基于ADAMS和Matlab的一對多激光跟蹤天線聯合仿真

馬國棟，張立中，2，張雪瑤

（1.長春理工大學　機電工程學院，長春　130022；2.長春理工大學　空地激光通信國防重點學科實驗室，長春　130022）

基于ADAMS和Matlab的一對多激光跟蹤天線聯合仿真

馬國棟1，張立中1，2，張雪瑤1

（1.長春理工大學機電工程學院，長春130022；2.長春理工大學空地激光通信國防重點學科實驗室，長春130022）

為了研究激光通信跟蹤天線的跟蹤性能、減小伺服傳動誤差、提高設計效率，采用ADAMS和Matlab對一對多激光通信跟蹤天線的性能進行機-電聯合仿真。利用ADAMS搭建動力學模型，Matlab搭建控制系統模型，然后利用控制系統模型和動力學模型組成聯合仿真模型，對一對多激光通信跟蹤天線進行聯合仿真。由一對多激光通信跟蹤天線的聯合仿真結果可以得出：一對多激光通信跟蹤天線具有良好的跟蹤性能，系統穩定狀態下，跟蹤誤差小于目標值的0.4%以下。結果表明：建立的聯合仿真模型能夠精確地反應跟蹤天線的跟蹤性能，極大地提高了設計效率，減小了伺服傳動誤差，為原理樣機的研制提供了理論依據。

激光通信；ADAMS；Matlab；機-電聯合仿真

激光通信具有通信速率高、通信容量大，抗干擾能力好、抗截獲能力強、安全保密，體積小、重量輕、功耗低等優點，是未來高速率、寬帶信息傳輸的重要模式，是最具有潛力的通信模式之一［1］。

隨著激光通信的不斷發展，各國對激光通信技術也越來越重視，對激光通信系統所涉及的各項關鍵技術展開了全面深入的研究［2］，激光通信跟蹤天線也已成為通信系統中的重要設備之一。跟蹤機構是保證目標間對準、接收的重要單元。目前，國內外的激光通信研究基本還處在點對點階段。為了建立激光通訊鏈路，傳輸網絡信息，需要搭建一點對多點的激光通訊系統，一對多激光通信跟蹤天線的建立具有非常好的實用價值。

一對多激光通信跟蹤天線由6個相互獨立的十字跟蹤架機構組成，能夠完成對多個目標的跟蹤與探測。由于跟蹤天線結構過于復雜，需要對其進行動力學仿真分析和運動學仿真分析。但單一的仿真分析又不能直觀的反應機構的性能，搭建聯合仿真平臺，有效的解決了這一問題［3］。

本文利用ADAMS和Matlab對十字跟蹤架機構進行了機-電聯合仿真，通過虛擬仿真，得出了十字跟蹤架的跟蹤精度，為跟蹤天線的設計和優化提供參考建議［4］。

1　一對多激光通信跟蹤天線

1.1跟蹤天線結構設計

為了實現多個目標的探測與跟蹤，采用N個（本方案設定為六個）相互獨立的十字跟蹤架，以60°均布的形式進行組合，其中每個十字跟蹤架可實現方位±32°，俯仰±10°轉動，從而形成一定口徑的反射鏡錐面，每個反射鏡可將其法線附近一定范圍內的光發射到光學口徑內，通過后面的通光光路，實現對不同目標的通信。一對多激光通信跟蹤天線三維模型圖如圖1所示。

圖1　一對多激光通信跟蹤天線三維模型

一對多激光通信系統的技術指標如下所示：

（1）跟蹤精度：250μrad；

（2）保精度最大角速度：10mrad/s；

（3）單個反射鏡方位回轉范圍：±32°；俯仰回轉范圍：±10°；

（4）多點通信終端個數：6個；

（5）卡式系統口徑：320mm。

1.2十字跟蹤架機構設計

十字跟蹤架機構由方位運動和俯仰運動兩部分組成。方位軸系主要元器件有方位軸、角接觸球軸承、分裝式直流力矩電機、光柵安裝錐板、Renishaw圓光柵、方位軸系外殼等。俯仰軸系主要元器件有U型架、角接觸球軸承、反射鏡、光柵和音圈電機等。方位軸調整十字跟蹤架機構的方位角度調整，俯仰軸調整十字跟蹤架機構的俯仰角度調整。通過對方位和俯仰角度的調整來完成對目標的探測、捕獲和跟蹤。十字跟蹤架機構如圖2所示。

圖2　十字跟蹤架機構示意圖

2　控制仿真模型的建立

2.1模型簡化

由于利用ADAMS進行運動學、動力學仿真分析計算時，只需要考慮結構構件的質量和質心位置，各個構件的外部形狀不予考慮［3］，因此把三維模型整體導入不僅無實在意義，而且會導致多出許多不必要的約束關系。所以在導入模型之前需對模型進行簡化，去除多余的約束關系，導入ADAMS中的簡易模型應遵循以下要求［5］：

（1）導入的模型應該能夠清晰的表達各個構件之間的連接關系。

（2）多個構件固連在一起時，在不改變質量和質心位置的情況下，將多個構件看做一個整體。

（3）簡化的模型在外觀上應與三維模型大致相近，減少在外觀上的差異。

簡化后的模型大致分為四個部分：方位軸系、俯仰軸系、光柵和反射鏡。簡化后的模型如圖3所示。

圖3　簡化模型

2.2設定仿真參數

（1）通過對簡化模型每一個部件材料屬性的定義，能夠得出十字跟蹤架機構的整體質量為3.538kg。

（2）十字跟蹤架機構的阻尼主要來源于軸承內部的摩擦，軸承內部的摩擦屬于潤滑鋼和潤滑鋼之間的摩擦，根據表1可以得出十字跟蹤架的阻尼系數為0.16。

表1　常用材料之間的摩擦系數表

（3）其他設置均采用ADAMS的默認設置。

2.3約束關系定義

所有零件均定義為剛性，并定義每個構件的材料、轉動慣量和密度等屬性。確定各部件間的約束關系，主要零部件間的約束關系如表1所示。

表2　模型約束關系

2.4輸入輸出變量

設定輸入變量為力矩，輸出變量為速度，以此來驗證所選用電機力矩輸出是否滿足要求。輸入狀態變量包括方位軸力矩，俯仰軸力矩，輸出狀態變量包括俯仰軸轉動速度、方位軸轉動速度、方位軸轉動角度、俯仰軸轉動角度［6］。

利用ADAMS中的control模塊設置輸入、輸出對象，選擇Matlab為目標文件，點擊確定生成ADAMS和Matlab的接口文件［6］。在ADAMS的工作目錄下將出現3個接口文件。

3　ADAMS和Matlab聯合仿真

3.1將接口文件導入Matlab

啟動Matlab，將MMatlab的工作路徑指向ADAMS的工作路徑，在工作路徑下找到Matlab所需的后綴為.m的配置文件。打開后運行此文件，在Matlab的命令窗口下輸入adams_sys，將彈出一個命令窗口，其中的S-Function方框表示ADAMS模型的非線性模型，也就是進行動力學計算的模型，State-Space表示ADAMS模型的線性化模型，在adams_sub包含有非線性方程，也包含許多有用的變量［7］。

3.2搭建控制系統模型

利用Matlab/Simlink模塊搭建控制系統模型，將接口模塊和控制系統模型連接在一起。搭建聯合仿真模型，聯合仿真模型由方位驅動單元、俯仰驅動單元和接口模塊組成?？刂葡到y模型如圖4、5所示。由控制系統模型可知，方位軸與俯仰軸具有相同的控制結構，以方位軸為例分析控制系統的基本特性，表3為方位軸控制系統參數。通過改變控制系統模型中的比例、積分環節進而確定十字跟蹤架機構的響應速度和粗跟蹤性能。

圖4　階躍響應聯合仿真控制模型

圖5　正弦響應聯合仿真控制模型

表3　方位軸控制系統參數

雙擊控制系統中adams_sub模塊，進入參數設置對話框，將Animation mode設置成interactive，這樣就可以在ADAMS和Matlab進行數據交換時觀察仿真動畫。通訊時間設置為0.05s，即每0.05s進行一次數據交換。其他設置使用默認設置。

3.3仿真

3.3.1測試十字跟蹤架機構的速度環跟蹤精度

（1）階躍響應

對仿真模型輸入階躍信號，得到方位軸系的響應速度曲線及誤差曲線如圖6、7所示。

圖6　方位軸系step響應曲線

圖7　俯仰軸系的step響應誤差曲線

對仿真模型輸入階躍響應，得到俯仰軸系的響應速度曲線和誤差曲線如圖8、9所示。

圖8　俯仰軸系step響應曲線

圖9　俯仰軸系的step響應誤差曲線

從圖6、7、8、9中可以得出，在跟蹤的開始階段，由于系統在跟蹤時需要調整時間，導致系統的跟蹤誤差較大，出現較大的超調量，隨后跟蹤誤差逐漸降低。待系統穩定后，跟蹤誤差曲線近似為一條直線，跟蹤誤差趨近于0，從跟蹤曲線可得系統具有良好的指向精度。

（2）正弦響應

對仿真模型輸入正弦曲線，得到方位軸系的響應速度曲線和誤差曲線如圖10、11所示。

圖10　方位軸系正弦跟蹤曲線

圖11　方位軸系的正弦跟蹤誤差曲線

從圖10和圖11中可以得出，當給定角頻率為0.02mrd/s，系統的跟蹤誤差穩定在目標值的0.335%左右，具有良好的跟蹤精度。

對仿真模型輸入正弦曲線，得到方位軸系的響應速度曲線和誤差曲線如圖12、13所示。

圖12　俯仰軸系正弦跟蹤曲線

圖13　俯仰軸系的正弦跟蹤誤差曲線

從圖12和圖13中可以得出，當給定角頻率為0.02mrd/s，系統的跟蹤誤差穩定在目標值的0.2%左右，具有良好的跟蹤精度。

3.3.2測試十字跟蹤架機構的位置環跟蹤精度

根據圖14和圖15可以得出十字跟蹤架機構的位置環跟蹤誤差。當給定方位轉動角度為30°，俯仰轉動角度為10°時，方位軸的誤差值為150μrad，俯仰的誤差值為180μrad，則可計算出十字跟蹤架的誤差為234μrad，滿足技術指標中所提要求。

圖14　方位軸位置環誤差曲線

圖15　俯仰軸位置環誤差曲線

4　結論

通過對十字跟蹤架機構的指向精度和跟蹤精度的仿真數據得出，系統穩定狀態下，系統的跟蹤精度非常好，跟蹤誤差小于目標值的0.4%以下，能夠滿足技術指標所提的要求。說明建立的聯合仿真模型的合理性和正確性。通過機-電聯合仿真減小了伺服傳動誤差，提高了設計效率，模擬出了激光通信跟蹤天線的跟蹤性能。為原理樣機的研制提供了寶貴的理論依據。

［1］孟立新.機載激光通信屮捕獲與跟蹤技術研究［J］.長春：吉林大學，2014.

［2］張靚，郭麗紅，劉向南，等.空間激光通信技術最新進展與趨勢［J］.飛行器測控學報，2013，32（4）：286-293.

［3］王曉東，畢開波，周須峰.基于ADAMS與Simulink的協同仿真技術及應用［J］.計算機仿真，2007，24（4）：271-274.

［4］馬冉冉，王彤宇.基于ADAMS的二維跟蹤轉臺動力學耦合分析［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2015，38 （1）：79-84.

［5］王會彬，趙海娜，鄭華山.基于MATLAB和ADAMS的轉臺系統聯合仿真［J］.軍民兩用技術與產品，2015，56 （3）：56-58.

［6］鄭黎明，黃劍波.基于ADAMS和Simulink的太陽跟蹤器聯合仿真［J］.光學精密工程，2014，22（5）：1212-1219.

［7］鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術入門與提高［M］.北京：機械工業出版社，2002.

One-to-multiple Laser Communication Tracking Antenna Co-simulation Based on ADAMS and Matlab

MA Guodong1，ZHANG Lizhong1，2，ZHANG Xueyao1

（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

To study the tracking performance of laser communication optical antenna，decrease the servodrive error，and enhance design efficiency，the paper performs the joint simulation of ADAMS and MATLAB for one-to-multiple laser communication system.In the joint simulation，soft ADAMS builds the dynamics model and soft MATLAB builds the system model.From the simulation results，we can see that the one-to-multiple laser communication optical antenna owns the nice tracking performance and in steady state of system，tracking errors are less than 0.4%of target value. The results also show that the joint simulation model is able to express tracking performance of optical antenna，increase the design efficiency sharply and minish servodrive errors，which provides theoretical foundation for studying the rationality of principled sample machine.

laser communication；ADAMS；Matlab；machine-electric co-simulation

TN929 1

A

1672-9870（2016）03-0078-05

2015-12-10

馬國棟（1990-），男，碩士研究生，E-mail：718640440@qq.com

張立中（1968-），男，教授，博士生導師，E-mail：zlzcust@126.com