土壤水探測(cè)天線掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度測(cè)量方法

李寧杰 劉 瑞 邙曉斌 錢志鵬 劉明利

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109）

1 引言

水是最重要的陸地遙感參數(shù)，陸地地表水和土壤水的綜合監(jiān)測(cè)對(duì)拓展土地、地礦、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有重要的意義。國(guó)外學(xué)者對(duì)微波遙感土壤濕度的研究做了大量工作，20 世紀(jì)70～80年代以野外車載和航空微波遙感實(shí)驗(yàn)為主[1]，旨在發(fā)展微波遙感土壤濕度算法，并研究其它因子的影響；90年代以發(fā)展實(shí)用的衛(wèi)星微波遙感土壤濕度為主[2]，檢驗(yàn)以往算法的適用性，并用于大尺度的土壤濕度制圖，為區(qū)域及全球水文模型，陸面過(guò)程模式乃至全球氣候模式提供必要的土壤濕度信息。典型微波遙感探測(cè)器包括SMOS[3]、SMAP[4]等。

圖1 機(jī)載天線安裝方案

頻段越低，土壤水探測(cè)敏感度越高，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤水探測(cè)均采用頻段較低的L 波段[5]。為了通過(guò)機(jī)載觀測(cè)模擬陸地水資源的微波遙感參數(shù)，設(shè)計(jì)了大型外場(chǎng)試驗(yàn)。在外場(chǎng)試驗(yàn)中為了獲得被動(dòng)遙感更大的對(duì)地覆蓋面積，設(shè)計(jì)了帶有電動(dòng)缸的掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使天線的掃描范圍增大，機(jī)載天線安裝方案如圖1所示。為了驗(yàn)證得到掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)其精度進(jìn)行了測(cè)量。

2 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)性能指標(biāo)

根據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)的目的和要求，對(duì)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了很多高性能的技術(shù)指標(biāo)，如掃描重復(fù)指向精度、掃描定位指向重復(fù)精度等。掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示，其中，掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍為20°～34°，20°為掃描初始零位，27°為掃描中點(diǎn)位置，34°為掃描終止位置，其角度掃描范圍如圖2所示。

表1 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)性能指標(biāo)

圖2 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)角度掃描范圍

2.2 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)，分別為：機(jī)械擺動(dòng)部分和控制系統(tǒng)部分，掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)整體布局如圖3所示。機(jī)械擺動(dòng)部分主要由伺服電動(dòng)缸、吊裝安裝板、負(fù)載安裝板、鉸鏈機(jī)構(gòu)組成。其中，吊裝安裝板和負(fù)載安裝板采用鋁合金材料，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)；鉸鏈機(jī)構(gòu)采用不銹鋼材料，配合緊密，轉(zhuǎn)動(dòng)間隙小。控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、控制柜、角度傳感器組成。其中，上位機(jī)采用性能穩(wěn)定的地測(cè)設(shè)備；控制柜中的PLC采用歐姆龍多能性PLC，控伺服驅(qū)動(dòng)器采用MOTEC通訊型驅(qū)動(dòng)器；角度傳感器采用歐姆龍高精度角度傳感器。下文主要對(duì)伺服電動(dòng)缸設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。

圖3 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伺服電動(dòng)缸是由伺服電動(dòng)機(jī)和絲杠組成的一體化產(chǎn)品，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶與絲杠連接，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)缸的直線往返運(yùn)動(dòng)[6]。伺服電動(dòng)機(jī)具有精度高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)絲杠可以轉(zhuǎn)化為電動(dòng)缸的高精度運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確的速度、位置和推力。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，將吊裝安裝板、負(fù)載安裝板和電動(dòng)缸整體簡(jiǎn)化為三角形結(jié)構(gòu)來(lái)表示相對(duì)的位置關(guān)系，具體如圖4所示，頂點(diǎn)1 表示電動(dòng)缸與吊裝安裝板之間的鉸鏈機(jī)構(gòu)，頂點(diǎn)2 表示電動(dòng)缸與負(fù)載安裝板之間的鉸鏈機(jī)構(gòu)，頂點(diǎn)3 表示吊裝安裝板與負(fù)載安裝板之間的鉸鏈機(jī)構(gòu)。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化位置關(guān)系，由余弦定理可以得到電動(dòng)缸的總長(zhǎng)與掃描角度之間的關(guān)系式為：

式中：L為電動(dòng)缸的總長(zhǎng)，α為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)掃描角度為20°時(shí)，電動(dòng)缸伸出量最??；當(dāng)驅(qū)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)掃描角度為34°時(shí)，電動(dòng)缸伸出量最大，因此可以算出電動(dòng)缸所需行程：

式中，L1為20°時(shí)，電動(dòng)缸的總長(zhǎng)；L2為34°時(shí)，電動(dòng)缸的總長(zhǎng)；ΔLmax為電動(dòng)缸所需行程。

圖5 電動(dòng)缸輸出力示意圖

被動(dòng)天線為10kg，負(fù)載安裝板為10kg，背面單機(jī)重1kg，電動(dòng)缸所需輸出力為：

式中，F(xiàn)為電動(dòng)缸輸出力。

表2 伺服電動(dòng)缸參數(shù)表

因?yàn)閽燧d樣機(jī)要整體安裝在密封艙內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包絡(luò)尺寸越小越好。電動(dòng)缸有直線式、折返式和垂直式三種，考慮到安裝空間和運(yùn)動(dòng)精度，選用折返式電動(dòng)缸。結(jié)合電動(dòng)缸所需行程、所需輸出額定力，選取型號(hào)SEC61-R293 的電動(dòng)缸，可以滿足設(shè)計(jì)要求。此型號(hào)電動(dòng)缸重復(fù)定位精度為正負(fù)0.05mm，帶自鎖功能，采用MOTEC 高精度伺服電機(jī)，具體參數(shù)如表2所示。

電動(dòng)缸總長(zhǎng)度包括電動(dòng)缸本體固定長(zhǎng)度加上電動(dòng)缸伸長(zhǎng)量，有公式：式中，L0為電動(dòng)缸本體固定長(zhǎng)度，ΔL為電動(dòng)缸伸長(zhǎng)量。

通過(guò)式（1）和式（6）可得，電動(dòng)缸伸長(zhǎng)量與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系式為：

式中，a、b、L0為已知量，因此可以直接計(jì)算電動(dòng)缸伸長(zhǎng)量與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系。PLC 根據(jù)上式可以計(jì)算出掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度與電動(dòng)缸伸出量之間的關(guān)系,從而通過(guò)程序控制機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。同時(shí)，加裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的編碼器可以實(shí)時(shí)反饋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而進(jìn)一步保證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的角度控制精度。

設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)主要的功能：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)行連續(xù)的掃描，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍和轉(zhuǎn)動(dòng)速度是可以設(shè)置的；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)上位機(jī)指令在某個(gè)特定的角度進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)天線的定角度觀測(cè)；角編碼器可以按照上位機(jī)的讀取指令反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的掃描角度，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集記錄掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值。

3 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度測(cè)量

3.1 精度測(cè)量方法

利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，在被動(dòng)天線安裝板和吊裝安裝板每塊板各取5 個(gè)點(diǎn)，擬合成兩個(gè)平面，得到被動(dòng)天線安裝板和吊裝安裝板的平面精度，再測(cè)量?jī)善矫骈g的夾角，即被動(dòng)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，得到顯示值和實(shí)測(cè)值，以此判斷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度，測(cè)量過(guò)程如圖6所示。通過(guò)對(duì)機(jī)械零位（20°）的標(biāo)定，完成機(jī)構(gòu)基準(zhǔn)的確定；然后通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)27°、34°的標(biāo)定，完成機(jī)構(gòu)最終的標(biāo)定。如果在重復(fù)測(cè)量中，實(shí)測(cè)值和編碼器值顯示不一致，通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，直至實(shí)測(cè)值和顯示值在誤差允許范圍內(nèi)。

圖6 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度測(cè)量

安裝板平面度測(cè)量結(jié)果：被動(dòng)天線安裝板：0.03mm（技術(shù)指標(biāo)：≤0.2mm）；吊裝安裝板：0.04mm（技術(shù)指標(biāo)：≤0.2mm）。

3.2 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度測(cè)量過(guò)程及結(jié)果

3.2.1 機(jī)構(gòu)零位20°的標(biāo)定

a.通過(guò)控制器調(diào)整機(jī)構(gòu)使得被動(dòng)天線安裝板與吊裝安裝板夾角在20°附近，并進(jìn)一步微調(diào)后，三坐標(biāo)實(shí)測(cè)值為19.9967°，此位置標(biāo)定為機(jī)構(gòu)的機(jī)械零位，編碼器顯示設(shè)置為20°；

b.控制器關(guān)機(jī)再開機(jī)零位值角度編碼器讀數(shù)為19.999°；

c.控制器控制機(jī)構(gòu)往返運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期后返回零位，三坐標(biāo)的實(shí)測(cè)值為19.43950°，此時(shí)通過(guò)軟件補(bǔ)償回程間隙0.56050°，三坐標(biāo)實(shí)測(cè)值為19.99960°（主要由電動(dòng)缸絲桿，鉸鏈，軸承等間隙累積引起）；

d.機(jī)構(gòu)繼續(xù)做一個(gè)往返運(yùn)動(dòng)周期后三坐標(biāo)實(shí)測(cè)值為：19.9978°；

e.誤差滿足定位精度≤0.1°要求，機(jī)構(gòu)零位20°標(biāo)定位完成。

3.2.2 機(jī)構(gòu)27°的標(biāo)定

控制器給予7°的角度增量，標(biāo)定機(jī)構(gòu)的定位角度27°，進(jìn)行了2 次標(biāo)定，標(biāo)定值見表3。

表3 機(jī)構(gòu)定位角度27°標(biāo)定值 (°)

結(jié)果顯示，誤差滿足定位精度及重復(fù)定位精度≤0.1°的要求，機(jī)構(gòu)定位角度27°標(biāo)定完成。

3.2.3 機(jī)構(gòu)34°的標(biāo)定

表4 機(jī)構(gòu)定位角度34°標(biāo)定值 (°)

控制器給予14°的角度增量，標(biāo)定機(jī)構(gòu)的定位角度34°，進(jìn)行了2 次標(biāo)定，標(biāo)定值見表4。

結(jié)果顯示，誤差滿足定位精度及重復(fù)定位精度≤0.1°的要求，機(jī)構(gòu)定位角度34°標(biāo)定完成。

3.2.4 機(jī)構(gòu)角度標(biāo)定后復(fù)測(cè)結(jié)果

在對(duì)控制器進(jìn)行關(guān)機(jī)再開機(jī)，機(jī)構(gòu)往返運(yùn)動(dòng)幾個(gè)周期后，復(fù)測(cè)上面的機(jī)構(gòu)角度標(biāo)定結(jié)果，結(jié)果見表5。

表5 機(jī)構(gòu)角度標(biāo)定后復(fù)測(cè)結(jié)果值 (°)

結(jié)果顯示，在機(jī)構(gòu)返程時(shí)，27°的回程間隙稍大，需要在軟件中進(jìn)行補(bǔ)償，其他均滿足定位精度及重復(fù)定位精度≤0.1°的要求。

3.2.5 補(bǔ)償27°回程間隙后復(fù)測(cè)結(jié)果

在控制器軟件中對(duì)27°回程間隙進(jìn)行補(bǔ)償后，機(jī)構(gòu)按34°→27°→20°→27°的順序進(jìn)行掃描，復(fù)測(cè)結(jié)果見表6。

表6 機(jī)構(gòu)定位角度27°復(fù)測(cè)結(jié)果 (°)

結(jié)果顯示，補(bǔ)償結(jié)果滿足定位精度及重復(fù)定位精度≤0.1°的要求。

3.3 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)

圖7 掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證土壤水探測(cè)設(shè)備的整體性能，在天線暗室搭建了實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)前測(cè)試，其中包括了掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的測(cè)試試驗(yàn)，整體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)如圖7所示。將吊裝安裝板安裝在鋁合金框架上，被動(dòng)天線安裝在負(fù)載安裝板上，上位機(jī)安裝在艙內(nèi)設(shè)備框架上，控制箱是直接固定到飛機(jī)艙內(nèi)的。用電纜將電動(dòng)缸與控制箱連接，給電動(dòng)缸傳輸命令和供電；上位機(jī)和控制箱用電纜連接，給控制箱傳輸命令，控制箱直接連接220V 的電源供電；角編碼器與上位機(jī)直接用電纜連接，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)和記錄掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖8 驅(qū)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度圖

上位機(jī)通過(guò)給控制箱傳輸指令控制伺服電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)采集電動(dòng)缸轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖的形式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。通過(guò)圖8可以看出，驅(qū)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)方式做周期運(yùn)動(dòng)。最小采集數(shù)據(jù)為19.905°，最大為33.960°，滿足定位精度≤0.1°的要求。觀測(cè)每個(gè)周期的最小角度值皆在19.905°～20.00°之間，每個(gè)周期的最大角度值皆在33.910°～33.960°之間，滿足重復(fù)定位精度≤0.1°的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的土壤水探測(cè)被動(dòng)天線的掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了20°～34°范圍運(yùn)動(dòng)掃描，定位精度及重復(fù)定位精度≤0.1°，滿足探測(cè)使用需求，圓滿地完成了外場(chǎng)掛載試驗(yàn)，對(duì)以后類似的掛載試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義，同樣適用于其他需要類似機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合。所涉及的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度測(cè)量方法，完成了所設(shè)計(jì)的掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度精度的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)精度測(cè)量提供了參考。