斗、慣導(dǎo)和碼盤工作正常)下,產(chǎn)生定位定向數(shù)據(jù)的流程如下所示：

a)通過串口通訊模塊讀取GPS產(chǎn)生的定位信息；

b)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)形成尋北指令；

c)通過串口通訊模塊向慣導(dǎo)發(fā)送尋北指令；

d)接收慣導(dǎo)定位定向數(shù)據(jù),形成發(fā)射車定位和發(fā)射架定向數(shù)據(jù)；

e)在行軍位置讀取碼盤位置和慣導(dǎo)位置；

f)發(fā)射架豎起后,利用行軍位置讀取的碼盤位置和慣導(dǎo)數(shù)據(jù),利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形成發(fā)射架的航向。

異常情況(GPS、慣導(dǎo)和碼盤工作不正常)下,定位定向控制系統(tǒng)結(jié)合HMI(人機(jī)接口)設(shè)備,利用人工輔助的方法產(chǎn)生發(fā)射車定位和發(fā)射架航向數(shù)據(jù)。避免由于單一設(shè)備的損壞,導(dǎo)致發(fā)射車無法工作。圖1給出了發(fā)射車控制系統(tǒng)處理發(fā)射車定位數(shù)據(jù)和發(fā)射架航向數(shù)據(jù)的流程圖。

圖1 定位定向控制流程圖

通過將慣導(dǎo)安裝到發(fā)射架,結(jié)合慣導(dǎo)和角度編碼器測量數(shù)據(jù)(角度測量頻率提高到500 Hz,慣導(dǎo)測量頻率一般為100 Hz)解算四元數(shù)的方法,發(fā)射車控制系統(tǒng)解決了慣導(dǎo)固有時(shí)漂特性和測量延時(shí)等因素影響航向測量精度的問題,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈在動態(tài)旋轉(zhuǎn)基座下的快速對準(zhǔn),保證了導(dǎo)彈對準(zhǔn)精度。

1.4 伺服系統(tǒng)控制

發(fā)射車控制系統(tǒng)接收到分配的火力通道中的目標(biāo)數(shù)據(jù)后,對數(shù)據(jù)做如下處理：坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)外推、通過α-β濾波后預(yù)測出目標(biāo)當(dāng)前方位角,與編碼控制板采集到的當(dāng)前發(fā)射架方位角度比較,調(diào)用PID控制算法,通過模擬量輸出給方位驅(qū)動器,控制方位電機(jī)旋轉(zhuǎn),從而控制發(fā)射架旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置,并實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)位置跟蹤,其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射架伺服控制原理框圖

1.5 導(dǎo)彈控制

發(fā)射車控制系統(tǒng)在完成發(fā)射車架設(shè)、時(shí)間同步、導(dǎo)彈時(shí)序同步、空間對準(zhǔn)、跟蹤目標(biāo)后,通過現(xiàn)場總線向發(fā)控箱發(fā)送控制指令和飛行任務(wù)信息,發(fā)控箱通過與導(dǎo)彈的通訊接口將控制指令和飛行任務(wù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給導(dǎo)彈。飛行任務(wù)信息主要包括目標(biāo)位置(由于通訊周期的差異,給發(fā)控箱裝訂的目標(biāo)的位置需要結(jié)合速度信息在3個方向上做線性外推)和速度、目標(biāo)種類、發(fā)射車位置等有關(guān)信息。發(fā)射車控制系統(tǒng)配備與發(fā)控箱通訊的現(xiàn)場總線接口就可以實(shí)現(xiàn)控制導(dǎo)彈系統(tǒng)的控制功能。

2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 EtherCAT簡介

EtherCAT是由德國BECKHOFF自動化公司于2003年提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。它具有數(shù)據(jù)率高、速度快、同步性能好(各從站節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以達(dá)到小于1 μs的時(shí)鐘同步精度)的特點(diǎn),支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EtherCAT支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：線形、樹形或星形結(jié)構(gòu),拓?fù)浣橘|(zhì)有100Base-TX標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜或光纜[8]。

2.2 系統(tǒng)組成及介紹

對于傾斜發(fā)射、需要車體調(diào)平和發(fā)射架起豎、需要發(fā)射架跟蹤目標(biāo)的發(fā)射車來說,使用快速以太網(wǎng)全雙工通信技術(shù)構(gòu)成主從式的環(huán)形(線路冗余)結(jié)構(gòu)的發(fā)射車控制系統(tǒng),可以將以往多個計(jì)算機(jī)構(gòu)成的發(fā)射車控制系統(tǒng)功能統(tǒng)一在一個基于EtherCAT的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn),圖3為一個基于EtherCAT的發(fā)射車控制系統(tǒng)。

圖3 發(fā)射車控制系統(tǒng)接口圖

計(jì)算機(jī)分成2個部分：主站和從站,主站和從站之間通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)線纜冗余。主站一般放置于車體機(jī)柜內(nèi),主站由CPU模塊和不同種類(串口通信、開關(guān)量(PNP,NPN)、CAN通信)的EtherCAT模塊組成。由于發(fā)射架上的工作環(huán)境相對于主站更惡劣,同時(shí)為了便于項(xiàng)目開發(fā)中的功能擴(kuò)展,從站主要由不同種類(串口通信、開關(guān)量(PNP,NPN)、模擬量輸出)的EtherCAT Box功能模塊組成,開關(guān)量輸入模塊帶時(shí)間戳功能,實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

圖4 控制系統(tǒng)實(shí)物

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.1 車體調(diào)平控制數(shù)據(jù)

圖5為發(fā)射車電液調(diào)平控制中車體傾角進(jìn)入精調(diào)階段后車體的傾角變化數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)可以看出,通過最高點(diǎn)不動,其它3點(diǎn)向最高點(diǎn)看齊的調(diào)平方法,在精調(diào)階段,通過先調(diào)整縱搖角(車體前后,藍(lán)色),再調(diào)整橫滾角(車體左右,紅色),可以有效的避免調(diào)整過程中互相耦合,快速完成車體調(diào)平。

圖5 電液調(diào)平過程傾角變化圖

2.3.2 定向精度數(shù)據(jù)

發(fā)射架靜止,記錄慣導(dǎo)輸出的航向角和利用碼盤做坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的發(fā)射架航向角(8 h,間隔20 min),圖6為慣導(dǎo)數(shù)據(jù)(藍(lán)色)和碼盤經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的發(fā)射架航向角(紅色),慣導(dǎo)時(shí)漂造成的誤差最大達(dá)到0.028°,對于車體調(diào)平的發(fā)射車,通過碼盤坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到更高精度的航向角。

圖6 慣導(dǎo)時(shí)漂測試

2.3.3 伺服系統(tǒng)跟蹤精度數(shù)據(jù)

利用模擬直線航路(目標(biāo)距離5 km、速度400 m/s)測試跟蹤精度。圖7中第一幅為轉(zhuǎn)臺跟蹤時(shí)方位角(伺服角度)和給定的目標(biāo)方位角(原始航跡)對比曲線,第二幅為跟蹤誤差,最大跟蹤誤差10 mil,滿足武器系統(tǒng)要求。通過計(jì)算機(jī)輔助跟蹤控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了發(fā)射架快速、穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖7 伺服系統(tǒng)跟蹤誤差

3 結(jié)論

基于EtherCAT的導(dǎo)彈發(fā)射車控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射車調(diào)平、控制發(fā)射架起豎、控制定位定向系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)射車定位定向信息、產(chǎn)生發(fā)射車時(shí)間基準(zhǔn)、控制伺服系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)、和武器系統(tǒng)指揮車交互數(shù)據(jù)、控制導(dǎo)彈系統(tǒng)和發(fā)射車安全聯(lián)鎖管理功能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、項(xiàng)目間可繼承性好等優(yōu)點(diǎn)。