張 磊，肖 凡，劉丙杰

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266019)

導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)設(shè)計方法研究

張 磊，肖 凡，劉丙杰

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266019)

運(yùn)用建模的技術(shù)對導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)進(jìn)行模型設(shè)計過程中，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)需求描述模型、結(jié)構(gòu)模型和行為模型等的設(shè)計;首先對導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了分析，然后在此基礎(chǔ)上利用UML建模方法進(jìn)行測試系統(tǒng)的各項(xiàng)模型設(shè)計，通過分解用例圖說明測試系統(tǒng)的需求描述模型，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系及關(guān)聯(lián)關(guān)系建立了測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用序列圖建立了測試系統(tǒng)的行為描述模型;最后，根據(jù)上述模型設(shè)計提出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及布置關(guān)系的設(shè)計方案，并且在實(shí)際導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)開發(fā)中得到了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)的各項(xiàng)測試功能;結(jié)果表明，采用該建模方法不但能夠有效提高系統(tǒng)設(shè)計的效率，而且系統(tǒng)在實(shí)用性的基礎(chǔ)上，還具有復(fù)用性及拓展性。

導(dǎo)彈平臺；測試系統(tǒng)；UML；模型

0 引言

導(dǎo)彈慣性平臺(以下簡稱平臺)是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的核心儀器，也是控制系統(tǒng)慣性測量部件，用來測量導(dǎo)彈在慣性坐標(biāo)系3個方向的視加速度和彈體坐標(biāo)系的三個姿態(tài)角信號，供導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)與姿控系統(tǒng)使用，是導(dǎo)彈重要的技術(shù)保障裝備之一。一般采用陀螺、速度計、二次集成電路、微組裝電路、雙通道姿態(tài)角傳感器、動壓電機(jī)、計算機(jī)控制、數(shù)字輸出等新技術(shù)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新技術(shù)密集，其性能測試是設(shè)備日常維護(hù)的重要工作，文獻(xiàn)[1] 闡述了平臺產(chǎn)生倒臺的基本原理和某型慣性平臺的測角原理，提出了防倒臺保護(hù)電路的設(shè)計思想，給出了具體的設(shè)計過程，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了保護(hù)電路的有效性；文獻(xiàn)[2]確定的測試方法可測試出出慣性平臺動態(tài)漂移性能，該方法為解決傳統(tǒng)動態(tài)測試中人工操作誤差大、自動化程度低的問題提供了新的方案；文獻(xiàn)[3]在深入研究了某型號平臺調(diào)平原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套全新的嵌入式調(diào)平系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]分析了平臺瞄準(zhǔn)穩(wěn)定的工作原理，解析了平臺坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[5]根據(jù)平臺系統(tǒng)的穩(wěn)定工作原理，通過建立平臺系統(tǒng)的動力學(xué)方程，詳細(xì)分析了搖擺條件下平臺的動態(tài)特性，從平臺動力學(xué)的角度詳細(xì)分析了產(chǎn)生搖擺漂移的機(jī)理。上述研究成果從不同側(cè)重點(diǎn)出發(fā)，涉及了導(dǎo)彈平臺的某一特性或者機(jī)理，但對于平臺測試系統(tǒng)設(shè)計的研究成果卻鮮有報道。

隨著導(dǎo)彈平臺測試項(xiàng)目與測試分析的逐步豐富，對平臺測試系統(tǒng)設(shè)計方法的實(shí)用性、復(fù)用性等需求日益顯現(xiàn)。文中將對此進(jìn)行探討和研究，以滿足需求的不斷變化，為提高平臺測試系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)用性、復(fù)用性等提供了技術(shù)途徑。

1 測試系統(tǒng)工作流程分析

導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在各種工況下對平臺三軸各姿態(tài)角的測量、3個方向上加速度的輸出測量以及3個軸端力矩電機(jī)的輸出測量，通過計算分析出平臺的性能和精度，具體應(yīng)該完成平臺穩(wěn)定回路測試、調(diào)平回路測試、加速度輸出測試、方位對準(zhǔn)回路測試、漂移系數(shù)測試、保護(hù)電路測試、姿態(tài)角測試等多項(xiàng)測試，目的就是評定平臺的性能狀態(tài)，為整個導(dǎo)彈測試做準(zhǔn)備。

根據(jù)上述要求，平臺測試系統(tǒng)可設(shè)計為如下實(shí)體：慣性平臺、三軸搖擺臺、驅(qū)動電源、信號采集裝置、測試控制裝置和方位對準(zhǔn)裝置。整個測試系統(tǒng)的基本工作流程如下：平臺安裝在三軸搖擺臺上以進(jìn)行各種測試；三軸搖擺臺模擬導(dǎo)彈飛行過程中彈體的三維運(yùn)動；驅(qū)動電源提供平臺以及三軸搖擺臺工作所需的各種交流和直流電源；信號采集裝置采集平臺輸出的各種姿態(tài)角、加速度等信號；對準(zhǔn)裝置提供平臺對準(zhǔn)的基準(zhǔn)并進(jìn)行對準(zhǔn)時的角度測量；測試控制裝置進(jìn)行測試項(xiàng)目、過程的控制，管理驅(qū)動電源的啟閉，并且對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計

導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各項(xiàng)模型的設(shè)計，這需要對平臺測試系統(tǒng)的測試需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和系統(tǒng)工作任務(wù)進(jìn)行仔細(xì)的分析，在此基礎(chǔ)上有針對性地提出相應(yīng)的模型。本文利用UML(unified modeling language)基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)領(lǐng)域的可視化建模方法應(yīng)用于導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)設(shè)計，可以方便快捷的構(gòu)建測試系統(tǒng)。

采用UML建模方法設(shè)計導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)，主要工作包括需求描述模型設(shè)計、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計以及行為模型設(shè)計。對應(yīng)上述三種模型設(shè)計，UML方法采用三類不同的圖形來分別實(shí)現(xiàn)：測試系統(tǒng)的需求描述模型設(shè)計具體采用用例圖來實(shí)現(xiàn)，測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計具體采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的對象類圖來實(shí)現(xiàn)，測試系統(tǒng)的行為模型設(shè)計具體采用動態(tài)行為圖中的順序圖來實(shí)現(xiàn)。

2.1 需求描述模型

對于導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)，需求描述就是系統(tǒng)測試項(xiàng)目或者功能的描述，即用戶能夠運(yùn)用系統(tǒng)提供的測試項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)各種平臺測試。用例圖能夠體現(xiàn)系統(tǒng)用戶(使用者)與系統(tǒng)提供的用例(測試項(xiàng)目)之間的某種聯(lián)系[6-7]，借助用例圖可以明確測試系統(tǒng)的各項(xiàng)測試需求、應(yīng)用范圍等。在具體的需求描述模型設(shè)計中，采用橢圓表示用例即測試功能，采用“人形”圖符表示系統(tǒng)的用戶，用例和用戶之間的連線表示二者之間的關(guān)聯(lián)和信息交流。測試系統(tǒng)需要提供能夠滿足用戶測試需求的各種平臺測試，包括穩(wěn)定回路測試、調(diào)平回路測試、方位對準(zhǔn)測試、漂移系數(shù)測試、姿態(tài)角測試、加速度等測試，系統(tǒng)用例模型圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)用例模型圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

平臺測試系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備眾多，包括慣性平臺、三軸搖擺臺、驅(qū)動電源、信號采集裝置、測試控制裝置和方位對準(zhǔn)裝置等，設(shè)備間相互關(guān)聯(lián)。類(Class)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)中最基本的元素，類模型揭示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。因此可以采用類模型進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模，具體方法如下：首先細(xì)化用例模型，提取系統(tǒng)中的類，然后對類的屬性和操作進(jìn)行描述。

由需求描述的用例圖可知，各項(xiàng)測試依托測試系統(tǒng)進(jìn)行，因此，可以建立測試類模型(Test)來統(tǒng)管不同子類，各子類描述相應(yīng)的平臺測試項(xiàng)目，具體而言，根據(jù)圖1的系統(tǒng)需求描述可設(shè)計為穩(wěn)定測試類(Sta-test)、調(diào)平測試類(Hor-test)、對準(zhǔn)測試類(Aim-test)、漂移測試類(Shift-test)、保護(hù)測試類(Safe-test)、姿態(tài)角測試類( Gtest-test)、加速度測試類(Acc-test)和用于功能拓展的其它測試類(Oth- test)。另一方面，根據(jù)測試系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成建立不同的實(shí)體類模型，包括慣性平臺類(Inertia-platform)、三軸搖擺臺類(Swing-rack)、驅(qū)動電源類(Driving-force)、信號采集裝置類(Signal-collection)、對準(zhǔn)裝置類(Aiming-device)、測試控制裝置類(Control-device)。測試類(Test)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系及相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系及關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.3 行為描述模型

厘清平臺測試系統(tǒng)測試項(xiàng)目間的行為關(guān)系是建模的重要環(huán)節(jié)，UML的順序圖也稱序列圖，能夠很好的描述系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)部和設(shè)備之間的交互情況，體現(xiàn)設(shè)備間消息傳遞的時間順序，有利于快速建模和反復(fù)重用，提高系統(tǒng)開發(fā)效率和設(shè)計效果。

平臺測試系統(tǒng)工作時的行為順序如下：測試管理器將平臺測試步驟轉(zhuǎn)化成控制模型；測試控制裝置根據(jù)不同的測試控制模型制定相應(yīng)的測試控制規(guī)則，啟動相應(yīng)的電源輸出電路驅(qū)動對準(zhǔn)裝置、慣性平臺、信號采集裝置等硬件設(shè)備；三軸搖擺臺給慣性平臺提供三維空間位置，模擬彈體飛行時各種姿態(tài)運(yùn)動狀態(tài)；對準(zhǔn)裝置將基準(zhǔn)對準(zhǔn)信號傳遞給慣性平臺；慣性平臺完成穩(wěn)定、調(diào)平、漂移、對準(zhǔn)等測試，其輸出信息由信息采集裝置采集，信息采集裝置將信息轉(zhuǎn)化后發(fā)送給測試控制裝置，測試控制裝置對測試信息進(jìn)行結(jié)果分析。這一行為過程如圖3所示。

圖3 平臺測試行為順序圖

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前文所建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及行為描述模型，平臺測試系統(tǒng)的硬件支撐環(huán)境可設(shè)計為如下部分：測試控制臺、三軸搖擺慣性平臺和對準(zhǔn)裝置。軟件包括測試管理軟件和測試軟件兩部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試控制臺是整個測試系統(tǒng)的核心，運(yùn)行測試管理軟件和測試軟件，由對外接口、控制設(shè)備、供電控制、信號測試及人機(jī)交互等幾大部分組成，通過測試電纜分別與平臺、搖擺臺以及對準(zhǔn)裝置連接。在平臺測試過程中，由測試控制臺中的嵌入式計算機(jī)發(fā)出各種控制指令與測試命令，用于操控測試進(jìn)程，給系統(tǒng)提供各種工作電源、測試平臺數(shù)據(jù)、顯示測試數(shù)據(jù)和分析測試結(jié)果。其中供電控制電路將AC220V的輸入電源根據(jù)一定的變換關(guān)系產(chǎn)生所需的各種電壓，驅(qū)動平臺、搖擺臺工作；同時，給光路對準(zhǔn)裝置和人機(jī)交互設(shè)備提供電源。

三軸搖擺慣性平臺為系統(tǒng)的重要部分，平臺固定于三軸搖擺臺上。三軸搖擺臺是機(jī)電設(shè)備，由元器件、控制電機(jī)、角度傳感器、機(jī)械安裝支架等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)三個方向上的轉(zhuǎn)動。三軸搖擺臺采用線性控制理論，使用電流傳感器作為電流反饋器件、增量式光電碼盤作為數(shù)字位置反饋器件、碼盤信號經(jīng)過F/V變換作為模擬速度反饋以實(shí)現(xiàn)典型的三回路閉環(huán)控制。搖擺臺三軸均采用直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動，采用光電編碼器為測角元件，并裝有尋零開關(guān)用于搖擺臺的尋零操作。借助此搖擺臺，平臺測試系統(tǒng)可以提供動基座條件下的平臺測試。平臺采用導(dǎo)彈實(shí)裝平臺設(shè)備，由臺體組合件、框架系統(tǒng)、基座、安裝架及線路安裝板等組成，在測試控制臺的控制下閉合不同的平臺測試回路，輸出姿態(tài)角或者加速度信號給測試控制臺采集，配合三軸搖擺臺完成平臺的各項(xiàng)測試。

對準(zhǔn)裝置通過激光發(fā)光器提供紅色基準(zhǔn)光路，設(shè)置光電傳感器感知反射光位置。對準(zhǔn)裝置的核心器件是光源收發(fā)器，內(nèi)含1個激光發(fā)射器和4個光電開關(guān)。裝置外表面有5個光線收發(fā)孔，中間為基準(zhǔn)光線發(fā)射孔(對應(yīng)1個激光發(fā)射器，半徑為1毫米)，左右兩邊各均布2個孔(半徑為1毫米)，分別是正、負(fù)掃瞄接收孔和準(zhǔn)直接收孔(對應(yīng)4個光電開關(guān))，激光發(fā)射器、光電開關(guān)與接口導(dǎo)線聯(lián)通。在進(jìn)行平臺瞄準(zhǔn)測試時，基準(zhǔn)光線發(fā)射孔里發(fā)出1束基準(zhǔn)激光射向平臺對準(zhǔn)軸上的反射棱鏡，當(dāng)平臺上的方位軸轉(zhuǎn)動時，帶動方位軸上的反射棱鏡一起轉(zhuǎn)動，將基準(zhǔn)光線反射到對準(zhǔn)裝置上相應(yīng)的接收孔里，使接收孔里的光電開關(guān)由斷開到接通，此動作信號通過測試電纜傳輸?shù)綔y試控制臺中，給出平臺掃瞄或者準(zhǔn)直等信號，完成瞄準(zhǔn)測試。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件由嵌入式計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集測試兩個不同運(yùn)行環(huán)境中的軟件組成。

嵌入式計算機(jī)軟件作為測試管理軟件，是整個軟件結(jié)構(gòu)的中心，包括主控制軟件、通訊軟件和顯示軟件，采用了層次化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法。軟件采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺采用Visual C++ 7.0。數(shù)據(jù)采集測試軟件實(shí)現(xiàn)平臺具體信號的采集與測試，以用戶管理接口為主線程，將指令接收、實(shí)時采集、數(shù)據(jù)存儲設(shè)定為子線程，在嵌入式計算機(jī)的控制下采集數(shù)據(jù)，通過串口通訊把測試結(jié)果傳送給嵌入式計算機(jī)進(jìn)行可視化顯示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計的平臺測試系統(tǒng)的測試效果，進(jìn)行驗(yàn)證性測試。連接好設(shè)備間電纜，啟動測試控制臺、三軸搖擺慣性平臺，登錄用戶界面，選擇姿態(tài)角測試項(xiàng)目，系統(tǒng)開始自動測試，通過人機(jī)交互界面查看測試結(jié)果。為了模擬導(dǎo)彈飛行的空中姿態(tài)，測試控制臺控制三軸搖擺臺按照某種搖擺規(guī)律搖擺，使三軸搖擺臺穩(wěn)定工作于正弦波掃描方式。在控制三軸搖擺臺動作的同時，測試控制臺同時采集平臺三軸上姿態(tài)角傳感器發(fā)出實(shí)時姿態(tài)角，并且通過人機(jī)交互界面實(shí)時顯示結(jié)果。姿態(tài)角測試界面如圖5所示，測試界面包括3個方向陀螺儀、3個方向姿態(tài)角傳感器、3個方向姿態(tài)角測量值、兩個調(diào)平加速度計、平臺瞄準(zhǔn)階段等信息。結(jié)果顯示，測試系統(tǒng)實(shí)時測試出平臺俯仰角(φ)與偏航角(φ)的數(shù)值，同時也顯示了俯仰姿態(tài)角傳感器與偏航姿態(tài)角傳感器處于工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了平臺姿態(tài)角的測試功能。

圖5 平臺姿態(tài)角測試界面

5 結(jié)論

為了滿足導(dǎo)彈平臺測試的需要，本文將UML建模方法應(yīng)用于導(dǎo)彈平臺測試系統(tǒng)設(shè)計，在分析系統(tǒng)工作流程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了系統(tǒng)需求描述模型、結(jié)構(gòu)模型和行為描述模型，并對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)體布置關(guān)系進(jìn)行了設(shè)計，有效提高了系統(tǒng)設(shè)計效率。設(shè)計出來的系統(tǒng)在實(shí)用性的基礎(chǔ)上，還具有復(fù)用性及拓展性，能對其他多種型號導(dǎo)彈平臺的性能參數(shù)進(jìn)行測試。平臺工作過程轉(zhuǎn)化為測試控制模型是系統(tǒng)研制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是測試控制模型應(yīng)該具有可擴(kuò)展性，這一方面的具體設(shè)計工作還有待進(jìn)一步研究。

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Research of Design Method for Misssle Platform Test System

Zhang Lei, Xiao Fan, Liu Bingjie

(Third Dep.，Navy Submarine Academy，Qingdao 266019,China)

In the process of model design for missile platform test system by modeling technology, the key is to realize the requirements description model design, structure model design and behavior model design of test system．Firstly,the working procedure of test system is analyzed. Then, the model design of test system are carried by UML(unified modeling language) modeling technology. The requirements description model of system is showed by using decomposition of use-case diagram, the structure model of system is built on the analysis of structure system and relevance relation. The behavior model of system is constructed by using sequence diagram. At last, the system structure and arrangement relation of test system are designed based on above-mentioned model design.This design is applied to real developing for misssle platform test system and all test function is realized. The result shows that this modeling method can improves design efficiency, and the test system possesses reuseability and expansibility also based on the practicability.

missile platform；test system；UML；model

2016-11-22；

2016-12-15。

張 磊(1973-)，男，山東廣饒人，碩士，講師，主要從事導(dǎo)彈控制、測試方向的研究。

1671-4598(2017)05-0126-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.035

TJ762.4

A