機動雷達大型天線自動對接技術(shù)的研究

(中國電子科技集團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)警雷達為了加大雷達預(yù)警距離,也朝著威力大和大型化方向發(fā)展。目前,地面機動雷達較多地采用單運輸單元天線自動展開折疊技術(shù),實現(xiàn)了雷達的快速反應(yīng)[1-3],但對于機動大型雷達,其天線陣面由于運輸?shù)南拗?只能通過多車多天線陣面分散運輸,到達陣地后再進行組合拼裝機動模式。目前,大型雷達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],使得大型雷達的機動性較差。本文通過對大型天線自動對接的技術(shù)研究,實現(xiàn)大型天線快速精準(zhǔn)的自動裝配,用以提高大型雷達的機動性。

大部件自動對接技術(shù)是隨著科技進步、市場競爭、國防建設(shè)等需求不斷提高的。自動對接技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域的航天器空間對接、航空領(lǐng)域的空中加油機構(gòu)對接、航海領(lǐng)域的潛艇救生機構(gòu)對接和軍艦補給機構(gòu)對接,而且在大飛機裝配中應(yīng)用也比較廣泛[5-7]。但機動雷達大型天線的自動對接技術(shù)則尚無文獻介紹。

在航天、航空、航海的對接過程中,對接單元的位置和姿態(tài)時刻發(fā)生變化,對接難度比較大[8-9]。在大飛機裝配應(yīng)用中,對接單元位置和姿態(tài)一般較固定,對接環(huán)境好、對接時間容許較長。而機動雷達基于機動性的要求,其自動對接一般在野外進行,且要求對接時間較短、精度高,故對接難度大。

本文結(jié)合某項目的天線自動對接技術(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)字化測量技術(shù)和驅(qū)動控制技術(shù)進行論述。

1 工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 對接機構(gòu)工作原理

天線自動對接的目標(biāo)是在保證天線陣面精度和拼接可靠的情況下,實現(xiàn)大型天線陣面可自動、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)字化自動測量裝置精確測量出固定天線與移動天線相互間的位姿數(shù)據(jù);

(2)將測量獲得的位姿信息進行數(shù)據(jù)處理分析,轉(zhuǎn)化成空間六自由度的相對位姿數(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)出運動控制指令,由天線位姿自動調(diào)節(jié)機構(gòu)完成移動天線的姿態(tài)調(diào)整及靠攏;期間,還需要數(shù)字化自動測量裝置實時測量出固定天線與移動天線相互間的位姿數(shù)據(jù),進行實時矯正;

(4)最后,通過定位鎖緊機構(gòu)實現(xiàn)兩塊天線陣面的精確定位和鎖緊。

天線陣面自動對接系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 天線陣面自動對接系統(tǒng)原理圖

1.2 實現(xiàn)對接機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

針對上述機動雷達大型天線自動對接的工作原理,需要重點解決以下的關(guān)鍵技術(shù)：

(1)數(shù)字化自動測量技術(shù)

要實現(xiàn)大型天線準(zhǔn)確快速自動對接,首先需要獲得對接天線之間準(zhǔn)確的相對位置關(guān)系。故要準(zhǔn)確測量出對接天線之間的相對空間位置,并進行解算形成數(shù)字信息傳遞給伺服控制系統(tǒng)。

目前,在大部件組裝(如飛機艙段組裝、導(dǎo)彈艙段組裝等)自動對接中,常采用計算機信息處理、數(shù)控定位、高精度數(shù)字化測量、信息反饋等技術(shù),其中高精度數(shù)字化測量技術(shù)是實現(xiàn)自動對接的關(guān)鍵。

(2)伺服控制技術(shù)

大型天線自動對接系統(tǒng)包括數(shù)字化測量、運動控制、檢測傳感、信息處理等多個獨立的組成部分,需要一個集成的伺服控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。伺服控制系統(tǒng)包括運動控制器、伺服驅(qū)動器、檢測傳感器裝置和數(shù)據(jù)解算軟件等。運動控制器與伺服驅(qū)動器實現(xiàn)對天線位姿自動調(diào)節(jié)的數(shù)字控制;檢測傳感裝置通過實時反饋位移信息實現(xiàn)天線的位置和位姿的修正。所有這些硬件在軟件系統(tǒng)的管理下形成一個統(tǒng)一的控制系統(tǒng)。

(3)天線位姿自動調(diào)節(jié)技術(shù)

大型天線位姿自動調(diào)節(jié)機構(gòu)是實現(xiàn)大型天線自動對接的末端執(zhí)行單元,是整個自動化對接系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),同時還具有支撐和定位作用。該天線位姿自動調(diào)節(jié)機構(gòu)將數(shù)字化測量體系和數(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接系統(tǒng)的功能和水平。大型天線對接要求天線位姿自動調(diào)節(jié)機構(gòu)要具有承載能力較高、剛度高、工作范圍大等特點。

2 數(shù)字化自動測量技術(shù)

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

考慮到天線陣面自動對接實際指標(biāo)、環(huán)境適應(yīng)性以及成本等要求,本方案采用激光雷達和CCD相機相結(jié)合的方法來實現(xiàn)天線陣面位姿的自動測量。通過一組激光雷達精確出對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相機捕捉到固定陣面上的預(yù)設(shè)標(biāo)靶,經(jīng)過對采集的圖像進行解算,獲得對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對接數(shù)字化測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)的布局如圖2所示。

圖2 數(shù)字化自動測量系統(tǒng)布置示意圖

CCD相機對靶標(biāo)的圖像解算,需要建立靶標(biāo)成像模型并進行參數(shù)標(biāo)定。一般的成像系統(tǒng)通常將三維場景轉(zhuǎn)變成二維圖像來處理,用一個三維空間到二維空間的映射表示：

同時,采集的圖像需要轉(zhuǎn)變成灰度圖來作進一步處理。灰度圖需要對亮度值進行量化,通常劃分為0到255共256個級別,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。

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

3 驅(qū)動控制技術(shù)

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

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

根據(jù)控制策略,控制軟件按模塊化進行設(shè)計,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PLC模塊的輸入輸出和內(nèi)部變量進行初始化操作。

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X軸方向進行控制。

Y軸方向控制 根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對Y軸方向進行控制。

Z軸方向控制 根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對Z軸方向進行控制。

圖3 天線陣面自動對接系統(tǒng)圖

圖4 自動對接控制原理框圖

4 天線位姿自動調(diào)節(jié)技術(shù)

傳統(tǒng)的大型天線裝配多采用吊車或簡易工裝,受人為因素使得裝配操作不穩(wěn)定;同時,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調(diào)節(jié)機構(gòu),則可在大型天線拼裝時自動完成拼裝天線相對位姿的調(diào)整、拼接以及定位鎖緊。

天線位姿自動調(diào)節(jié)機構(gòu)采用多自由度運動平臺,實現(xiàn)對接天線在各方位的位姿調(diào)節(jié),完成裝配的精確對接。如圖5所示,對接機構(gòu)由驅(qū)動滑塊、轉(zhuǎn)臺、升降柱和承載平臺等零部件組成。

驅(qū)動滑塊分為X方向滑塊和Y方向滑塊,通過驅(qū)動X和Y方向的承載平臺,可以實現(xiàn)天線在X和Y方向上平動。轉(zhuǎn)臺可以實現(xiàn)天線繞Z軸的轉(zhuǎn)動。則通過驅(qū)動滑塊和轉(zhuǎn)臺可以實現(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,采用四點支撐調(diào)平方案來完成天線的調(diào)平和在Z方向上的平動。與三點調(diào)平方案相比,四點支撐調(diào)平支撐面更大,各支撐點的受力較小。

該對接機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、強度和剛度容易保證,且傳動環(huán)節(jié)少、精度易保證。

圖5 天線自動對接機構(gòu)

5 對接精度分析

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

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

圖6 對接系統(tǒng)精度分析

天線位姿自動調(diào)節(jié)機構(gòu)用于實現(xiàn)天線姿態(tài)調(diào)整和對接運動,對接執(zhí)行機構(gòu)的安裝和運動控制精度也是決定最終對接精度的重要因素。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)行機構(gòu)對移動天線的位置精準(zhǔn)可達到0.1 mm。此外在各個運動方向使用位移傳感器,進行反饋控制,從而提高姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的運動精度。綜合考慮制造安裝和運動控制,將姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的運動精度控制在0.3 mm以內(nèi)。

綜上,天線對接精度可達0.4 mm以內(nèi),能滿足天線對接要求。

5 結(jié)束語

針對大型機動雷達普遍存在大陣面天線自動拼裝的難題,本文通過數(shù)字化自動測量技術(shù)、伺服控制策略以及天線位姿自動調(diào)整技術(shù)的研究,為機動雷達大型天線的自動拼裝提供了一種技術(shù)途徑。該技術(shù)可以為大型雷達天線陣面的裝配降低難度和提高效率,并為大型雷達實現(xiàn)自動架設(shè)提供了一種新的方式。

[1]房景仕,程輝明.大角度折疊機構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計[J].雷達科學(xué)與技術(shù),2010,8(5)：480-485.FANG Jing-shi,CHENG Hui-ming.Design of Big Angle Folding Mechanism[J].Radar Science and Technology,2010,8(5)：480-485.(in Chinese)

[2]衛(wèi)國愛,亓迎川,許平勇,等.雷達天線舉升機構(gòu)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計[J].空軍雷達學(xué)院學(xué)報,2006,20(3)：189-191.WEI Guo-ai,QI Ying-chuan,XU Ping-yong,et al.Design of Hydraulic Driving System in Lift Mechanism of Radar Antenna[J].Journal of Air Force Radar Academy,2006,20(3)：189-191.(in Chinese)

[3]許平勇,潘玉龍,衛(wèi)國愛,等.車載雷達天線升降機構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計[J].液壓與氣動,2004(11)：25-27.

[4]譚貴紅,吳影生,張娜梅.大型雷達結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計[J].雷達科學(xué)與技術(shù),2011,9(3)：286-291.TAN Gui-hong,WU Ying-sheng,ZHANG Na-mei.Safety Design of Large-Sized Radar Structure[J].Radar Science and Technology,2011,9(3)：286-291.(in Chinese)

[5]余鋒杰,柯映林,應(yīng)征.飛機自動化對接裝配系統(tǒng)的故障維修決策[J].計算機集成制造系統(tǒng),2009,15(9)：1823-1830.YU Feng-jie,KE Ying-lin,YING Zheng.Decision on Failure Maintenance for Aircraft Automatic Join-Assembly System[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2009,15(9)：1823-1830.(in Chinese)

[6]王巍,賀平,萬良輝.飛機柔性裝配技術(shù)研究[J].機械設(shè)計與制造,2006(11)：88-90.

[7]鄒冀華,劉志存,范玉青.大型飛機部件數(shù)字化對接裝配技術(shù)研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2007,13(7)：1367-1373.

[8]范玉青.飛機數(shù)字化裝配技術(shù)綜述——飛機制造的一次革命性變革[J].航空制造技術(shù),2006(10)：42-48.

[9]李樹軍,王宇,魏海濤,等.運輸機機翼與發(fā)房對接面精加工設(shè)備開發(fā)[J].機械制造,2013,51(8)：68-70.