基千激光测距的无人机降落状态仿真系统设计
基千激光测距的无人机降落状态仿真系统设计
张法令, 姜利英 , 郑 零, 崔光照, 胡智宏
0 引言
无人机UAV (Unmanned aerial vehicle)是 一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无 人驾驶飞行器,由于其用途广泛、无人员伤亡风险、 生存能力强、机动性能好、使用方便,故在现代战争中有极其重要的作用,在民用领域也有广阔的前景无人机降落时的飞行状态参数非常关键,如果 参数不正确有可能会引起无人机坠毁.由于实际飞 行费用高、风险大,并受空域、气象等条件制约,所以用实际飞行来调试无人机的性能,代价太大.本文拟设计一套基于激光测距的无人机降落状态仿真系统,利用滑动导轨水平方向的运动参数,模拟 无人机降落时垂直方向的运动参数,从而使无人机 的调试可以在仿真的情况下安全地进行止.
1 系统总体设计
基千激光测距的仿真系统的组成如图1所示. 将激光测距仪固定在底座上、漫反射目标板固定在 直线导轨的滑块上.交流伺服电机由计算机实时控 制,通过齿形带轮传动可以带动齿形带移动,与齿 形带固定在一起的滑块就可以带动目标板同步移 动实时控制交流伺服电机的转动即可得到目标板 与测距仪之间按照要求变化的距离。
滑动导轨是机电一体化的综合性、高精度的设 备,可以驱动目标板沿导轨方向准确移动.激光测 距仪可稳定可靠地安装在滑动台上,光、机、电、计 算机和软件等各部分,应稳定、可靠、安全,且操作 方便灵活动态移动台主要性能指标如下:移动范 围6m; 最大运动速度3 mis; 定位精度土5 cm; 控制 周期5 ms.
2 机械系统设计
滑动导轨由精密直线导轨、齿形带传动机构、 交流伺服电机及底座组成,为保证移动精度,采用 精密线型导轨,它具有高精度、高刚度的直线运动 特性,其承载力、直线性完全满足本项目运动特性 的仿真要求.选用的NSK系列精密直线导轨的运动 精度为5 cm(在6000 mm运动范围内),可承载数百 千克的压力.
由于要求的移动范围为6m的长距离,因此本 系统传动结构无法采用传统的蜗轮-蜗杆结构,而 采用特制的齿形带传动结构.此外,采用比较成熟 的散装轴承结构形式,以达到高精度的要求:这是 一个短轴系结构形式,由一个C级向心球轴承和一 个平面轴承组成,向心轴承定心由内外环和钢球的 过盈配合来保证,轴系的回转精度主要由平面轴承 保证.
3 电控系统设计
为保证闭环仿真系统的稳定性与置信度,笔者 采用交流伺服电机与光电编码器的组合来提高滑 动导轨的精度与速度
3.1 交流伺服电机
根据本系统的负载情况及需要控制的运动速 度,选择1.5kVA的型号为GYS751CC2 -T2A的交 流伺服电机该电机由机架、输出轴、法兰、编码器 及各种配线等组成.
编码器是用于检测伺服电机运动位置的精密 机器,是反馈控制的核心部件.该伺服电机的负载侧装有17位的编码器,编码器的配线连接到伺服放 大器的连接器2上.
3.2 伺服放大器
伺服放大器与交流伺服电机配套使用,可以接 收中央控制计算机发出的控制指令,解析控制指令后,驱动交流伺服电机,完成要求的运动.伺服放大 器还可以接收用于检测伺服电机运动位置的编码 器的输出,并把该数据反馈给中央控制计算机.
伺服放大器包括触摸面板、主电路端子、控制 电源用连接器,以及连接计算机、编码器、伺服电机 和模拟监控的4个接线端子.本系统选用型号为 RYC751 C3 - VVTI的伺服放大器。
3.3 运动控制卡
本系统对运动控制实时性要求较高,因此选择 运动控制卡完成中央控制计算机与伺服放大器的 信息传输与实现.选择的ADT850卡是基于PCI总线的高性能四轴伺服/步进控制卡,支持一个系统 同时使用多达16块控制卡,可控制64路伺服/步进 电机,即插即用,位置可变环形在运动中随时改变 速度,可使用连续插补等功能脉冲输出方式为单脉冲(脉冲+方向)或双脉 冲(脉冲+脉冲)方式,最大脉冲频率4MHz,输出频 率很高的时候,频率误差仍小于0.1%. 提供伺服接口信号,如编码器信号、到位信号(INPOS)、报警信 号(ALARM)、伺服开启(SERVO ON)等.
系统具有多种控制方式,如定量运动、连续运 动、回零运动、多轴插补、圆弧插补等.插补一般用 定速运动,也可用直线/S曲线加减速运动(S曲线 加减速不能用于圆弧插补).提供DOS, WINDOWS95/98/NT/2000/XP开发 库,可用VC + + , VB, BC + +等开发工具进行软件 开发
4 软件系统设计
Visual C + +功能强大,通用性强,代码易于维护,移植性强,易于扩充,有不断扩充的MFC类库可以使用,因此本系统选用VisualC + +进行系统软 件的开发整个软件系统由精确计时、高速串口通信、数 据采集与处理、数据分析与显示等部分构成.本系 统是某大型试验系统的一部分,系统中的计算机作 为下位机,需要与上位机进行实时通信.
4.1 精确计时器的设计
本系统要求的控制周期非常短,因此精确计时 成为首先要考虑的问题 vc + +提供了2个用于精 确定时的函数: QueryPerfonnanceFrequency ()和 QueryPerformanceCounter(). 进行计时之前,先调用 QueryPerl'ormanceFrequency ()函数获得机器内部定 时器的时钟频率,然后在需要严格计时的事件发生 前后分别调用QueryPerformanceCounter ()函数,利 用2次获得的计数之差及时钟频率,计算出事件经历的精确时间.使用下列代码实现1 ms的精确计 时,误差不超过1µ.s,精度与CPU等机器配置有关。
LARGE_INTEGER litmp;
LONGLONG QPartl , QPart2;
double dfMinus, dfFreq , dffim;
QueryPerformanceFrequency (&litmp) ;
dfFreq = (double) litmp. QuadPart ;/ /获得计数器的时钟频率
QueryPerformanceCounter(&litmp) ;
QPartl = litmp. QuadPart ;I I获得初始值
do
I QueryPerformanceCounter(&litmp) ;
QPart2 = liQuadPart ;/ /获得中止值
dfMinus = (double) Imp. (QPa心- QPartl) ;
dffim = dfMinus / dfFreq ;/ /获得对应的时间值/s I while(dffim <0. 001);
4.2 高速串口通信
MSComm是Microsoft公司提供的简化Windows 下串行通信编程的ActiveX控件,该控件通过串口 传输和接收数据为应用程序提供串行通信功能.本 系统使用MSComm控件的事件驱动方法来处理通 信问题,这种方法的优点是程序响应及时、可靠性 高.它利用MSComm控件的OnComm事件捕获并处 理各类通信事件,如串口接收缓冲区中有字符,或 者Carrier Detect (CD)、Request To Send (RTS)线上 一个字符到达或发生变化时.此外,OnComm事件还 可以检查和处理通信错误.
Windows操作系统是多任务系统,CPU不能只 接收和处理串口数据,而且高速通信中数据量很 大,有时会出现数据阻塞的问题,虽然上位机按一定的时间间隔发送数据,但接收时有可能2组或多 组数据同时到达,这时如果仍按一组数据来处理, 就会发生数据丢失现象,因此必须处理同时到达的 数据.
要解决这个问题,可以利用do-while循环结 构当用于存放接收数据的CByte压•Y变量binData 中的数据个数超过通信协议中规定的一组数据的 个数时(即数据头+位置数据+校验和+数据尾共7个字节),先根据数据头取出这一组数据,计算出 本次数据到达时间与上次数据到达时间的间隔,存 人数组变量中,供控制算法使用.处理完成后,利用 CByteArray类的成员函数RemoveAt(0 , 7) , 删去已 处理的数据,同时后面的数据自动前移7个字节,这 样处理数据的效率很高,基本可以满足高速通信的要求如此循环,直到本批次数据处理完毕.
4.3 软件界面与数撮显示
程序运行界面如图3所示.左边部分为实现各种参数的设置,右边显示的是激光测距仪测量的实 际运动轨迹曲线和要求执行的运动轨迹曲线.两曲 线吻合得非常好,几乎重合,只是在初始速度部分差别较大,说明该系统很好地完成了要求的性能指 标.图4是局部放大的高度数据波形图,从图中可以 清楚地看出,伺服电机控制滑动导轨,通过适当的 控制算法,通过不断调整运动速度,可以向要求执 行的运动轨迹逼近.
5 结论
该仿真系统可以提供实时变化的距离环境,把无人机降落时垂直方向上的运动参数转化成目标板水平方向上的运动参数,从而实现了无人机的安全调试在仿真系统的调试过程中还应注意,由于 运动速度较快,有时目标板会发生高速意外撞击事件,因此在导轨的一端应设置防护设施.该系统还 可以连人无人机着陆与导航半实物仿真实验系统, 实时接收并执行来自飞控仿真机的高度数据,形成 仿真闭环,从而进一步提高仿真的置信度.
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