某稳定跟踪平台测试系统的设计_陈永鹏.pdf

新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算某稳定跟踪平台测试系统的设计陈永鹏，段海龙，靳文忠，陈羽，付明亮（河南平原光电有限公司，河南 焦作 ）摘要：稳定跟踪平台测试系统主要用于测试和评估稳定跟踪平台的性能指标。以某型号武器系统为背景，介绍了一种稳定跟踪平台测试系统的总体设计，其中包含硬件组成、测试方法和软件设计。测试系统通过目标模拟器模拟被跟踪目标，调整目标反射板，使目标进入跟踪平台的视场，跟踪平台捕获、跟踪目标后，控制单元控制操控台对目标或跟踪平台进行移动或摇摆。跟踪平台将实时的角度和角速度信号发送到显示软件，解算出被测平台的跟踪速度、隔离度等。该系统通过转台、反射镜、被测平台的相互切换组合，完成了不同指标的测试，简化了系统的复杂度和成本；通过对 与 协同编程，有效地利用 强大的计算功能，增加了系统的运算能力和可扩展性。测试结果标明：系统为稳定跟踪平台的测试提供了一种可靠、便捷的解决途径，为在稳定跟踪平台测试过程中发现问题、解决问题提供了一种有效的工具。关键词：稳定跟踪平台；测试系统；测试软件；跟踪速度；隔离度中图分类号：文献标志码：，（，）：，：，战场上行驶的坦克会随着地势的起伏而颠簸振动，由于炮塔、火炮和瞄准镜与车体之间通过机械机构连接在一起，车体的颠簸振动必然带动火炮和瞄准镜一起振动；另外，坦克火炮电磁发射装置的射击延迟时间一般都大于 ，在这段时间里，火炮随车体振动会使炮身轴线偏离正确的射击位置，造成炮弹的射向在高低和水平方向上产生偏差。稳定平台是一种安装在车体上，能够隔离载体安装面的位置变化，为车上人员和火控系统提供一个水平或稳定基面的部件。稳定跟踪平台是武器系统的主要组成部分，是步兵战车火控系统的关键技术之一。它是一套驱动和稳定系统，在高低方向驱动和稳定的对象是火炮，在水平方向驱动和稳定的对象是炮塔；它能够自动保持炮身轴线的方向不受车体振动和冲击的影响，使得炮手在行进间进行观察时，任凭坦克如何颠簸，目标几乎不动。当系统工作在跟踪模式时，稳定跟踪平台通过获取目标图像信息，对目标进行动态跟踪，实现动态打击目标的目的。为保证稳定跟踪平台在使用时的稳定精度以及跟踪速度等指标要求，在联调前对其进行必要的调试和检测至关重要。测试系统概述稳定跟踪平台测试系统需要对稳定跟踪平台系统的性能指标进行综合测试，并对测试所得结果进DOI:10.16635/ki.1003-5311.2023.02.007设计计算 新技术新工艺 设计与计算 行分析。国内外对测试系统的构建一般基于高频 、控制箱、平行光管以及对高精度转台的二次开发等。测试系统可实现测试结果和测试曲线显示于测试界面，并可对运动参数的相关数据进行处理，实现综合分析。一套完整的测试系统应能够为稳定跟踪平台供电；能够与稳定跟踪平台通信；具备友好的人机交互界面，进行测试流程控制等。为高效完成测试任务，硬件需求和软件系统都是必不可少的。测试系统硬件组成稳定跟踪平台由反射镜组件、控制组件、图像跟踪组件及连接电缆组成。稳定跟踪平台根据陀螺稳定的稳定原理，通过角度传感器、伺服电路、力矩电机构成闭环系统，完成组件中反射镜的高低与方位的稳定。稳定跟踪平台有种主要工作状态：一是稳定状态；二是跟踪状态。在稳定状态，操作人员通过操作杆控制反射镜运动到某个位置，当操作人员不再操作时，反射镜保持在该位置，该位置通过陀螺信号的反馈形成稳定闭环，相对大地坐标系，在水平和俯仰方向上保持位置的稳定，隔离车体行进间车体对稳定系统造成的扰动。跟踪状态是在稳定状态的前提下，当操作人员通过显控部件发现敌人目标后，操作人员操纵稳定系统和火炮系统瞄准目标、锁定目标，此时稳定系统和火炮系统会跟随目标移动，时刻保证对准目标，保证操作人员对目标进行快速、准确的打击。根据稳定跟踪平台的工作原理来设计测试系统，测试系统硬件组成应包含目标模拟器、高精度转台、目标反射板、专用软件测试平台等部分，示意图如图所示。图稳定跟踪平台测试系统框图目标模拟器将信号光斑打到目标反射板上，模拟被跟踪目标；高精度转台带动稳定跟踪平台运动，以不同的频率和幅度运动，模拟车体的振动；稳定跟踪平台的图像系统获取目标光斑信息；运行在计算机上的稳定跟踪平台专用测试软件，模拟火控计算机与稳定跟踪平台的通信，通过通信电缆向稳定跟踪平台发送控制指令，并接收稳定跟踪平台的状态信息和目标信息，对采集到的数据信息进行分析和处理。最终对稳定平台的功能和指标进行检验评判，判断稳定跟踪平台的指标是否满足技术要求。测试系统的测试功能在战场上动态打击敌方目标时，反射镜光轴与目标连线之间存在角误差，此角误差的形成主要有个方面的原因：一是来自车体的扰动；二是目标的随机移动。所以在测试稳定跟踪平台性能时，既需要测量车体的扰动对稳定跟踪平台的影响，也需要测量目标在移动时，稳定跟踪平台的跟踪情况。模拟车体扰动模拟车体扰动的硬件位置示意图如图所示，稳定跟踪平台通过固定组件固定在转台上，目标模拟器放置于稳定跟踪平台的正前方，与系统光路同轴。转台带动稳定跟踪平台做多种频率的摇摆运动，模拟车体运动的扰动。模拟目标移动模拟目标移动的硬件位置示意图如图所示。转台上安装反射镜组件，目标模拟器放于反射镜前方，与反射镜有一夹角位置放置。目标模拟器发射目标光束，经过反射镜反射到目标反射板上，稳定跟踪平台接收目标信息。转台以反射镜位置为轴心，新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算图模拟车体扰动的硬件位置示意图带动反射镜运动，目标反射板反射目标的位置也会相应地移动，即模拟目标的移动。图模拟目标移动的硬件位置示意图测试系统软件设计 测试软件的设计要求测试软件主要用于稳定跟踪平台的性能测试，包括电性能测试功能、信号观测功能、测试流程控制功能等。自动测试软件采用 与 协同编程，具备如下功能：）实时显示数据、分析数据的功能；）能对所选择的信号进行分析和计算；）能对所选的个信号计算波形相位差以及频谱分析；）具备数据存储、读取功能。测试软件的总体结构稳定跟踪平台测试软件采用模块化的设计思想，将软件分为接口模块、信号分析与处理模块、其他功能模块、界面显示模块部分（见图）。图软件总体结构示意图）接口模块。整个软件运行的前提是软件读取、写入信号数据的接口。测试系统选用与稳定跟踪平台相匹配的串行通信接口，方便数据交互。）信号分析与处理模块。信号分析与处理模块是稳定跟踪平台测试软件的主要部分，也是核心部分。主要包括如下部分。参数配置。转台的基本参数：范围、速度、加速度等的配置；稳定跟踪平台上电之前，稳定跟踪平台的基本参数的配置。指令解析。完成从转台传回的位置、速度等信息解析；完成被测稳定跟踪平台和检测系统之间通信数据的解译。稳定跟踪平台和测试系统间的通信数据量较大，通信数据中包括帧头、信息标示、被测产品的工作状态、角度数据、被测产品的产品信息、包计数、数据校验和等。流程设置。对应稳定跟踪平台的工作原理，确定稳定跟踪平台的测试流程以及转台电机的运动方式和流程。数据分析与处理。在上述几个模块中，最主要的是数据分析及处理模块，其中包含如稳定跟踪平台的隔离度、带宽、视线角速度、稳定跟踪精度的计算等，是测试系统软件的核心部分。）其他功能模块。数据保存模块能够存储测试过程中的数据，以便供测试人员以后进行分析研究；历史回放功能可以对历史数据文件进行回放。）界面显示模块。软件界面是一个人机交互界面，界面设计时遵循面向用户的原则、一致性原则、简洁性原则、适当性原则、顺序性原则、结构性原则，以及合理选择文本和图形、合理使用多窗口、合理使用彩色等要求。测试人员通过稳定跟踪平台界面可以直观地了解到该稳定跟踪平台产品的重要信息，以及转台的信息，并进行与稳定跟踪平台之间的通信。测试软件的工作流程主程序运行后，系统自动初始化，用户进入主程序界面。测试人员可以对稳定跟踪平台进行新的测试或是查看此稳定跟踪平台的历史数据，软件总体工作流程图如图所示。）对稳定跟踪平台进行新的测试。首先进行接口配置，确认稳定跟踪平台与测试系统正确连接；对稳定跟踪平台和仪器进行初始化设置，各部件完成自检；点击开始测量，软件采集数据，进行数据处理；在测试完毕后，对测试数据进行数据分析，判定被测稳定跟踪平台的性能是否达到技术要求，在界面显示测量结果并保存数据。）查看历史数据。打开测试数据文件夹，查看测试结果。可以将所有测试结果生成 表格，设计计算 新技术新工艺 设计与计算 打印报表。图软件总体工作流程图 测试软件的工作界面测试软件工作界面包含了基本设置区域、稳定跟踪平台返回数据状态区域、稳定跟踪平台指令发送区域、转台控制区域、稳定跟踪平台项目测试区域、曲线显示区域、数据保存读取区域等（见图）。与 协同编程该软件使用语言在 编译器平台下利用 架构进行设计与开发。语言可以使代码执行时更加高效，具有面向对象的特性，在程序编写中能够轻松实现编程的模块化，在图形界面开发、进程控制、程序打包分发、执行速度等方面具有明显优势。但该语言只提供了基本的数学函数库，遇到复杂的数值运算时，需要重新进行繁琐的代码编写，将大幅影响开发周期。拥有独立的数学函数库，具有强大的数值运算能力。将两者结合起来，集成两者的优点进行混合编程，可以充分发挥 在矩阵上的强大运算能力，提高软件执行速度，提高稳定跟踪平台测试效率。与 协同编程方法有如下种。）调用 引擎的方法。引擎是一组 函数接口，用户可以使用这组接口以发送脚本命令的方式调用 中的函数。在具体实例中，程序作为前端，可以向作为后台的 引擎发送控制命令，引擎根据控制命令的种类做出不同的响应。这种方法的实质是 控件调用 进程。）调用 文件的方法。文件即动态链接库文件，是应用程序的一部分。程序启动时，与之对应的 文件会被调用。自带编译器，用户可以借助该编译器把已经编写好的 文件编译为 文件，然后在程序中直接使用 文件中写好的 函数。图软件工作界面新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算）调用 组件的方法。组件，即组件对象模型，是一种通用的对象接口模型，适用于任何语言。任何语言的程序通过生成 组件都可以被其他语言程序调用。而 的编译器可以把用户编写的 文件编译为 组件，供其他平台程序使用。本测试软件采用 （动态链接库文件）文件法，具体 过程如下：）配置 电 脑 系 统 环 境 变 量 和 软件环境变量；）创建 的 文件（为自定义的文件名称）；）配置 编译环境并导出 文件；）设置 软件工程目录：将 所在目录中 生成的文件全部复制到 的 工程目录下。编 写 程 序 时 添 加 头 文 件 “”，在程序中调用 （）函数，实现 与 协同编程。测试系统性能检验在完成稳定跟踪平台测试系统之后，对该测试系统进行了现场测试。调整测试系统和跟踪平台位置，使跟踪平台跟踪模拟目标。通过测试软件控制转台角度以 的速度从 移动到 ，观察、记录平台跟踪曲线（见图）。曲线为对应方向跟踪曲线，横坐标为时间轴（），纵坐标为角度轴（），通过曲线显示，被测平台运动角度约为 ，运动时间约为 ，计算跟踪速度约为 。调整测试系统和跟踪平台位置，使跟踪平台跟踪模拟目标。通过测试软件控制转台角度以 摇摆，观察、记录平台跟踪曲线（见图）。曲线为对应方向跟踪曲线，横坐标为时间轴（），纵坐标为角度轴（），通过曲线显示，被测平台隔离度约为。图跟踪速度测试界面图隔离度测试界面设计计算 新技术新工艺 设计与计算 通过对测试系统本身及测试结果的分析，得到如下结论。）稳定跟踪平台测试系统上位机软件，人机界面友好，可以较好地完成稳定平台跟踪速度、隔离度的测试。）测试系统中自动产生标准波形激励信号。信号的相位、幅值以及频率按测试系统要求可调，满足不同测试要求。）该自动测试系统硬件、软件设计都依据模拟化设计原理，组建测试系统比传统方法更加方便灵活，系统的更新更加容易，性能更加可靠。结语该稳定跟踪平台测试系统增加了目标跟踪功能，较好地完成了对稳定跟踪平台的跟踪速度和隔离度等性能测试，相较于传统的平行光管测试方法，新的测试系统更加便捷，提高了测试效率。近年来，由于战场需求的不断增长，稳定跟踪平台性能、复杂度不断提高，针对当前及未来的稳定跟踪平台研制需求，研究稳定跟踪平台测试技术，开发具有一定通用性和拓展性的自动化稳定跟踪平台测试系统具有重要的工程实践价值和一定的科研经济效益。参考文献朱竞夫现代坦克火控系统北京：国防工业出版社，马文韬 二轴稳定平台稳定精度分析 新技术新工艺，（）：张德宁 上反稳瞄系统数字化控制研究 天津：天津大学，孙强光电稳瞄系统稳定度测量与校准装置设计西安：西安工业大学，李红光，韩伟，宋亚民，等车载光电稳定跟踪平台自抗扰伺服系统设计 应用光学，（）：陈羽，尚丽明，郝新建，等 新型激光信息场检测系统设计新技术新工艺，（）：谭浩强 程序设计 北京：清华大学出版社，天工在线 从入门到精通 北京：中国水利水电出版社，周静雷，董姣，常诚采用 与混合编程生成扬声器功率实验信号 计算机系统应用，（）：张志涌，等精通 版北京：北京航空航天大学出版社，作者简介：陈永鹏（），男，高级工程师，硕士，主要从事伺服控制等方面的研究。收稿日期：责任编辑郑练