竇玉超,鄭東豪,曾達(dá)幸,侯雨雷
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004)
航天遙感、衛(wèi)星“三遙”(遙感、遙測(cè)、遙控)天線設(shè)計(jì)多采用俯仰-方位型,其在天線天頂位置存在“盲錐區(qū)”。俯仰-方位型天線無(wú)法在衛(wèi)星過(guò)頂空域連續(xù)跟蹤衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)信號(hào)不間斷連續(xù)工作的需求[1]。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的分支連接動(dòng)、定平臺(tái)而組成,為空間多分支閉鏈形式,以其結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)慣性小、不存在累積誤差等特點(diǎn)[2]在天線領(lǐng)域有其獨(dú)特應(yīng)用[3]。文獻(xiàn)[4]提出了3?RSR(R為轉(zhuǎn)動(dòng)副,S為球面副)并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于衛(wèi)星天線支撐的方案。文獻(xiàn)[5]以4?SPS(PS)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為雷達(dá)天線自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的支撐架。文獻(xiàn)[6]采用3?RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為天線支撐機(jī)構(gòu),對(duì)天線機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并研制了試驗(yàn)樣機(jī)。文獻(xiàn)[7]研究分析了Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于天線支撐的可行性。
3?RSR機(jī)構(gòu)為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的經(jīng)典構(gòu)型之一[8],具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)、一個(gè)移動(dòng)共3個(gè)自由度。文獻(xiàn)[9]對(duì)3?RSR并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模及仿真。文獻(xiàn)[10]研究了3?RSR并聯(lián)機(jī)器人的位置正解。文獻(xiàn)[11]對(duì)3?RSR/SP 并聯(lián)車載天線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及力學(xué)特性進(jìn)行了分析。結(jié)合機(jī)電一體化設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[12]針對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的控制方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]開(kāi)展了平面5R并聯(lián)機(jī)器人軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[14]對(duì)6?PUS/UPU(P為移動(dòng)副,U為虎克鉸)并聯(lián)機(jī)構(gòu)開(kāi)放式控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了3自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng);文獻(xiàn)[16]使用Qt/Embedded軟件對(duì)嵌入式控制界面進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。
基于3?RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一種并聯(lián)式天線樣機(jī),可實(shí)現(xiàn)方位、俯仰和收藏的運(yùn)動(dòng)功能;進(jìn)行不同受載工況下機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析以確定所需驅(qū)動(dòng)力矩,搭建一套由PC+控制器+電機(jī)組成的控制系統(tǒng),并開(kāi)發(fā)相應(yīng)控制軟件;開(kāi)展天線樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證并聯(lián)式天線樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)功能以及控制系統(tǒng)的有效性。
并聯(lián)式天線樣機(jī)由天線面、天線座架、防護(hù)罩和電控柜組成,其中,電控柜與地面固定,主要用來(lái)放置天線樣機(jī)的電源、變壓器、控制器、驅(qū)動(dòng)器及線路;天線座架由3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)和電機(jī)組成,固定在電控柜上;電機(jī)驅(qū)動(dòng)3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)方位、俯仰、收藏的運(yùn)動(dòng)功能,以實(shí)現(xiàn)天線運(yùn)動(dòng)需求,使天線能夠保持一定的位姿運(yùn)動(dòng);天線面通過(guò)螺釘固定在天線座架上,并跟隨其運(yùn)動(dòng),主要用于接收發(fā)送信息。當(dāng)天線停用時(shí),將防護(hù)罩蓋在其上以進(jìn)行保護(hù)。
3?RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和三條運(yùn)動(dòng)支鏈組成。定平臺(tái)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的固定部件,通過(guò)螺栓固定在電控柜上,其功能是放置電機(jī)、定位三條運(yùn)動(dòng)支鏈、承擔(dān)天線面和天線座架的自重與載荷。三條運(yùn)動(dòng)支鏈結(jié)構(gòu)相同,其組成,如圖1所示。
圖1 3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)支鏈Fig.1 Sports Branch of 3?RSR Parallel Mechanism
由上支撐座、上支鏈、下支鏈、下支撐座組成,上支撐座與上支鏈、上支鏈與下支鏈、下支撐座與下支鏈均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。各運(yùn)動(dòng)支鏈的上、下支撐座分別通過(guò)螺釘與動(dòng)、定平臺(tái)固連。同時(shí),為降低天線座架的運(yùn)動(dòng)慣量,上、下支鏈的連桿采用碳纖維材料。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)是天線座架的執(zhí)行部件,天線固定于其上,動(dòng)平臺(tái)分別與三條運(yùn)動(dòng)支鏈通過(guò)螺釘相連,由三條支鏈將力/運(yùn)動(dòng)共同傳遞到動(dòng)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)天線的方位、俯仰、收藏運(yùn)動(dòng)。
考慮電機(jī)選型所需,分析并聯(lián)式天線樣機(jī)在工作過(guò)程中的受載情況,對(duì)天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩予以求解。針對(duì)不同的工況需求對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,選取其中受力情況最惡劣的工況進(jìn)行分析,利用Adams軟件對(duì)天線樣機(jī)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得到并聯(lián)式天線樣機(jī)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線,如圖2所示。
圖2 并聯(lián)式天線樣機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線Fig.2 Driving Torque Variation Curve of the Parallel Antenna Prototype
根據(jù)并聯(lián)式天線樣機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的分析結(jié)果對(duì)天線樣機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并聯(lián)式天線樣機(jī)下支撐座部位的傳動(dòng)方式,如圖3所示。選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),傳動(dòng)軸帶動(dòng)3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)支鏈的下支鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)Adams仿真所得天線樣機(jī)下支鏈驅(qū)動(dòng)所需的最大驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選型,步進(jìn)電機(jī)采用東方馬達(dá)電機(jī),型號(hào)為PK543AW?H50S;驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為PKD507?A;組合型號(hào)為CRK543APB?H50。
圖3 并聯(lián)式天線樣機(jī)下支撐座傳動(dòng)組成Fig.3 Transmission Composition of the Lower Support Seat of the Parallel Antenna Prototype
依照并聯(lián)式天線樣機(jī)三維模型,遵循工藝要求繪制工程圖紙,加工、組裝并進(jìn)行調(diào)試以確保樣機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)期各項(xiàng)性能指標(biāo)。所研制的并聯(lián)式天線樣機(jī),如圖4所示。
圖4 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)Fig.4 3?RSR Parallel Antenna Prototype
3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)硬件由上位機(jī)、下位機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)等組成,如圖5所示。以上位機(jī)和下位機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)天線位姿和速度的準(zhǔn)確控制。以PC作為上位機(jī),實(shí)現(xiàn)信息輸入、計(jì)算處理、發(fā)送指令和狀態(tài)顯示等功能;以STM32控制器作為下位機(jī),實(shí)現(xiàn)控制量輸出、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能;上位機(jī)通過(guò)USB接口與下位機(jī)編程接口連接,形成系統(tǒng)通信的物理通道。
圖5 天線控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Structure of the Antenna Control System
在PC(上位機(jī))中輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)(天線的方位角、俯仰角以及運(yùn)行時(shí)間),上位機(jī)讀取輸入的運(yùn)動(dòng)參數(shù),運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求得電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù);上位機(jī)將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)指令,并通過(guò)串口通信將其發(fā)送給下位機(jī);下位機(jī)將運(yùn)動(dòng)指令處理后分別發(fā)送給三個(gè)驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),控制天線達(dá)到指定位姿。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí),觸發(fā)限位開(kāi)關(guān),將信號(hào)反饋給下位機(jī),下位機(jī)停止對(duì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào),此電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)三個(gè)電機(jī)都轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí),下位機(jī)通過(guò)串口通信向上位機(jī)發(fā)送天線停止信息。
3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)的人機(jī)交互主界面,如圖6所示。包括以下功能模塊:菜單欄、數(shù)據(jù)顯示模塊、參數(shù)輸入模塊、調(diào)試模塊、按鍵模塊以及通信標(biāo)志。其中,菜單欄模塊包括“文件”、“串口調(diào)試”“、幫助”等功能,能夠?qū)崿F(xiàn)軟件界面的基本操作、上下位機(jī)之間的通信及幫助文檔的查看;通訊標(biāo)志實(shí)時(shí)顯示通信狀態(tài)及串口號(hào),通過(guò)調(diào)試模塊可對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試,能夠獨(dú)立編寫指令發(fā)送到下位機(jī),并顯示反饋信息。使用控制軟件時(shí),可直接在參數(shù)輸入模塊輸入期望的方位角、俯仰角及運(yùn)行時(shí)間等參數(shù);在天線的運(yùn)行過(guò)程中,數(shù)據(jù)顯示模塊能夠顯示天線實(shí)時(shí)位姿、電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角、電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)角、電機(jī)實(shí)時(shí)速度;按鍵模塊提供常規(guī)操作使用的按鍵,包括“啟動(dòng)”、“停止”、“運(yùn)行”、“回零”、“收藏”、“演示”“、數(shù)據(jù)引導(dǎo)模式一”“、數(shù)據(jù)引導(dǎo)模式二”等按鍵,并針對(duì)不同功能的按鍵用顏色進(jìn)行區(qū)分。這一模塊能夠?qū)崿F(xiàn)天線樣機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停止、歸零、收藏、演示、數(shù)據(jù)引導(dǎo)等功能。
圖6 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)控制軟件Fig.6 Control Software for the 3?RSR Parallel Antenna Prototype
天線控制系統(tǒng)主程序流程,如圖7所示。天線控制系統(tǒng)初始化后,將上下位機(jī)通信,然后在控制界面內(nèi)輸入運(yùn)行的目標(biāo)位姿及運(yùn)動(dòng)時(shí)間。按下啟動(dòng)鍵,系統(tǒng)自動(dòng)讀取存儲(chǔ)的天線的當(dāng)前位姿,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求出電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)角;同時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)讀取輸入的目標(biāo)位姿及運(yùn)動(dòng)時(shí)間,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解計(jì)算出電機(jī)的目標(biāo)位置,并顯示在主界面上。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間對(duì)目標(biāo)軌跡進(jìn)行分段,計(jì)算下一分段點(diǎn)的位姿,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求出電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角,比較當(dāng)前轉(zhuǎn)角和下一分段點(diǎn)的轉(zhuǎn)角,計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)發(fā)送給下位機(jī),驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到指令位置;然后,判斷電機(jī)是否達(dá)到目標(biāo)位置,若達(dá)到目標(biāo)位置,記錄天線的當(dāng)前位姿作為下一次運(yùn)行的初始位姿;若未達(dá)到目標(biāo)位置,繼續(xù)計(jì)算下一分段點(diǎn)的電機(jī)位置,直至其達(dá)到目標(biāo)位置為止。
圖7 天線控制系統(tǒng)主程序流程Fig.7 Main Program Flow of the Antenna Control System
天線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)引導(dǎo)程序流程,如圖8所示。使用數(shù)據(jù)引導(dǎo)功能時(shí),首先讀取路徑的數(shù)據(jù)文件,依次讀取數(shù)據(jù),并將其分別賦予方位角、俯仰角、運(yùn)行時(shí)間,并在界面中實(shí)時(shí)顯示。然后,系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用運(yùn)行函數(shù),控制天線按照讀取的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
圖8 天線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)引導(dǎo)程序流程Fig.8 Data Guide Program Flow of the Antenna Control System
3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)控制系統(tǒng)以STM32控制器作為下位機(jī),STM32控制器通過(guò)脈沖輸出、高低電平輸出對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。
本系統(tǒng)采用的STM32控制器型號(hào)為F103ZET6,其額定電壓為直流5V,而驅(qū)動(dòng)器的額定電壓為交流110V,因此STM32使用USB 供電,而驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)采用變壓器供電。驅(qū)動(dòng)器和STM32單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接,進(jìn)行脈沖傳輸。
天線控制系統(tǒng)下位機(jī)的主程序流程,如圖9所示。系統(tǒng)初始化完成后,下位機(jī)首先等待并接收上位機(jī)發(fā)送的信號(hào);然后將其解碼轉(zhuǎn)化為電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行速度,通過(guò)計(jì)算再將其轉(zhuǎn)換成脈沖的發(fā)送頻率;最終,將脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行結(jié)束后,將結(jié)束信息反饋給上位機(jī),繼續(xù)等待下一次信號(hào)的發(fā)送。
圖9 天線控制系統(tǒng)下位機(jī)主程序流程Fig.9 Main Program Flow of the Lower Computer in the Antenna Control System
并聯(lián)式天線樣機(jī)裝配、調(diào)試完成后,對(duì)天線控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證,以保證樣機(jī)和控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。首先接通樣機(jī)的電源,將數(shù)據(jù)線插在計(jì)算機(jī)的USB接口上,為控制系統(tǒng)供電;然后點(diǎn)擊控制程序的快捷方式打開(kāi)控制界面;點(diǎn)擊控制界面菜單欄內(nèi)的“通信”?“connect”,進(jìn)入通信界面,進(jìn)行串口通信,保證數(shù)據(jù)傳輸。按下控制界面的“啟動(dòng)”按鍵,天線由收藏位姿上升至初始位姿,如圖10(a)所示。
在“輸入?yún)?shù)”一欄中輸入期望位姿以及運(yùn)行時(shí)間,點(diǎn)擊“運(yùn)行”鍵,控制天線運(yùn)行到期望位姿,如圖10(b)所示。在天線運(yùn)行過(guò)程中,控制界面實(shí)時(shí)顯現(xiàn)天線位姿和電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速;按下“回零”鍵,天線從當(dāng)前位姿直接返回回零位姿,如圖10(c)所示。最后,按下“收藏”鍵,天線返至收藏位姿,如圖10(d)所示。
圖10 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.10 Motion Experiment of the 3?RSR Parallel Antenna Prototype
輸入多組參數(shù)反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試,此并聯(lián)式天線樣機(jī)在半球的工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),無(wú)奇異位形,能夠?qū)崿F(xiàn)方位(0~360)°、俯仰(0~90)°運(yùn)動(dòng)及收藏功能。
為驗(yàn)證并聯(lián)式天線樣機(jī)的指向性能,設(shè)計(jì)并聯(lián)式天線樣機(jī)的指向?qū)嶒?yàn)。首先,在畫板上給定目標(biāo)軌跡圖像,然后利用激光筆對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)校,確定畫板在天線定坐標(biāo)系中的位置;最后控制并聯(lián)式天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng),使安裝在并聯(lián)式天線動(dòng)平臺(tái)上的激光筆所發(fā)光束沿給定軌跡運(yùn)動(dòng)。指向?qū)嶒?yàn)具體步驟:
①給定目標(biāo)軌跡的圖像,如圖11所示。利用點(diǎn)集或參數(shù)方程表達(dá)軌跡中各點(diǎn)相對(duì)于畫板坐標(biāo)系的位置,目標(biāo)軌跡各點(diǎn)相對(duì)于畫板坐標(biāo)系的坐標(biāo)為A(0,0,123.6)、B(0,72.7,?100)、C(0,?117.5,38.2)、D(0,117.5,38.2)、E(0,?72.2,?100);給定畫板坐標(biāo)系相對(duì)于3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)定坐標(biāo)系的位置。
圖11 目標(biāo)軌跡Fig.11 Target Tajectory
②依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中相關(guān)公式編寫計(jì)算程序,以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的并聯(lián)式天線位姿。
③將計(jì)算得到的天線位姿依次輸入到控制程序的數(shù)據(jù)引導(dǎo)文件中。
④待天線啟動(dòng)完成后,在控制界面中點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)引導(dǎo)一”鍵,天線首先由初始位姿俯仰運(yùn)動(dòng)到A位姿,即使激光點(diǎn)到達(dá)A點(diǎn);然后,天線動(dòng)平臺(tái)上的激光點(diǎn)將沿著目標(biāo)軌跡依次按照A?B?C?D?E?A的順序運(yùn)動(dòng);最后,天線自動(dòng)俯仰回到初始位姿,如圖12所示。
圖12 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)指向?qū)嶒?yàn)過(guò)程Fig.12 Process of Pointing Experiment for the 3?RSR Parallel Antenna Prototype
⑤沿軌跡完成運(yùn)動(dòng)后,按下“收藏”鍵,天線由初始位姿運(yùn)動(dòng)到收藏位姿。
通過(guò)3?RSR 型并聯(lián)式天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)性能和指向能力實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了先期理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性以及控制系統(tǒng)的有效性,為進(jìn)一步產(chǎn)品化實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
基于3?RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)研制出一種并聯(lián)式天線樣機(jī),構(gòu)建其控制系統(tǒng)并開(kāi)發(fā)控制軟件,開(kāi)展運(yùn)動(dòng)與指向?qū)嶒?yàn),結(jié)果表明3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于天線座架是可行的,天線樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)既定方位、俯仰運(yùn)動(dòng)及收藏功能,并滿足相應(yīng)指標(biāo)要求,對(duì)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于天線領(lǐng)域具有理論指導(dǎo)意義,并為進(jìn)一步的并聯(lián)式天線產(chǎn)品化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。