本科毕业设计论文某图像跟踪转台的测试软件设计.docx

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本科毕业设计论文某图像跟踪转台的测试软件设计

某图像跟踪转台的测试软件设计

摘要:

航空、航天工业发展水平是一个国家科技、经济及国防实力的重要标志。

在航空航天领域中,惯性导航和制导技术是一项核心技术,三轴转台是测试惯性元件及半实物仿真的重要非标设备,其性能的好坏直接影响仿真和测试的可靠性和置信度。

转台是以控制理论、相似理论、系统技术和信息技术为基础，利用计算机和专用物理设备为工具，为惯性导航和制导系统仿真试验提供平台的关键设备。

它能够复现空间质心运动中的转角、角速度、角加速度等物理指标。

由此，可以在地面试验室中真实地模拟导弹、飞行器等在空中的各种飞行姿态，以对敏感元件、惯导系统、执行机构等加以测试。

将昂贵的实物试验转化为试验室中可预测、可重复性研究，为实物试验提供充分的技术指标和试验数据。

其次，对控制系统进行了分析和选择，包括电机的选型，驱动器的选型，编码器的选型，接口扩充的选型，以及相关元件的选型，详细见附图（电控图）。

其中搭建基本的硬件设备，采用软件的控制方法，设置控制系统的各模块选择，实现转台系统的运行功能，完全实现对转台的控制。

（尤其是角速度和角位移的测量是本系统成为高精度转台仿真的关键性选择之一）。

关键词：

转台,伺服系统,建模,直流电机

Animagetrackingturntabletestsoftwaredesign

Abstract:

Aviation,aerospaceindustrydevelopmentlevelisanationalscienceandtechnology,economyandanimportantsymbolofnationaldefensecapabilities。

Inaerospacefield,inertialnavigationandguidancetechnologyisacoretechnology,threeaxisturntableistestinginertialcomponentsandhardware-in-the-loopsimulationofimportantnon-standardequipment，whowillhaveadirectimpactontheperformanceofsimulationandtestreliabilityandconfidence。

Theturntableiscontroltheory,thesimilaritytheoryandsystemtechnologyandinformationtechnologyasthefoundation,basedonthecomputerandspecialphysicalequipmentforthetool,forinertialnavigationandprovidetheguidancesystemsimulationexperimentplatformofkeyequipment。

Itcanreiterationthecornerspacecentroidmovement,angularvelocityandAngleaccelerationphysicalparametersandsoon。

Thus,canbeinthegroundinthelab,realsimulationofmissiles,aircraftintheaireachkindofetc,inordertoflightattitudeissensitivecomponents,inertialsystem,executiveagenciestotest。

Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。

Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。

Secondly,tocontrolsystemisanalyzedandoptions,includingmotorselection,driveselection,encoderSelection,interfaceexpansion,andrelatedcomponentsselectionofselection。

（Detailedcontrolchartissaw）Onesetofhardwareequipments,adoptsthebasiccontrolmethod,settingofthesoftwareofthecontrolsystem,realizetheturntableeachmoduleselectionofsystemoperationfunction,fullyrealizethecontrolofturntable。

（Especially,theangularvelocityandangulardisplacementmeasurementisthissystembecomethekeychoosehighoneofsimulationturntable）

Keywords:

turntable,Servosystem,Modeling,DCmotor

1

引言

图像跟踪转台是以控制理论、相似理论、系统技术和信息技术为基础，利用计算机和专用物理设备为工具，为飞行器实验提供实验平台的专用设备。

它具有良好的可控性，无破坏性，安全性，不受气象条件和空域场地等优点，在航空，航天和国防等领域得到了广泛的应用。

转台根据用途可分为仿真转台和惯性实验转台，高精度惯性转台，主要用于惯性导航系统如陀螺，加速度计的检测和标定。

它能够复现空间质心运动中的转角、角速度、角加速度等物理指标。

由此，可以在地面试验室中真实地模拟导弹、飞行器等在空中的各种飞行姿态，以对敏感元件、惯导系统、执行机构等加以测试。

将昂贵的实物试验转化为试验室中可预测、可重复性研究，为实物试验提供充分的技术指标和试验数据[1]。

在本课题中，图像跟踪控制的被控对象为四通电机60CB020C和MRS103转台，6030电机控制卡接收工业PC发出的命令，以驱动全数字伺服电机使转台转动，安装在转合上方的摄像设备捕捉跟踪目标的运动图像。

由于对转台和电机的参数测试是实现控制的关键，于是，测试软件程序需从阶跃控制、正弦控制、角度控制和等速控制四方而对电机和转台进行测试，测试结果要以文本文件形式输出显示。

1．1国外转台发展的状况

在国际上，由于惯性制导技术受到世界上技术先进国家和发展中国家的普遍重视，所以美国、俄罗斯、英国、法国、瑞士、中国、印度等国都投入了大量的资金和人力从事转台的研制。

其中，美国的转台研究一直处于世界领先水平，其次，德国、英国、法国和瑞士等国研制的转台也具有一定代表性，性能和质量仅次于美国。

世界上的第一台转台是1945年由美国麻省理工学院仪表实验室研制成功的，定为A型转台，采用普通滚珠轴承，用交流力矩电机驱动，角位置测量元件采用滚珠与微动开关，由于采用的元件精度比较低，加上没有经验可以借鉴，该转台存在许多缺点，精度也只能达到角分级，实际上没有投入使用。

随后，美国的欧思一伊利诺斯公司的菲克（Fecker）系统分公司又研制出了T-800型伺服转台，它标志着美国的转台设计己经达到了一个新水平[2]。

自八十年起，美国转台的研制工作和生产已进入到系列的模块化阶段，所使用的精密轴承、测角测速和驱动马达等都已有了配套产品。

为了适应转台技术要求的迸一步提高，CGC提出研制高精度的三轴测试台IT^TT（ImprovedThreeAxisTestTable），ITATT的许多性能指标代表了当今惯导测试转台的发展水平，设计中使用的许多新技术和措施对今后惯导测试设备的发展来说，是具有代表性的[3]。

1．2国内转台的发展状况

我国转台起步于1965年。

较美国晚二十年，但发展速度还是较快的，差距正在逐渐缩小。

1987年哈工大与6354所共同研制成功的CCGT型陀螺测试转台，为计算机控制的双轴测试转台，可测试漂移率为0．001／h的陀螺。

1990年，航空部303所研制成功了SGT—I型三轴捷联惯导测试转台，该转台采用机械轴承，其主要性能指标是：

本轴回转精度为±20，不垂直精度为10，铡角精度为10。

且前，哈工大正研制或已完成HIT三轴测试转台、GST-I三轴综合测试台，CT-I单轴伺服台、scr-i三轴测试转台、光学成像五轴仿真转台等二十余个转台Ⅲ。

从目前的转台性能指标对比可以看出，现在我国研制转台同美国摺比仍有较大的差距。

主要在角传感器的精度和动态性能、驱动设备的低速性能、台体制造工艺及安装、控制技术方面还存在差距。

但是，我国在一系列的转台的研究过程中，在驱动设备，位置检测元件和控制技术等方面都取得了很大的进步，这些技术的积累为高精度的转台研究提供了条件[4]。

虽然我国转台事业发展较晚，但是进步很快。

从1980年以后将计算机控制技术成功的运用于转台的电控系统，使测试自动化程度大大提高。

转台台体的结构设计更加完美，也为进一步提高转台的精度提供了依据。

1．3转台的发展趋势

随着惯性技术的发展，惯性元件和惯性导航系统精度的不断提高，作为其测试

设备的惯性导航测试转台的精度也要不断提高因此其未来发展的方向是提高精度

和测量效率，另外就是降低制造成本，以及提高其测试的自动化水平。

因此转台在

今后的发展有以下趋势:

轴的支承由机械轴承发展为液压轴承，并开始使用气浮轴

承；转台简化，以牺牲多用性来换取精度的提高；转台系列化，以提高研制技术的

成热度，缩短研制周期、降低成本;选用新材料，采用新工艺技术，以提高制造精

度[5]。

26030电机控制卡的相关知识

2．1伺服电机控制原理

伺服电机控制原理可描述为：

上位机（工业PC）通过控制软件对电机控制卡进行读写操作，并向控制卡发出位移、速度、加速度等命令：

电机控制卡根据上位机的命令产生脉冲序列，脉冲个数（位置）、频率（速度）及频率变化率（加速度）均受主机控制;伺服驱动单元根据控制卡的位置命令值减去位置反馈值来算出电机位置误差，位置误差值经过驱动单元的数字滤波器（PID调节算法）产生电机速度控制信号，速度控制信号经驱动单元内的电流环等环节产生驱动电流，对伺服电机进行调速;增量编码器是伺服电机的典型的反馈元件，它将电机的旋转角度转换为正交的电脉冲信号，伺服驱动单元根据该反馈信号就能跟踪电机的旋转位置，从而组成伺服电机的闭环控制系统[6]。

用PC机控制伺服电机框图如下图

图2.1伺服电机控制

如上图所示，采用PCI总线技术，将控制卡抽入计算机主板上某一空闲PCI插槽中

上紧固定螺钉通过37芯电缆正确连6030卡与端子板，本设计中选用北京和利时电机技术有限公司生产的6030电机控制卡和GS系列全数宇伺服驱动器，驱动四通电机60CB020C促使MRS103转台转动，控制卡发出5000个脉冲才会使转盘转动10，电机编码器选为分辨率2500P/R的14线增量式编码器（由A、B、Z、U、V、W输出）[7]。

2．2库函数介绍

2.2.1初始化函数

初始化函数为Init6030Crad，函数原型:

ShortInit6030Card（shortboard_NO,shortnumaxis,shortitime,shortAxis3_Mode）；

这个函数初始化电机控制卡，用户应在程序的初始化部分调用该函数对每个板进行初始化[8]。

2.2.2释放控制卡驱动库函数

函数原型:

shortExit6030Card（shorthoardNO）；

释放驱动函数库，这个函数释放6030函数库所占用资源。

在用户程序退出之前应

调用该函数一次[9]。

参数:

boardNO:

板一号可能值0、1、2、3、4；当用户的PC机中只用一块6030板时可以设为0。

2.2.3运动控制函数

6030板提供了轴的两种基本运动形式，即轴的点到点的运动控制（位置模式）和速度控制（速度模式）。

位置模式的函数为:

shortprofile6030（shortaxis,longposition,longvelocity,longaccel}；

这个函数将某一轴设置为位置模式，并设置梯形包络线的参数，在调用该函数后，用户必须再调用5tartG030函数，包络线的新参数才有效[10]。

3全数字伺服电机驱动

3.1电机驱动器概况

3.1.1型号命名

表3.1型号说明表

本课题所用电机型号为60CBOZOC，对照上表则可得出其参数:

60CB系列（小惯量系列），驱动器额定输出功率是200W，电机额定转速是3000rpm。

3.1.2产品特性

GS系列伺服驱动器以美国TI公司最新的数字处理芯片（DSP）作为核心控制芯片，采用了先进的全数字电机控制算法，完全以软件方式实现了电流环、速度环位置环的闭环伺服控制，具备良好的鲁棒性和自适应能力，可配合多种规格的伺服电机，适应于需要快速响应的精密转速控制与定位控制的应用系统，如：

数控机床、印刷机械、包装机械、造纸机械、塑料机械、纺织机械、工业机器人和自动化生产线等[11]。

全数字伺服控制系统类似于步进电机控制系统，它也可分为两大部分：

即伺服电机和全数字伺服驱动器。

其产品特性为：

1．DSP全数字电机控制方式，可以实现多种电机控制算法，软件更新、升级方便；

2．内置电子齿轮控制功能：

多种控制模式:

脉冲串（≤500kpps）、模拟电压（±10V），数字设定、混合模式等（其中自动加/减速（速度控制模式）:

当速度指令发生突变时，驱动器可以按预先设定的加减速时间自动控制加减速变化，但受电机最大过载能力的限制）；

3．六种位置脉冲输入方式，与用户上位机接口方便灵活；

4．255种编码器反馈脉冲分频输出设置；

5．内置键盘及LED数码管显示；

6．RS232/RS485/CANBUS通讯接口，可通过与PC机联接，进行伺服参数的设定与监控；

7．保护功能：

过压、泄放回路故障、过流、过载、堵转、失速、位置超差、编码器信号异常、编码器AB断线实时在线报警；

8．内/外置制动回馈能量吸收；

9．内置接口电源输出±12V（100mA）。

3.2交流伺服驱动器技术特性

3.2.1控制模式

1.位置控制（脉冲串）：

根据外部指令脉冲控制电机精确定位。

差分输入脉冲频率fmax≤500kpps,集电极开路输入脉冲频率fmax≤20Okpps，控制精度为±1个脉冲；

2.外部输入模拟量速度控制：

根据模拟指令输入（O～±10V）的幅值、极性和驱动器参数F0c～F0e的设置，控制电机运转的速度及方向；

3.外部输入模拟量转矩控制:

根据模拟指令输入（O～±10V）的幅值、极性和驱动器参数F26～F29的设置，控制电机转矩的大小及方向；

4.内部速度控制：

根据输入信号“内部速度选抒1、2”的状态，选择预先设定的四种速度运行模式（含速度及方向）；

5．JDG控制：

通过键盘，▼或▲和参数F3b的设定手动控制电机的运转速度及方向；

6.混合模式控制:

当参数F00}5`--1}}寸，根据模式选择输入的状态，实时在线切换伺服系统的下作模式[12]。

3.2.2功能

1．制动功能：

驱动器具各能耗制动功能，通过选择使用内部预置的泄放电阻或外接电阻完成；

2．电子齿轮：

通过键盘设置，1～9999/1～9999，比值介1/100～100之间；

3．保护功能：

当出现过电压、泄放回路故障、过电流、过载、堵转、失速、位置超差、编码器信号异常、编码器AB断线时，驱动器停机显示错误代码井输出报警信号；

4．自动加/减速（速度控制模式）：

当速度指令发生突变时，驱动器可以按预先设定的加减速时间自动控制加减速变化，但受电机最大过载能力的限制；

5.指令脉冲方式选择：

驱动器根据脉冲有效边沿的不同来选择正负逻辑，共支持单

脉冲正负逻辑愉入、双脉冲不负逻辑输入和正交脉冲正负逻辑输入六种输入方式；

6.编码器信号分频输出：

在标准的电机编码器信号（默认2500线），驱动器具备1～255整数分频输出，共255种分频方式可以设置[13]。

3.3通信方式

驱动器通过通讯连接器可以与控制器交换数据与指令，支持RS232C、RS485和CANBUS三种总线标准，用户只能在三种之中选择一种并在订货时申明；没有特殊说明则出厂默认为RS232C通讯格式，在与计算机通过RS232C通讯时需配合本公司的通讯软件一起工作[14]。

表3.2支持的总线标准

3．4参数汇总说明

1．状态参数：

从D00到D07的八组存储器一记录了当前电机的一些工作状态信息，用户可以根据需要调出并显示在窗口上。

需要用到的状态参数说明如下表所示：

表3.3状态参数说明表

2．电机参数：

参数FO1～F08,、F0a、F0b、F15.、F16、F18、Fla是伺服驱动器所配合电机的参数信息，这些信息是系统正常工作的基础，所有数据在出厂时已匹配好，不允许用户更改。

电机参数说明就不在这里一一列出[15]。

3．控制参数：

其它参数是可调参数，用户可以根据伺服电机工作情况做适应性调节。

需要用到的控制参数说明如下表所示；

表3.4控制参数说明表

表3.5位置脉冲输入方式选择参数F2e定义

4VisualC++6.0编写测试程序

4.1面向对象的程序设计思想

面向对象设计思想是在结构化程序设计思想基础上发展起来的一种全新的程序设计思想，它突破了传统程序设计的概念，简化了程序设计过程，增强了软件的可扩充性和重用性[16]。

面向对象程序设计技术，又称OOP技术，是一种在分析和设计阶段独立于气程序设计语言的概念化过程。

传统的结构化程序设计（SP）思想将程序的数据和对数据的操作分离开来，这往往造成数据和操作程序之问的错误调用，同时程序代码的通用性差，可移植性和扩展性也不好。

而面向对象程序设计技术（OOP）技术采用数据抽象和封装技术将数据及对数据的操作放在一起作为一个整体来处理，力求做到人们认识客观事物的过程同程序实现一致。

它不仅仅是一种设计技术，更重要的是一种新的思维方式。

面向对象程序设计技术具有封装性、多态性和继承性三个基本特征[17]。

1．封装性。

是将一个数据和与这个数据操作有关的集合放在一起形成一个能动的试题对象。

对象的所有数据、内部程序细节被固定在清楚的边界内，封装后的对象内部的代码受到封装壳的保护，其它对象不能对其进行修改。

每个封装后对象都提供一个接口进行相互之间的联系；

2．继承性。

是面向对象系统中一个重要的概念，表达了一种对象之间的相交关系。

它使得某类对象可以继承拥有另一类对象的能力和特征。

通过继承，一方而减少了程序代码的冗余，另一方而一协调了各对象之间的关系，减少了对象之间的接口和界面；

3．多态性。

是指同一个对象一可以对不同的发送消息，采用不同的行为方式来响应，这是而向对象系统的另一个重要特征，它大大减少了子程序和子函数的个数，方便了子程序的管理。

面向对象技术的设计准则:

1．模块化。

面向对象程序设计技术支持把系统分解成模块的设计原则，即对象就是模块。

它是把数据结构和操作这些数据的方法紧密地结合在一起所构成的模块；

2．抽象。

面向对象程序设计技术不仅支持过程抽象，而且支持数据抽象；

3．信息隐藏。

在面向对象程序设计技术中，信息隐藏通过对象的封装性来实现；

4．低耦合。

在面向对象方法中，对象是最基本的模块，因此，耦合主要指不同对之间相互关联的紧密程度。

低耦合是设计的一个重要标准，因为这有助于使得系统中某一部分的变化对其它部分的影响降到最低程度。

4.2开发工具概述

4.2.1类于对象

1.类的定义

在C++中，使用类来声明对象前应先定义其结构，类是用保留宇class来定义的。

在定义类时，一般应包括下列成员，即数据成员DataMember（类的属性）、成员函数MemberFunction（类的方法）、构造函数constructor,析构函数destructor和运算符函数，当然这些成员也可以省略[18]。

通过成员的访问控制属性来实现封装。

一般来说，类成员的访问控制权限3种：

私有的（private）公有的（public）和保护的（protected）o其定义格式如下:

class<类名）

{private:

〈私有的数据成员和成员函数〉：

Protected：

<保护的数据成员和成员函数>：

Public：

<公有的数据成员和成员函数>：

}

从上而的定义可以看出，一个类含有3部分，即私有部分、保护部分和公有部分。

默认情况下，在类中定义的项都是私有的。

私有部分（private）的成员只能被该类的成员访问;保护部分（protccted）的成员与私有成员的性质相似，其差别在几继承过程中对产生的新类影响不同;公有部分（public）的成员可以被任何一个函数访问。

在VisualC++程序中说明类的数据成员时，通常在其名前加上前缀“m”，以区别普通变量名，接着是一个或多个小写字母，用来指明数据类型，最后是一个或多个首字母大写的单词，用来指明该成员的用途。

例如，m_strName、m_nAge、m_nSex等。

2．对象

对象是类的实例。

从技术上讲，一个对象就是一个其有某种类型的变量。

与普通变量一样，对象也必须先经说明才可以使用。

说明一个对象的一般形式为

<类名><对象l>，<对象2>,…；

在程序中使用一个对象，通常是通过对体现对象特征的数据成员的操作实现的。

当然，由于封装性的要求，这些操作又是通过对象的成员函数实现的。

具体来说:

（1）成员函数访问同类中的数据成员，或调用同类中其他成员函数，可直接使用数据成员名或成员函数名；

（2）在对象外访问其公有数据成员或成员函数需使用运算符“，”；

（3）在对象外直接访问一个对象中的私有成员和保护成员属于非法操作，将导致编译错误；

（4）同类对象之间可以整体赋值；

（5）对象用作函数的参数时属于赋值调用:

函数可以返回一个对象；

4.2.2类成员函数

1.成员函数定义

在类的定义中仅给出了成员函数的原型，没有定义函数的操作。

成员函数的操作与普通函数没有区别，但为了能表示与类的关系，需要使用作用域运算符:

:

。

类的成员函数的一般形式为:

<类型）<类名>:

:

<函数名>（<参数表>）

{<函数体>）

其中作用域运算符:

:

指出成员函数的类属。

作用域是指程序中标识符可以访问的区域，一般分为全局和局部两种。

作用域主要用来控制对变量的访问，对于类来说，一个类的所有成员都在该