Key: Target Motion Simulator (TMS), Flight Motion Simulator (FMS), HWIL/EtherCAT/DTMS 

Giới thiệu

Bộ mô phỏng chuyển động mục tiêu (TMS) và Bộ mô phỏng chuyển động chuyến bay (FMS) được sử dụng để mô phỏng các kịch bản theo dõi và giao tranh mục tiêu cho tên lửa dẫn đường. Mục tiêu của mô phỏng là phát triển và thử nghiệm hệ thống điều khiển tên lửa cũng như xác nhận hiệu suất của hệ thống trong môi trường phòng thí nghiệm – môi trường cho phép tái tạo chính xác môi trường thử nghiệm với chi phí thấp hơn.

TMS mô phỏng chuyển động của mục tiêu. Các mục tiêu điển hình bao gồm xe cộ và tòa nhà hoặc di chuyển nhanh các vật thể như máy bay hoặc tên lửa tấn công. 

FMS mô phỏng chuyển động quay của tên lửa muốn bắn trúng mục tiêu mô phỏng. Tên lửa thường có khả năng phát hiện tần số hồng ngoại (IR) hoặc tần số vô tuyến (RF) kịch bản; do đó TMS được trang bị để mô phỏng dấu hiệu của mục tiêu IR hoặc RF. 

Để loại trừ các ảnh hưởng bên ngoài và phản xạ RF, cả bộ mô phỏng TMS và FMS thường được đặt bên trong buồng không phản xạ.

FMS là một bộ mô phỏng chuyển động ba trục. Cả ba trục đều trực giao với nhau, thực hiện chuyển động quay và cắt nhau tại một điểm duy nhất. Trục bên trong nhất là trục cuộn và thường có khả năng quay không giới hạn. Trục lệch của trục giữa và trục lệch của trục ngoài được giới hạn ở một góc chuyển động nhất định, ví dụ +/- 60 độ.

Nguyên tắc kết hợp FMS với TMS

1. TMS trường gần, thường được sử dụng cho các mục tiêu IR. Trong trường hợp này, khoảng cách giữa đầu tìm kiếm tên lửa và mục tiêu không quan trọng vì mục tiêu IR là chùm tia chuẩn trực. TMS trường gần bao gồm các trục quay góc phương vị và độ cao xung quanh FMS. Nếu người tìm kiếm được căn chỉnh trực tiếp với mục tiêu thì trục độ cao của TMS thẳng hàng với trục cao độ của FMS. Đối với độ lệch và góc phương vị, mối quan hệ tương tự là đúng. Khoảng cách giữa đầu dò tên lửa và mục tiêu là khoảng 1m.

 

  Cấu hình TMS trường gần: trục mục tiêu và đầu tìm kiếm, được kết nối với hệ thống gimball cố định

1. Hai tùy chọn còn lại được gọi là mô phỏng chuyển động mục tiêu trường xa. Chúng được cấu hình như một hệ thống định vị X-Y tuyến tính hoặc cong hai trục. Khoảng cách giữa mục tiêu và đầu dò tên lửa phụ thuộc vào bước sóng của mục tiêu hoặc nguồn RF và có thể dài nhiều mét.

Cấu hình TMS khung cong

Khung cong có ưu điểm là mục tiêu luôn hướng ngược về đầu người tìm kiếm tên lửa do thiết kế cơ học của chúng. Khoảng cách giữa tâm quay của FMS và TMS được cố định và bằng bán kính của khung cong.

Cấu hình TMS khung phẳng

TMS khung phẳng mang lại sự linh hoạt hơn vì khoảng cách giữa đầu tìm tên lửa và mục tiêu có thể thay đổi. Một hệ thống gimball ba trục được gắn trên đường ray tuyến tính. Các trục bổ sung đảm bảo rằng mục tiêu liên tục hướng về phía đầu tìm kiếm tên lửa. Việc trỏ được điều phối bởi phần mềm và do đó có thể được điều chỉnh theo các khoảng cách khác nhau, trong khi khung cong có bán kính cố định do thiết kế cơ học của chúng. TMS khung phẳng có cấu trúc cơ học đơn giản hơn và tạo điều kiện cho việc tích hợp nhiều mục tiêu.

 

Thiết kế hệ thống

Một bộ mô phỏng chuyển động mục tiêu kép (DTMS) có hai bộ mô phỏng chuyển động mục tiêu khung phẳng phía sau nhau. Phần tiếp theo VNB giới thiệu ngắn gọn về thiết lập DTMS để hiểu rõ hơn về thiết kế tổng thể.

Thiết lập cơ điện

TMS bao gồm ba cụm chính: (a) cụm ray ngang (hướng X), (b) cụm ray dọc (hướng Y) và (c) giá đỡ tải trọng có chốt. Hai cụm ray ngang, một ở trên và một ở dưới, trải dài trên ±7,5m và dẫn hướng chuyển động theo trục X. Trên mỗi cụm ray X có lắp một cỗ xe (d), được trang bị động cơ, đầu bánh răng và bánh răng nhỏ, chạy trên đường ray. Toa trên và toa dưới được kết nối trực tiếp với cụm ray dọc.

 

Cụm đường ray thẳng đứng kéo dài trên ± 5m. Một cỗ xe trên cụm ray thẳng đứng, di chuyển theo hướng Y, được dẫn động qua dây đai bởi hai động cơ DC không chổi than (e), mỗi động cơ ở mỗi đầu. Động cơ được ghép trực tiếp với trục đai. Phanh cơ điện giữ trục chống lại trọng lực khi vòng servo không hoạt động. 

 

Giá đỡ tải trọng có ba trục được gắn trên khung đỡ của đường ray thẳng đứng. Hai trong số các trục được sử dụng để duy trì góc hướng về tâm quay của FMS bằng cách nghiêng theo chiều dọc hoặc chiều ngang. Trục thứ ba được sử dụng để cuộn tải trọng quanh trục của chính nó. Phần cứng mục tiêu của khách hàng có trọng lượng lên tới 15kg có thể được tích hợp vào giá đỡ tải trọng.

 

DTMS bao gồm hai trục tuyến tính và ba trục quay cho mỗi TMS với tổng góc tự do là 10.

Các bộ truyền động servo thế hệ mới nhất được sử dụng để đảm bảo tính năng động hiệu suất cao. Các thiết bị phản hồi bổ sung được gắn ở phía truyền động để xác định chính xác vị trí tuyệt đối của các trục. Bộ mã hóa tuyệt đối tuyến tính hoàn toàn kỹ thuật số được gắn trực tiếp trên cụm đường ray dọc và ngang. Bàn trượt trên và dưới di chuyển độc lập và không có trục truyền động cơ học giữa chúng. Được đồng bộ hóa thông qua phần mềm để đảm bảo chuyển động ngang song song.

An toàn

Một tập hợp các biện pháp liên quan đến an toàn để bảo vệ con người và máy móc khi xảy ra lỗi. 

1. Để đảm bảo an toàn cho con người, hệ thống chỉ có thể được vận hành trong buồng cách âm đóng và khóa.
2. Đồng bộ hóa hệ thống giữa các động cơ khác nhau, ví dụ: động cơ lắp ráp đường ray X phía dưới và phía trên, được thực hiện thông qua Ethernet thời gian thực và được hỗ trợ bằng mạch an toàn tiên tiến.
3. Các thiết bị quang học bổ sung giám sát sự thẳng hàng của hai toa xe và báo cáo lỗi cho phần cứng an toàn.
4. Rơle giám sát độc lập báo cáo sự cố ngừng hoạt động của bất kỳ phần cứng máy tính nào có liên quan và ra lệnh tắt hệ thống ngay lập tức. Các cấp độ khác nhau của quy trình tắt trục được triển khai, từ thuật toán dừng nhanh đến cắt điện ngay lập tức.

Giao diện người dùng

DTMS là một phần chính của môi trường thử nghiệm tổng hợp tổng thể do chính người dùng cuối thiết kế. Môi trường này thường bao gồm bộ mô phỏng chuyển động mục tiêu, bộ mô phỏng chuyển động chuyến bay, phần cứng mục tiêu, ví dụ: ăng-ten radar, đầu tìm kiếm radar, máy tính mô hình chuyến bay, máy tính tạo cảnh, điều khiển và thu thập dữ liệu phần cứng.

Giao diện của khách hàng với kiến ​​trúc điều khiển cho phép truy cập trực tiếp vào tất cả các thông số điều khiển của bộ mô phỏng chuyển động (DTMS cũng như FMS). Đối với mỗi vị trí khung tính toán, tốc độ và gia tốc có thể được ra lệnh.

Các thuật toán tiên tiến bên trong bộ điều khiển cũng chấp nhận các lệnh với bất kỳ phần nào của tốc độ lấy mẫu của hệ điều hành thời gian thực của bộ điều khiển hoặc với các vectơ trạng thái giảm, ví dụ: chỉ các lệnh vị trí và tốc độ.

Các thuật toán lệch thời gian được thiết kế để hệ thống vận hành trơn tru và đơn giản hóa quy trình ra lệnh. Việc kiểm tra tính hợp lý của các trạng thái hệ thống chỉ huy riêng lẻ được thực hiện bởi hệ thống điều khiển hoặc được đảm bảo bởi khách hàng.

 

Hệ thống điều khiển thời gian thực

Khi thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ mô phỏng chuyển động, các thành phần cơ bản như bộ điều khiển, bộ truyền động, cảm biến và giao diện phải được đánh giá. Thách thức là chọn thành phần đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật cần thiết và có giao diện phù hợp để liên lạc.

 

Cách tiếp cận truyền thống

Giao diện giữa các thành phần được thực hiện thông qua tín hiệu tương tự. Một kết nối analog dây đơn được sử dụng cho mỗi tín hiệu phải được truyền theo từng hướng. Tùy thuộc vào thiết bị, điều này dẫn đến nhiều kết nối giữa các thiết bị vì thường phải trao đổi nhiều tín hiệu, chẳng hạn như dữ liệu và trạng thái, lệnh điều khiển hoặc kích hoạt.

Bộ điều khiển là trung tâm của hệ thống, giao tiếp với tất cả các thiết bị riêng lẻ để trao đổi thông tin. Kết quả là các bó dây phải được kết nối và điều này thường ở khoảng cách xa hơn.

• Ưu điểm của đường dẫn tín hiệu tương tự là nó rất nhanh và mang tính quyết định. Nó cũng phổ biến vì không có giao thức nào liên quan. 
• Nhược điểm của việc sử dụng cách tiếp cận như vậy ngày càng trở nên rõ ràng hơn trong các hệ thống lớn và phân tán. Do sự suy giảm tín hiệu như vậy trên khoảng cách xa, sự thu nhiễu hoặc vòng lặp trên mặt đất là một số vấn đề có thể xảy ra. Và tất nhiên công việc nối dây phức tạp và tốn kém có thể xảy ra.

 

Cách tiếp cận mới 

Trong vài năm gần đây, một số công nghệ fieldbus mới đã xuất hiện cho phép giao tiếp nhanh chóng, xác định giữa bộ điều khiển và các thiết bị ngoại vi liên quan và có thể được sử dụng để truyền dữ liệu theo thời gian thực và không theo thời gian thực. 

Trong hệ thống được thiết kế với cấu ​​trúc fieldbus, chẳng hạn như EtherCAT®[1], một bus kết nối tất cả các thiết bị nối tiếp như ổ đĩa, cảm biến và thiết bị ngoại vi IO. Dữ liệu thời gian thực như thông tin vị trí hoặc lệnh điều khiển có thể được trao đổi cũng như dữ liệu phi thời gian thực như trạng thái và các từ lỗi. Chỉ có một kết nối duy nhất và không cần kết nối từng dây riêng lẻ giữa các thiết bị. Điều này làm giảm đáng kể và đơn giản hóa việc nối dây của hệ thống và tăng lượng thông tin có thể trao đổi qua bus.

Bộ điều khiển thường xử lý việc liên lạc giữa các thiết bị khác nhau. Một số fieldbus, chẳng hạn như EtherCAT, cho phép đồng bộ hóa các thiết bị để tất cả chúng đều hoạt động trên cùng một đồng hồ. Chúng thậm chí có thể được sửa riêng lẻ để bù đắp cho sự chậm trễ hoặc chênh lệch bổ sung.

 

EtherCAT

EtherCAT® là một bus kết nối Ethernet mở, không độc quyền, hiệu suất cao. Sức mạnh của nó nằm ở thời gian chu kỳ ngắn (<100µs) và độ biến động thấp (<1µs). Nó dựa trên hệ thống cáp Ethernet và sử dụng giao thức Ethernet cơ bản. Khác với Ethernet tiêu chuẩn, nơi các khung riêng lẻ được gửi đến từng nút mục tiêu, sau đó được giải thích và xử lý, EtherCAT gói các thông báo cho tất cả các thiết bị vào một khung. Mỗi thiết bị đọc và chèn dữ liệu của nó vào khung này khi nó đi qua thiết bị. Điều này làm giảm số lượng khung hình phải gửi và tăng tính xác định khi khung hình liên tục đi qua mạng mà không bị trễ đáng kể. Thông thường toàn bộ mạng có thể được xử lý bằng một khung.

Về phần cứng, EtherCAT sử dụng phần cứng Ethernet tiêu chuẩn như cáp, đầu nối hoặc bộ chuyển mạch.

 

Kiểm soát cấu trúc liên kết

Fieldbus là một trong những tiến bộ vượt trội trong ngành. Các bộ truyền động servo đã thay đổi từ việc chỉ là một “bộ chuyển đổi điện áp-dòng điện” sang bao gồm các vòng điều khiển, bộ lọc, bảng tra cứu và các thành phần điều khiển khác. Ngoài ra, các bus trường mới đang được tích hợp cho phép chúng được kết nối với mạng fieldbus và trao đổi dữ liệu lệnh cũng như phản hồi hoặc thông tin trạng thái với bộ điều khiển phụ trách.

Sự phân bố các vòng lặp giữa máy tính điều khiển và bộ điều khiển có thể được xác định tùy thuộc vào cấu hình bộ điều khiển, khả năng bù và các yêu cầu thiết kế khác.

Ví dụ, hai kiến ​​trúc khả thi được trình bày về cách có thể hình thành cấu trúc liên kết điều khiển. Mỗi bộ điều khiển được thực hiện bằng cách sử dụng một tập hợp các vòng điều khiển lồng nhau. Vòng bên trong nhất thường là vòng điều khiển mô-men xoắn hoặc dòng điện; nó được thực hiện trực tiếp trên phần cứng ổ đĩa servo. Một cảm biến chuyển mạch xác định vị trí rôto của mô men xoắn được kết nối trực tiếp với bộ truyền động servo.

 

• PA1: Các vòng vị trí, tốc độ và mô-men xoắn đều được đóng trong máy tính điều khiển tức là đóng vòng lặp vị trí và tốc độ trên máy tính điều khiển bằng cách đọc phản hồi vị trí và tốc độ từ bộ truyền động. Điều này đòi hỏi một phần mềm điều khiển tiên tiến hơn trên máy tính điều khiển vì việc bù trừ chủ yếu được thực hiện trên máy tính điều khiển. Mặt khác, nó cho phép điều chỉnh hoạt động của hệ thống điều khiển ở mức độ tốt hơn bằng cách thêm nhiều thành phần điều khiển nâng cao hơn mức có sẵn trong bộ điều khiển.
• PA2: Các vòng vị trí, tốc độ và mô-men xoắn được đóng trong các bộ truyền động servo riêng lẻ tức là đóng vòng lặp vị trí và tốc độ trên bộ truyền động bằng cách sử dụng khả năng điều khiển tích hợp. Điều này giúp đơn giản hóa phần mềm trong máy tính điều khiển nhưng hạn chế khả năng điều chỉnh các tính năng có sẵn trong ổ đĩa.

Các đặc tính của hệ thống thường được mô hình hóa bởi một bộ quan sát trạng thái đang chạy ở cùng tốc độ khung hình với hệ thống điều khiển và có thể được triển khai trong máy tính điều khiển hoặc bộ điều khiển servo. Nó ước tính vị trí, tốc độ và gia tốc của trục servo. Lỗi khớp mô hình của vị trí thực và vị trí ước tính được bộ bù của người quan sát sử dụng để cải thiện hành vi theo dõi của người quan sát.

Các vòng bù tốc độ và vị trí có thể được đóng lại bằng cách sử dụng các phần tử lọc bậc hai tiêu chuẩn. Ít nhất một trong số chúng thường có hành vi tích hợp để đảm bảo không có lỗi ở trạng thái ổn định. Hệ thống có thể được tinh chỉnh bằng cách sử dụng các kỹ thuật truyền tiếp định hình vòng lặp. Bảng tra cứu (LUT) trên máy tính điều khiển hoặc bộ truyền động có thể cho phép bù các hiệu ứng mô-men xoắn gợn sóng của động cơ và/hoặc các lỗi lắp cơ khí của trục.

Hệ thống điều khiển DTMS

Các kỹ thuật hệ thống điều khiển được mô tả ở trên được sử dụng để thiết lập kiến ​​trúc cho DTMS.

Điều khiển bộ mô phỏng chuyển động, một hệ thống điều khiển thời gian thực phân tán đã được thiết kế thông qua các nhiệm vụ điều khiển khác nhau được phân chia giữa các thành phần khác nhau của hệ thống, sử dụng trí thông minh sẵn có của tất cả các thành phần một cách tối ưu. Giao tiếp giữa các thành phần được thực hiện bằng EtherCAT.

Thành phần quan trọng là máy tính điều khiển giám sát dựa trên phần cứng kiến ​​trúc PXI. Đóng vai trò là bộ não của mạng EtherCAT và điều phối tất cả các chuyển động cũng như nhiệm vụ an toàn của trình mô phỏng chuyển động mục tiêu.

Phản hồi vị trí tuyệt đối được đưa trở lại máy tính điều khiển để cung cấp cho bộ quan sát trạng thái nhằm đóng vòng điều khiển vị trí. Sự chuyển đổi tọa độ giữa các vị trí X và Y cũng như các góc nghiêng của giá treo tải trọng có gimball cũng được tính toán ở đây.

 

Bảy ổ đĩa servo thông minh trên mỗi TMS, tất cả đều được kết nối với bus EtherCAT, xử lý vòng lặp dòng điện băng thông cao trực tiếp trên phần cứng ổ đĩa. Trong một số trường hợp, các tác vụ điều khiển khác cũng được triển khai trên bộ truyền động servo, ví dụ như bộ quan sát tốc độ và vòng phản hồi tốc độ. Các chức năng an toàn và giám sát vận hành được xử lý bởi cả phần cứng truyền động servo và máy tính điều khiển.

 

Một nhiệm vụ quan trọng khác của máy tính điều khiển là tổ chức liên lạc với máy tính chủ của người dùng. Thông thường, người dùng cuối sẽ ra lệnh và điều khiển DTMS từ phần cứng của chính họ môi trường mô phỏng HWIL. Giao diện bộ nhớ phản chiếu VMIC[2] được cài đặt vì lý do này. Người dùng có thể sử dụng các tính năng Ngôn ngữ lệnh (ACL) ACUTROL®[3] tiêu chuẩn để định cấu hình và ra lệnh cho trình mô phỏng DTMS.

 

Hiệu suất và kết quả

Đo vị trí và tốc độ

Để chứng minh hiệu suất vị trí và tốc độ, TMS được điều khiển từ vị trí ngoài cùng bên trái ở -3m đến vị trí ngoài cùng bên phải ở tốc độ +3m với gia tốc 10m/s2 và tốc độ 4m/s. Vị trí và tốc độ yêu cầu được theo dõi rất chính xác bởi hệ thống điều khiển của TMS, dẫn đến chuyển động rất trơn tru mà không bị vọt lố và dao động.

 

Hiệu suất trỏ

DTMS nhận vị trí, tốc độ và gia tốc hoặc một tập hợp con của chúng cho các mục tiêu từ máy chủ của người dùng khi chúng được nhận diện từ FMS. Tùy thuộc vào khoảng cách giữa mục tiêu và FMS, các lệnh được chuyển đổi thành chuyển động tuyến tính của cụm ray X và Y và các chuyển động góc tương ứng của giá treo tải trọng có chốt.

Do đó, hiệu suất trỏ là thước đo lý tưởng để xác định hiệu suất tĩnh và động kết hợp của hệ thống. Phép biến đổi tọa độ và tất cả các vòng servo của các trục tương ứng cũng như các bảng tra cứu đều hoạt động cùng một lúc.

Hiệu suất trỏ tĩnh và động được đo bằng tia laser được gắn vuông góc trên bệ tải trọng của DTMS. 

EtherCAT và các bus thời gian thực khác cho phép thiết kế một hệ thống phân tán và rất linh hoạt. Việc đi dây trở nên dễ dàng hơn, linh hoạt hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Cho phép sử dụng kiến ​​trúc phân tán trong đó thiết bị có thể được đặt gần nguồn dữ liệu hơn mà không làm mất tính khả dụng của dữ liệu theo thời gian thực cần thiết cho hệ thống điều khiển như vậy. 

EtherCAT là một giải pháp tối ưu và mạnh mẽ với khả năng xác định thời gian thực. Được sử dụng thành công trong các trình mô phỏng chuyển động mục tiêu kép với 10 bậc tự do và tám thiết bị trên mỗi trình mô phỏng, tất cả được kết nối với nhau thông qua EtherCAT.