(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

基于隱身技術(shù)的發(fā)展,地面反隱身防空預(yù)警雷達(dá)為了加大雷達(dá)預(yù)警距離,也朝著威力大和大型化方向發(fā)展。目前,地面機(jī)動(dòng)雷達(dá)較多地采用單運(yùn)輸單元天線自動(dòng)展開折疊技術(shù),實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的快速反應(yīng)[1-3],但對(duì)于機(jī)動(dòng)大型雷達(dá),其天線陣面由于運(yùn)輸?shù)南拗?只能通過多車多天線陣面分散運(yùn)輸,到達(dá)陣地后再進(jìn)行組合拼裝機(jī)動(dòng)模式。目前,大型雷達(dá)多車多天線陣面的拼裝主要采用吊裝拼接的架設(shè)方式,架設(shè)時(shí)受架設(shè)效率低、吊裝操作存在不確定因素等的制約[4],使得大型雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性較差。本文通過對(duì)大型天線自動(dòng)對(duì)接的技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)大型天線快速精準(zhǔn)的自動(dòng)裝配,用以提高大型雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性。

大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)是隨著科技進(jìn)步、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、國防建設(shè)等需求不斷提高的。自動(dòng)對(duì)接技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域的航天器空間對(duì)接、航空領(lǐng)域的空中加油機(jī)構(gòu)對(duì)接、航海領(lǐng)域的潛艇救生機(jī)構(gòu)對(duì)接和軍艦補(bǔ)給機(jī)構(gòu)對(duì)接,而且在大飛機(jī)裝配中應(yīng)用也比較廣泛[5-7]。但機(jī)動(dòng)雷達(dá)大型天線的自動(dòng)對(duì)接技術(shù)則尚無文獻(xiàn)介紹。

在航天、航空、航海的對(duì)接過程中,對(duì)接單元的位置和姿態(tài)時(shí)刻發(fā)生變化,對(duì)接難度比較大[8-9]。在大飛機(jī)裝配應(yīng)用中,對(duì)接單元位置和姿態(tài)一般較固定,對(duì)接環(huán)境好、對(duì)接時(shí)間容許較長。而機(jī)動(dòng)雷達(dá)基于機(jī)動(dòng)性的要求,其自動(dòng)對(duì)接一般在野外進(jìn)行,且要求對(duì)接時(shí)間較短、精度高,故對(duì)接難度大。

本文結(jié)合某項(xiàng)目的天線自動(dòng)對(duì)接技術(shù)的研制,就其關(guān)鍵技術(shù)如大部件柔性工裝技術(shù)、快速數(shù)字化測(cè)量技術(shù)和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行論述。

1 工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 對(duì)接機(jī)構(gòu)工作原理

天線自動(dòng)對(duì)接的目標(biāo)是在保證天線陣面精度和拼接可靠的情況下,實(shí)現(xiàn)大型天線陣面可自動(dòng)、精準(zhǔn)及快速地完成裝配。故基本工作原理如下：

(1)通過數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量裝置精確測(cè)量出固定天線與移動(dòng)天線相互間的位姿數(shù)據(jù);

(2)將測(cè)量獲得的位姿信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,轉(zhuǎn)化成空間六自由度的相對(duì)位姿數(shù)字化信息,并傳給伺服控制主控系統(tǒng);

(3)伺服控制主控系統(tǒng)根據(jù)位姿信息,按設(shè)定的步驟發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令,由天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成移動(dòng)天線的姿態(tài)調(diào)整及靠攏;期間,還需要數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量出固定天線與移動(dòng)天線相互間的位姿數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正;

(4)最后,通過定位鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩塊天線陣面的精確定位和鎖緊。

天線陣面自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 天線陣面自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)原理圖

1.2 實(shí)現(xiàn)對(duì)接機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述機(jī)動(dòng)雷達(dá)大型天線自動(dòng)對(duì)接的工作原理,需要重點(diǎn)解決以下的關(guān)鍵技術(shù)：

(1)數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)大型天線準(zhǔn)確快速自動(dòng)對(duì)接,首先需要獲得對(duì)接天線之間準(zhǔn)確的相對(duì)位置關(guān)系。故要準(zhǔn)確測(cè)量出對(duì)接天線之間的相對(duì)空間位置,并進(jìn)行解算形成數(shù)字信息傳遞給伺服控制系統(tǒng)。

目前,在大部件組裝(如飛機(jī)艙段組裝、導(dǎo)彈艙段組裝等)自動(dòng)對(duì)接中,常采用計(jì)算機(jī)信息處理、數(shù)控定位、高精度數(shù)字化測(cè)量、信息反饋等技術(shù),其中高精度數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接的關(guān)鍵。

(2)伺服控制技術(shù)

大型天線自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)包括數(shù)字化測(cè)量、運(yùn)動(dòng)控制、檢測(cè)傳感、信息處理等多個(gè)獨(dú)立的組成部分,需要一個(gè)集成的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。伺服控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)傳感器裝置和數(shù)據(jù)解算軟件等。運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)的數(shù)字控制;檢測(cè)傳感裝置通過實(shí)時(shí)反饋位移信息實(shí)現(xiàn)天線的位置和位姿的修正。所有這些硬件在軟件系統(tǒng)的管理下形成一個(gè)統(tǒng)一的控制系統(tǒng)。

(3)天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

大型天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)大型天線自動(dòng)對(duì)接的末端執(zhí)行單元,是整個(gè)自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),同時(shí)還具有支撐和定位作用。該天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將數(shù)字化測(cè)量體系和數(shù)字化控制系統(tǒng)相結(jié)合,以預(yù)定的方式準(zhǔn)確、平穩(wěn)地操縱大型天線,共同完成位姿調(diào)整、定位和鎖緊等操作,其精度和穩(wěn)定性直接影響到大型天線對(duì)接系統(tǒng)的功能和水平。大型天線對(duì)接要求天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)要具有承載能力較高、剛度高、工作范圍大等特點(diǎn)。

2 數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的用于大空間范圍測(cè)量的數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量設(shè)備相繼出現(xiàn),如激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、室內(nèi)GPS等,較之傳統(tǒng)的測(cè)量方法,在測(cè)量精度和易用性等方面數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量設(shè)備可以更好地滿足大型天線裝配過程中的測(cè)量要求。激光跟蹤儀采用干涉法測(cè)量距離,在測(cè)量范圍內(nèi)(一般小于50 m),測(cè)量速度快,精度高,坐標(biāo)重復(fù)測(cè)量精度達(dá)到5×10-6(5μm/m);但由于激光跟蹤儀在測(cè)量時(shí)還需有高精度的標(biāo)靶球等附件,故對(duì)使用環(huán)境等有較高的要求,并且價(jià)格昂貴。而與激光跟蹤儀相比,室內(nèi)GPS測(cè)量不會(huì)由于掉光而影響工作進(jìn)程,在測(cè)量范圍較大的情況下,坐標(biāo)測(cè)量的精度高;但其使用要求較高。激光雷達(dá)和激光跟蹤儀相比,沒有測(cè)頭,是非接觸式測(cè)量,測(cè)速快,環(huán)境適應(yīng)性好,但是精度只有激光跟蹤儀的一半,測(cè)量范圍達(dá)到24 m,精度有幾百微米。

考慮到天線陣面自動(dòng)對(duì)接實(shí)際指標(biāo)、環(huán)境適應(yīng)性以及成本等要求,本方案采用激光雷達(dá)和CCD相機(jī)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)天線陣面位姿的自動(dòng)測(cè)量。通過一組激光雷達(dá)精確出對(duì)接天線陣面相互間的距離(圖2中Y向)及平行度的位姿信息,再利用寬視角的CCD相機(jī)捕捉到固定陣面上的預(yù)設(shè)標(biāo)靶,經(jīng)過對(duì)采集的圖像進(jìn)行解算,獲得對(duì)接天線陣面相互間高差(圖2中Z向)及前后的間距(圖2中X向)的位姿信息。通過該種測(cè)量的組合,可提供一種環(huán)境適應(yīng)性好且成本較低的天線陣面自動(dòng)對(duì)接數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)的布局如圖2所示。

圖2 數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)布置示意圖

CCD相機(jī)對(duì)靶標(biāo)的圖像解算,需要建立靶標(biāo)成像模型并進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。一般的成像系統(tǒng)通常將三維場(chǎng)景轉(zhuǎn)變成二維圖像來處理,用一個(gè)三維空間到二維空間的映射表示：

同時(shí),采集的圖像需要轉(zhuǎn)變成灰度圖來作進(jìn)一步處理?；叶葓D需要對(duì)亮度值進(jìn)行量化,通常劃分為0到255共256個(gè)級(jí)別,利用公式Y(jié)=0.299×R+0.587×G+0.114×B得出亮度值。得到二維灰度圖像后,進(jìn)行噪聲濾波處理,經(jīng)過圖像二值化,閾值化分割,即按一定的準(zhǔn)則在原始圖像f(x,y)中找到特征值T,將圖像分割成兩個(gè)部分。分割后的圖像可表示為

其中,f(x,y)為原始圖像,g(x,y)為分割準(zhǔn)則。

通過上述測(cè)量,可以獲得自動(dòng)對(duì)接天線陣面相互間的各向位姿參數(shù),從而為自動(dòng)化控制提供了基礎(chǔ)。

3 驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)中的伺服控制系統(tǒng)是控制中樞,是對(duì)接系統(tǒng)性能檢測(cè)、操作控制、安全保護(hù)等專用電子設(shè)備的集合,主要包括控制計(jì)算機(jī)、伺服控制電路、邏輯保護(hù)電路、輸入輸出接口等。對(duì)接驗(yàn)證系統(tǒng)的電控系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

對(duì)接過程開始后,控制計(jì)算機(jī)通過采集各類傳感器數(shù)據(jù),計(jì)算對(duì)接機(jī)構(gòu)在X,Y,Z三個(gè)軸方向上的相對(duì)位置。并按一定的策略算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,計(jì)算出對(duì)接機(jī)構(gòu)在各個(gè)方向上位置誤差。對(duì)接過程按照X,Y,Z的順序在三個(gè)方向上依次進(jìn)行,并分粗定位和精定位兩步完成。圖4為自動(dòng)對(duì)接原理框圖。

根據(jù)控制策略,控制軟件按模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì),分為初始化、數(shù)據(jù)采集處理、X軸方向控制、Y軸方向控制和Z軸方向控制等模塊。各模塊具體功能如下：

初始化模塊 系統(tǒng)復(fù)位,對(duì)PLC模塊的輸入輸出和內(nèi)部變量進(jìn)行初始化操作。

數(shù)據(jù)采集處理 采集外部信息,包括指令輸入、傳感器數(shù)據(jù)等。

X軸方向控制 根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)X軸方向進(jìn)行控制。

Y軸方向控制 根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)Y軸方向進(jìn)行控制。

Z軸方向控制 根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)Z軸方向進(jìn)行控制。

圖3 天線陣面自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)圖

圖4 自動(dòng)對(duì)接控制原理框圖

4 天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

傳統(tǒng)的大型天線裝配多采用吊車或簡(jiǎn)易工裝,受人為因素使得裝配操作不穩(wěn)定;同時(shí),在野外裝配受地理因素和環(huán)境因素的影響較大。本文中所采用的大型天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),則可在大型天線拼裝時(shí)自動(dòng)完成拼裝天線相對(duì)位姿的調(diào)整、拼接以及定位鎖緊。

天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)接天線在各方位的位姿調(diào)節(jié),完成裝配的精確對(duì)接。如圖5所示,對(duì)接機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)滑塊、轉(zhuǎn)臺(tái)、升降柱和承載平臺(tái)等零部件組成。

驅(qū)動(dòng)滑塊分為X方向滑塊和Y方向滑塊,通過驅(qū)動(dòng)X和Y方向的承載平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)天線在X和Y方向上平動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)天線繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。則通過驅(qū)動(dòng)滑塊和轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)天線在水平面上的位置控制和定位。

升降柱共設(shè)有四個(gè),采用四點(diǎn)支撐調(diào)平方案來完成天線的調(diào)平和在Z方向上的平動(dòng)。與三點(diǎn)調(diào)平方案相比,四點(diǎn)支撐調(diào)平支撐面更大,各支撐點(diǎn)的受力較小。

該對(duì)接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度和剛度容易保證,且傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、精度易保證。

圖5 天線自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)

5 對(duì)接精度分析

本文中天線陣面的對(duì)接精度即為合攏前的相對(duì)位姿精度。由于天線陣面的最終精確定位對(duì)接采用導(dǎo)向錐和定位面來實(shí)現(xiàn),故當(dāng)對(duì)接精度控制在0.5 mm以內(nèi),即可滿足天線的精確對(duì)接。

對(duì)接精度主要分為位姿測(cè)量系統(tǒng)精度和位姿調(diào)整精度兩部分,如圖6所示。首先是數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的精度,本文中采用激光雷達(dá)和CCD相機(jī)作為視覺傳感器來進(jìn)行對(duì)接天線的相對(duì)位姿測(cè)量。激光雷達(dá)選用量程為500 mm,測(cè)量精度控制在0.1 mm以內(nèi),傳感器安裝精度控制在0.05 mm以內(nèi)。CCD相機(jī)選擇分辨率為精度要求的三分之一,CCD相機(jī)和圖像解析的精度控制在0.1 mm以內(nèi),相機(jī)安裝精度控制在0.05 mm以內(nèi);故各位姿的測(cè)量精度可保證在0.2 mm以內(nèi)。

圖6 對(duì)接系統(tǒng)精度分析

天線位姿自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)天線姿態(tài)調(diào)整和對(duì)接運(yùn)動(dòng),對(duì)接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝和運(yùn)動(dòng)控制精度也是決定最終對(duì)接精度的重要因素。其中,選取的比例閥響應(yīng)靈敏度＜0.1%,反向誤差＜0.15,滯環(huán)＜0.2%,其控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)移動(dòng)天線的位置精準(zhǔn)可達(dá)到0.1 mm。此外在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向使用位移傳感器,進(jìn)行反饋控制,從而提高姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度。綜合考慮制造安裝和運(yùn)動(dòng)控制,將姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度控制在0.3 mm以內(nèi)。

綜上,天線對(duì)接精度可達(dá)0.4 mm以內(nèi),能滿足天線對(duì)接要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)大型機(jī)動(dòng)雷達(dá)普遍存在大陣面天線自動(dòng)拼裝的難題,本文通過數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、伺服控制策略以及天線位姿自動(dòng)調(diào)整技術(shù)的研究,為機(jī)動(dòng)雷達(dá)大型天線的自動(dòng)拼裝提供了一種技術(shù)途徑。該技術(shù)可以為大型雷達(dá)天線陣面的裝配降低難度和提高效率,并為大型雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)架設(shè)提供了一種新的方式。

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