基于虚拟仪器平台的速降系统设计

摘要：该文提出一种基于虚拟仪器平台的速降系统的设计方法，解决了传统速降系统难以控制的缺点。该系统采用匀加速直线运动的策略控制步进电机，实现重物快速地下降或上升，并通过构建实验进行验证。测试表明该系统动作迅捷，精确性和安全性都有较好保证。

关键词：速降系统；虚拟仪器；步进电机；Compact RIO；LabVIEW

中图分类号：TH7 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)27-6757-02

Design of Prompt Drop System Based on NI Virtual Instrument

CHEN Liang1,2, MA Qiang2, ZHANG Yuan2

(1.Huaian College of Information Technology, Huai'an 223003, China; 2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: A new method is proposed to design prompt drop system based on virtual instrument, which make it easier to control. In the system, a stepper motor works to make the mass rise and fall in uniformly accelerated motion. Tests show that the system is able to make the mass rise and fall as fast as possible, with good credibility and little controlling error.

Key words: prompt drop system; virtual instrument; stepper motor; Compact RIO; LabVIEW

随着生活质量的提高，速降系统在极限运动与安全救生等领域有着广泛的应用前景[1-2]。传统速降系统大多采用嵌入式的闭环控制，系统开发难度大周期长并且成本大，另外维护困难也限制了其推广与普及。

本文采用美国National Instruments公司(NI)的嵌入式采集和控制平台Compact RIO(cRIO)，通过图形化开发工具LabVIEW控制硬件步进电机，采用开环控制，使得系统结构较为简单、控制成本低且易于维护。

1 设计原理

基于最优的简单速降算法，认为下降过程由3个过程组成：匀加速下降、匀速下降与匀减速下降，并且在减速为零时着地，如图1所示。其中，Vm是允许最大速度，a1与a2分别为允许最大加速度。

在任意时刻t0开始的足够短时间Δt内，认为降落是匀速运动，且下降距离为ΔS，则在t0时刻前已降的S降与剩余的S剩均可求出。通过t0时速度V与Vm比较，以及从Vm最大减速下降距离S降max与S剩比较，确定加速、允许或者减速的策略。整个下降过程分解成若干这样的小段组成，每个小段的速度较之前增加、保持或减少实现加速度的控制。

2 系统组成

虚拟仪器具有高效开放、易用灵活、功能强大、可操作性好等明显优点[3]。NI Compact RIO是一种小巧而坚固的工业化采集和控制系统，集成了嵌入式实时(Real-Time)控制器、现场可编程门阵列(FPGA)和可重配置I/O (Reconfigurable I/O，RIO)模块[4-6]。LabVIEW是一个功能完整的虚拟仪器软件开发环境，同时也是一种功能强大的编程语言。

本文采用NI Compact RIO 9012+ NI 9101+ NI 9401硬件系统，软件系统采用NI LabVIEW v8.6.1+Real Time Module+ FPGA Module，执行机构为步进电机，由中芯精控电机有限公司的CCC-SP3016型步进电机驱动器驱动。系统在cRIO平台下，由数字信号模块NI9401输出频率可调方波，通过CCC-SP3016驱动步进电机转动，实现快速下降的目的。

3 软件设计

Compact RIO系统的软件分为三个部分：PC上位机的控制软件，RT下位机的实时系统软件与FPGA控制软件。其中上位机方便控制并提供操作界面，FPGA为具体控制核心，RT则为两者的桥梁与缓冲，其核心部分是FPGA编程。

根据前文分析，设置降落离地安全距离为SOK，若初始的速度为V0，则每个小段内的流程如图2所示。

4 实验测试

实验采用步进电机最高转速4.887r/s，线盘外径D=152mm，厚度h=15mm，钢索直径小于1mm，长度大于10m，重物质量约为1500g。

根据实际情况，设置时间段t=0.1s，加速度a1=0.04m/s2，a2=-0.08m/s2，重物下降最高速度Vm=1500mm/s，另外，设置安全距离为Sok=0.05S。实验结果如表1所示，可以看出速降系统动作迅捷，控制误差效果良好。

表中，T为运行时间，SΔ为下降误差

5 结论

通过NI LabVIEW、LabVIEW RT模块和LabVIEW FPGA模块编程开发基于NI Compact RIO的简化速降系统，采用匀加速直线运动的控制策略，可以满足平稳速降要求，并且运行精确，具有一定的参考意义。

参考文献：

[1] 张蕊华,陈海初,刘述亮.一种高楼救生器的研究[J].压电与声光,2010,32(6):1002-1004.

[2] RICHMOND V L,RAYSON M P,WILKINSON D M,et a1.Physical demands of firefighter search and rescue in ambient environmental conditions[J].Ergonomics,2008,51(7):1023-1031.

[3] 王磊,陶梅.精通LabView8.X[M].北京:清华大学出版社,2006.

[4] 刘斌友,王雪梅.基于Compact RIO的便携式导弹自动测试系统设计[J].弹箭与制导学报,2009,29(1):81-84.

[5] 倪瑞萍,黄昶,周晨辰.FPGA 技术在Compact RIO 中的应用[J].微计算机信息,2010,26(6-2):127-128.

[6] 王秀霞,龚涛,张婷婷.发电机电气量采集与故障录波装置研制与应用[J].水电自动化与大坝监测,2010,34(6):22-23.