艦載穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的設(shè)計(jì)與控制

陳立坡

(92785部隊(duì) 河北 秦皇島 066200)

0 引言

艦船在航行過程中，由于海浪不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的影響，會(huì)有某一頻率和幅值的運(yùn)動(dòng)[1]，這種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)造成艦船上武器裝備性能指標(biāo)的下降，有時(shí)甚至喪失作戰(zhàn)效能。穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)[2-3]由于能夠克服艦船的波動(dòng)，通過高精度的傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量艦船的搖擺信息，能夠精準(zhǔn)的保證動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)的精度，因此，在現(xiàn)代艦船武器系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

本文通過創(chuàng)新性的選用串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定與跟蹤功能。穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)[4-5]主要由并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)、串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)以及控制系統(tǒng)組成。串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)主要功能是方位軸、俯仰軸自動(dòng)跟蹤，以達(dá)到跟蹤艦船目標(biāo)的目的；自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)縱搖橫搖兩軸穩(wěn)定的功能，為雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)提供穩(wěn)定的基座；控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)與自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，并通過借助傳感檢測(cè)系統(tǒng)與外部通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定功能以及目標(biāo)自動(dòng)跟蹤功能。

1 穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艦載穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)由自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)、雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、負(fù)載、電視跟蹤設(shè)備、測(cè)控柜和測(cè)控系統(tǒng)等六大部分組成，如圖1所示。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)多自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)縱、橫搖兩軸穩(wěn)定的功能，主要由上平臺(tái)、電動(dòng)缸、球鉸、下萬(wàn)向鉸、約束分支、下平臺(tái)組成，以雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、用戶負(fù)載和電視跟蹤設(shè)備安裝于上平臺(tái)安裝面，安裝面的尺寸和安裝空間可根據(jù)負(fù)載的安裝要求進(jìn)行確定。雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)采用U-U結(jié)構(gòu)，臺(tái)體由內(nèi)環(huán)組件和外環(huán)組件組成，外環(huán)軸系繞方位軸)旋轉(zhuǎn)，內(nèi)環(huán)軸系繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)目標(biāo)的方位與俯仰跟蹤。

1.1 雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)由內(nèi)環(huán)軸系、外環(huán)軸系、底座三部分組成，在兩個(gè)軸系分別設(shè)置軟件限位、光電限位和機(jī)械限位用于實(shí)現(xiàn)對(duì)軸系的保護(hù)。

1)內(nèi)環(huán)組件結(jié)構(gòu)

內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)兩端分別安裝兩個(gè)軸承，軸承內(nèi)側(cè)與傳動(dòng)軸相固連，傳動(dòng)軸左側(cè)連接減速機(jī)，右側(cè)連接測(cè)角傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2)外環(huán)組件結(jié)構(gòu)

外環(huán)結(jié)構(gòu)固連在軸承上，通過螺栓與主軸固連。

主軸通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)外環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過測(cè)角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量外環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)兩自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺(tái)，具有縱、橫搖兩軸穩(wěn)定的功能。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用3UPS/PU機(jī)構(gòu)，當(dāng)每個(gè)驅(qū)動(dòng)分支收縮到最短距離時(shí)，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)的高度最低，因此提高平臺(tái)的穩(wěn)定性。

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、3UPS/PU并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，協(xié)調(diào)三個(gè)電動(dòng)缸的非線性運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)的兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)縱、橫搖兩軸的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。在電動(dòng)缸兩端設(shè)置有軟件、電氣開關(guān)、機(jī)械行程開關(guān)三級(jí)限位，同時(shí)在電動(dòng)缸兩端安裝有緩沖裝置。其系統(tǒng)組成圖如圖4所示。

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)主要功能是克服艦船的搖擺所帶來的影響，提高比較穩(wěn)定的工作平面。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)具有兩個(gè)自由度，即橫搖和縱搖。高精度測(cè)角傳感器固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量艦船搖擺的姿態(tài)信息，通過控制系統(tǒng)的解算，分別控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)分支伸出或者收縮，達(dá)到穩(wěn)定的目的。

2.1 測(cè)控系統(tǒng)方案

測(cè)控系統(tǒng)是設(shè)備的重要組成部分，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的伺服控制策略、完成系統(tǒng)的技術(shù)性與功能性要求、保證系統(tǒng)正常安全可靠地工作。測(cè)控系統(tǒng)主要由測(cè)控系統(tǒng)軟件、雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)、編碼器、測(cè)角模塊、驅(qū)動(dòng)器等結(jié)構(gòu)組成，共同完成穩(wěn)定跟蹤功能，系統(tǒng)組成圖如圖5所示。

控制系統(tǒng)采用高增益帶積分環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的伺服剛度，提高跟蹤精度；采用高速采集和實(shí)時(shí)控制方案，使整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)具有高定位能力和高速率精度、高速率平穩(wěn)度的特性。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)原理

艦載穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)具有五個(gè)驅(qū)動(dòng)分支，并且每個(gè)分支之間相互獨(dú)立。為了達(dá)到高精度控制的目的，每個(gè)分支都是閉環(huán)控制，且控制策略都是相近的。控制系統(tǒng)通過解算實(shí)時(shí)控制每個(gè)分支準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，其控制策略如圖6所示。

轉(zhuǎn)臺(tái)的控制基于誤差控制理論，即指令值與反饋值的差值為誤差，控制的理想目標(biāo)就是要使誤差為0。該誤差經(jīng)過PID算法后產(chǎn)生電壓值，然后通過D/A轉(zhuǎn)換卡將電壓值輸出，作為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

艦載穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)如圖7所示。為了驗(yàn)證控制策略的正確性，通過具體的實(shí)驗(yàn)對(duì)艦載穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的主要指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 動(dòng)態(tài)跟蹤精度

穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)通過兩軸驅(qū)動(dòng)來保證穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，本節(jié)分別對(duì)兩軸的跟蹤精度分別進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試過程中，選用0.5Hz、5.1°幅值的正弦曲線作為實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量出穩(wěn)定跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)兩軸的實(shí)際輸出角度。俯仰軸的期望角度曲線與實(shí)測(cè)角度曲線如圖8所示，方位軸的期望角度曲線與實(shí)測(cè)角度曲線如圖9所示。

由圖8分析可知，俯仰軸實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)幅值為5.09°，幅值跟蹤誤差為(5.1°-5.09°)/5.1°=0.2%；跟蹤角度滯后0.04s，相位誤差為360°×0.04s/2s=7.2°，因此俯仰軸具有較高的動(dòng)態(tài)跟蹤精度。

由圖9分析可知，方位軸實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)幅值為5.02°，幅值跟蹤誤差為1.6%；跟蹤角度滯后0.09s，相位誤差為16.2°，因此方位軸具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤精度，但性能略低于俯仰軸。

3.2 穩(wěn)定頻率

穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的穩(wěn)定功能主要由并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)完成，本節(jié)對(duì)并聯(lián)平臺(tái)系統(tǒng)縱搖與橫搖的穩(wěn)定頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要測(cè)試自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)能否滿足1Hz的穩(wěn)定頻率，且幅值誤差小于10%，相位移不大于10°。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)的橫搖穩(wěn)定頻率與縱搖穩(wěn)定頻率分別進(jìn)行了測(cè)試。并聯(lián)平臺(tái)底座靜止的情況下，通過控制軟件控制并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)分別做橫搖與縱搖的搖擺運(yùn)動(dòng)，搖擺頻率為1Hz，搖擺幅值為1.5°，檢測(cè)并記錄保存動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際搖擺角度。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的橫搖穩(wěn)定頻率曲線與縱搖穩(wěn)定頻率曲線分別如圖10和圖11所示。

由圖10分析可知，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)橫搖最大角度為1.504°，幅值最大差為0.2%；其中時(shí)間延后0.011s，相位角延后為3.96°，因此自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)縱搖也符合1Hz的頻率要求。

由圖11分析可知，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)縱搖最大角度為1.504°，幅值最大差為0.2%；其中時(shí)間延后0.013s，相位角延后為4.68°，因此自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)縱搖也符合1Hz的頻率要求。

3.3 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度

自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)的自穩(wěn)精度主要用來測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在搖擺艦載下的可靠性。由于艦船擺動(dòng)的隨機(jī)性，不便于定量測(cè)量艦載平臺(tái)的性能測(cè)定，本節(jié)將自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)固定在搖擺臺(tái)上，且傾角傳感器固定在自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)過程中，模擬艦船搖擺的轉(zhuǎn)臺(tái)頻率為0.1Hz，最大角度為30°，儲(chǔ)存傾角傳感器的搖擺度數(shù)。自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)安裝平面的橫搖與縱搖角度曲線如圖12所示。

由圖分析可知，自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)橫搖最大角度為0.61°，穩(wěn)定精度為2.0%；縱搖最大擺動(dòng)角度為1.1°，擺動(dòng)角度隨搖擺臺(tái)擺動(dòng)而發(fā)生變化，穩(wěn)定精度為3.7%，因此自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)具有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)惡劣天氣下艦船對(duì)穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)的需要，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種新型的艦載穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)。穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)采用并聯(lián)自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)與串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的聯(lián)合形式，串聯(lián)雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)主要功能是方位軸、俯仰軸自動(dòng)跟蹤，以達(dá)到跟蹤艦船目標(biāo)的目的；自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)縱搖橫搖兩軸穩(wěn)定的功能，為雙軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)提供穩(wěn)定的基座。基于RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的跟蹤控制系統(tǒng)與自穩(wěn)轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定定控制系統(tǒng)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，最終依據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路，自主開發(fā)了穩(wěn)定跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)，并對(duì)其跟蹤精度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示本方案設(shè)計(jì)的艦載穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)具有較好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能與穩(wěn)定定性能。