CC BY
28
УДК 531.383
А.П. Шведов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-19-59, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
М.Г. Погорелов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-19-59, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ ВЫСОКОМАНЕВРЕННЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПО КРЕНУ ОБЪЕКТОВ
Рассматривается вопрос реализации оптического канала передачи данных, а также системы сбора данных для однокомпонентного поворотного стенда с частотой вращения до 30 Гц, разработанного на кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета. Предлагается конструкция абсолютного энкоде-ра, построенного на модифицированном коде Грея, который обеспечивает разрешающую способность 1,8 градуса.
Ключевые слова: поворотный стенд, оптическая передача данных, абсолютный энкодер, код Грея.
Введение
На кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета на протяжении многих лет ведутся работы по созданию систем ориентации высокоманевренных вращающихся по крену объектов (с частотой вращения до 30 Гц), которые выполняют функцию измерения углов и угловых скоростей, а также раскладчиков команд управления.
Важным аспектом, способствующим успешной разработке таких систем, является наличие испытательного оборудования, которое позволяет контролировать параметры таких систем на этапе разработки и выходного контроля. Для решения данных задач используются одно компонентные и многокомпонентные поворотные стенды, позволяющие имитировать угловое движение объекта по углам тангажа и курса.
На практике многокомпонентный стенд удается реализовать путем сочетания однокомпонентного, имитирующего вращения по крену, и двух-компонентного поворотного стола, позволяющего реализовать двух-компонентную качку.
При проведении испытаний наибольшие сложности возникают при использовании одно компонентных стендов, задающих вращение по углу крена до 30 Гц, так как в таких стендах используются коллекторные электрические контакты для передачи сигналов с исследуемого устройства. Наличие коллекторных контактов приводит к высокой зашумленности сигнала при цифровой передаче, а в ряде случаев и его потере.
В данной работе рассматривается разрабатываемый однокомпонент-ный поворотный стенд, имитирующий вращение объекта по углу крена с частотой до 30 Гц.
Оптический канал передачи данных
При разработке оптического канала передачи данных возникли затруднения, связанные с конструктивными особенностями ранее созданного поворотного стенда, при которых размещения оптического канала на оси вращения основного вала невозможно (рис. 1). При этом необходимо обеспечить освещение фоточувствительной площадки приемной части излучающей системой передающей при любом угле поворота вала относительно корпуса стенда.
Рис.1. Схема установки оптического канала передачи данных
В данном случае возможно два пути решения данной проблемы:
- использование кольцевого фотоприемника передающей части;
- применение осветительной схемы передающей части, обеспечивающей кольцевую засветку поверхности приемной части.
При использовании кольцевого фотоприемника площадь поверхности фоточувствительного слоя довольно велика. Это, в свою очередь, приводит к неоправданно большой постоянной времени фотоприемника. Поэтому в приемной части используется точечный фотодиод, обладающий относительно высокой чувствительностью и малой постоянной времени.
В качестве передатчика оптического сигнала использованы свето-диоды, расположенные на некотором удалении от оси вращения вала. При этом необходимое количество светодиодов определено из условия необходимости обеспечения постоянной засветки поверхности фотоприемника по условию
90
Nmin > —
mm~ d-tg(ù'
arctg-
1)
где Л'тт - необходимое количество светодиодов; d - расстояние между плоскостями приемника и передатчика; со - угол расходимости излучения свето диода; D=2R - диаметр, на котором установлены свето диоды.
При введении цифрового канала передачи данных необходимо было решить задачу согласования выходных сигналов исследуемого устройства и входов передающей части оптического канала. При этом учитывалось, что выходные сигналы устройства могут быть как аналоговые, так и цифровые.
Для обеспечения возможности измерения и передачи аналоговых сигналов устройства в состав передающей части введен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) AD7606-4 производства компании Analog Devises. Данный АЦП имеет однополярное напряжение питания 2,35...5 В и обеспечивает аналогово-цифровое преобразование сигналов в диапазоне ±10 В. При этом оно обладает высоким быстродействием (200тыс. в секунду), а также имеет встроенный мультиплексор на 4 канала, что дает возможность подключения до 4-х аналоговых сигналов. Данное АЦП является 16-разрядным, поэтому оно позволяет осуществлять оцифровку аналоговых сигналов с разрешением 0,3 мВ.
Также была предусмотрена возможность передачи сигналов устройств с цифровым выходом. Для этого передающая часть оптического канала оборудована цифровыми входами интерфейса RS485 с пропускной способностью до 115200 бит/с. Данный интерфейс был выбран по следующим причинам: он обладает относительно высокой помехозащищенностью и легко сопрягается с интерфейсом RS232, при этом интерфейс получил наибольшее распространение среди устройств с цифровым выходом.
При организации протокола передачи данных учитывался тот факт, что в общем случае протокол передачи данных исследуемого устройства не определен. При этом по оптическому каналу данных необходимо обеспечить одновременную передачу как цифровых, так и аналоговых сигналов исследуемого объекта, которые оцифровываются АЦП.
Таким образом, в одном канале необходимо организовать асинхронную независимую передачу данных разработанного оптического канала и исследуемого объекта.
Учитывая вышесказанное, для возможности разделения двух пакетов двух источников данных в одном канале применено /ЖХ-кодирование передаваемых байт данных. В этом случае каждый передаваемый бит разбивается на старшую и младшую тетрады, которые кодируются в кодировке ASCII шеснадцатью символами, сопоставляемыми символам 16-тиричной системы счисления.
С этой целью для каждого источника данных была принята следующая кодировка:
- для передачи информации с исследуемого устройства применены символы «0-9» и «А-Б»;
- для кодирования сигналов АЦП используются строчные буквы латинского алфавита от «а» до «р».
Для синхронизации пакетов, передаваемых оптическим каналом, в конце каждого пакета передается служебный символ «5», который указывает на конец пакета данных от АЦП.
В результате удалось обеспечить передачу данных с двух источников информации в одном оптическом канале данных.
Система измерения угла поворота и угловой скорости вала
С целью обеспечения торированного показания утла поворота, а также угловой скорости вала стенда был разработан абсолютный оптический датчик угла. При этом с целью упрощения конструкции для индикации утла поворота вала использовалась вращающаяся часть оптического канала связи (передающая часть). В задачу разработки входило также: обеспечить максимальную разрешающую способность датчика угла при условии, что основная площадь поверхности передающей части (рис. 1) уже задействована под организацию оптического канала передачи данных и схему съема сигналов с исследуемого устройства.
В этих условиях применение традиционно используемых энкодеров построенных на коде Грея [1] (рис. 2), оказалось затруднительным по причине того, что датчик угла конструктивно должен быть реализован на ободе передающей части.
Рис. 2. Энкодер, построенный на 3-разрядном коде Грея
По этой причине в основу датчика угла был положен принцип шкалы Нониуса. Принцип работы шкалы основан на использовании двух шкал,
имеющих различный шаг, не кратный друг другу. Например, на серийно выпускаемых штангенциркулях основная шкала имеет шаг 1мм, а нониус -1,9 мм. По номеру деления нониуса, совпавшего с основной шкалой, определяют десятые доли миллиметра.
В данном случае основная шкала может быть реализована с помощью 8 фотоинтеррапторов, равномерно расположенных (с шагом 45 градусов) на некотрором радиусе от оси вращения растра, и большого сектора с угловым размером 90° (рис. 3).
Рис.3. Схема датчик угла на принципе шкалы Нониуса
Принцип работы датчика заключается в следующем.
При повороте на каждые 45° сектором будет закрываться одна из 8 пар соседних фотоинтеррапторов, по которым фиксируется угол поворота вала с точностью до 45°. .
Нониус реализуется с помощью 5 малых секторов угловым размером 7,5° с шагом 37,5° и обеспечивает повышения разрешающей способности датчика с точностью до 7,5°. Определение угла поворота вала в пределах 45° определяется по одной из 6 открытых фотоинтеррапторов, которые не используются для грубого определения поворота вала (с разрешением 45°).
Анализ работы датчика показал, что в каждый момент времени используются только 3 фотоинтераптора из 8, то есть информационная емкость фотоинтеррапторов используется не полностью.
Таким образом, используя в каждый момент времени большее количество фотоинтеррапторов, возможно повысить разрешающую способность датчика угла.
По этой причине вместо шкалы Нониуса был нанесен модернизированный код Грея (рис.4).
Модернизация кода заключается в исключении из стандартного 5-тибитного кода Грея (с учетом того, что 3 фотоинтераптора используются для грубого измерения положения вала), значений приводящих к невозможности однозначного определения угла поворота. К таким значениям относятся:
1. 00110011 (при 4 сдвигах вправо образуется код 00110011);
2. 00111011 (при 3 сдвигах вправо образуется код 01100111);
3. 01100111 (при 5 сдвигах вправо образуется код 00111011);
4. 01100011 (при 5 сдвигах вправо образуется код 00011011);
5. 00011011 (при 3 сдвигах вправо образуется код 01100011);
6. 01101011 (при 5 сдвигах вправо образуется код 01011011);
7. 01011011 (при 3 сдвигах вправо образуется код 01101011);
8. 01111011(при 3 сдвигах вправо образуется код 01101111);
9. 01101111(при 5 сдвигах вправо образуется код 01111011);
10. 01110111(при 4 сдвигах вправо образуется код 01110111);
11. 01110011 (при 4 сдвигах вправо образуется код 00110111);
12. 00110111 (при 4 сдвигах вправо образуется код 01110011).
С целью увеличения разрешающей способности датчика часть кодов удалось оставить пеутем наложения дополнительных условий к коду:
- количество единичных бит старшей тетрады меньше количества единичных бит младшей;
- код не может быть равен 01101011.
При этом исключается только 7 кодов: 00110011, 00111011, 01100011, , 01111011, 01110111, 01110011 (не удовлетворяют первому условию) и 01101011 (не удовлетворяет второму условию). Оставшиеся 5 запрещенных кодов при сдвигах вправо принимают значения, запрещенные условиями 3 и 4, поэтому могут быть сохранены.
I
Рис. 4. Датчик угла с модернизированным кодом Грея
Учитывая приведенные условия, количество возможных комбинаций п модифицированного кода в пределах 45° поворота диска составляет 25 (из 32 максимально возможных кодов).
В результате этого разработанный датчик угла обеспечивает разрешение 1,8°, при максимально достижимом разрешении на 8 фотоинтеррап-торах 1,4°.
Заключение
Предложенный оптический канал передачи данных обеспечивает передачу как цифровых сигналов с пропускной способностью до 115200 бит/с, так и аналоговых с амплитудой ±10 В.
В то же время совмещение оптического канала с абсолютным датчиком угла на основе модифицированного кода Грея обеспечивает определение угла поворота стенда с разрешением 1,8° и угловой скорости с частотой обновления сигнала 200 раз на 1 оборот вала.
Предложенная схема построения датчика угла по сравнению с существующими абсолютными энкодерами обладает существенным преимуществом, которое заключаются в том, что основная поверхность модулирующего диска датчика остается незадействованной и может быть использована для других целей. При этом потеря разрешающей способности, по сравнению с максимально возможной, незначительна.
Таким образом, технические решения, использованные при разработке стенда, могут эффективно использоваться в других областях науки.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №10-08-00230а «Научные основы построения малогабаритных систем ориентации и навигации для беспилотных вращающихся по крену летательных аппаратов».
Список литературы
1. Датчики измерительных систем: в 2 кн. / Аш Ж. [и др.]; пер. с фр. М.: Мир, 1992. 480 с.
А.Р. Shvedov, M.G. Pogorelov
THE TEST UNIT FOR MANOEUVRABLE REVOLVING VEHICLES ORIENTATION SISTEM
This article is considered the implementation of optical data link. Moreover, the data acquisition system for the single-axis rotary test unit with frequency of rotation up to 30 Hz and is developed by Control devise department ofTSU. Too suggest the absolute encoder design on the modified Gray code which resolution to 1,8 degrees.
Key word: rotating test unit, data optical transmission, absolute encoder, Gray code.
Получено 3.12.12
