一種角位置目標模擬器智能化設計與實現

劉 龍，周文佳

（1 南京艾文森電子科技有限公司，211106，江蘇南京；2 南京城市職業學院，211200，江蘇南京）

無線電定位接收系統是一種利用在自由空間傳播的電磁波探測目標并定位的電子設備，包括雷達、導航和全球定位系統等。主要任務是對目標發射電磁波并接收其目標回波信號，由此獲得目標到定點位置的速度、距離、方位等定位參數信息反饋。

目標回波信號一般采用模擬器進行模擬，模擬器接收射頻基準信號，通過測頻、變頻、基帶處理等形成反映目標速度變化的回波信號。而目標的角度變化則一般通過角位置模擬器實現[1]。角位置模擬器主要由控制電路、角位置運動機構、喇叭天線和控制計算機等組成，借用計算機遠程控制功能，設置好運動目標軌跡，利用同步功能，在遠程控制模式下發出同步信號，角位置模擬器按照設定的軌跡開始運動[1]，實時顯示并記錄目標所在的位置、運動方向和運動速度，并把上述參數傳給產品的總控計算機。

目前，角位置模擬器主要有陣列式和機械式兩種。陣列式角位置模擬器主要采用天線射頻仿真技術實現目標角位置的模擬[2]，具有全天候、操作方便、嚴謹性強、保密性能好等優勢，由于研發成本預算較高，一般多用于軍事設備或高端電子設備等。目前，機械式角位置模擬器在設計上較為精簡、制作成本不高，主要應用于無線電定位系統測試工作。

本文介紹的系機械式角位置目標模擬器，采用了傳統的設計原理，研發成本較低，研制工期較短，可以滿足無線電接收系統定位反饋功能的測試需求。

1 角位置目標模擬器設計架構

1.1 角位置模擬器總體結構

（1）角位置模擬器總體結構。由方位圓弧伺服移動（即水平移動）部件和俯仰伺服移動（即垂直移動）部件兩部分組成。方位X 運動（水平移動）部分和俯仰Y 運動（垂直移動）部分可拆裝，每部分最大質量為100 kg，方便安裝和搬運。

（2）角位置模擬器目標軌跡。以半徑約為6 m 的圓弧作為中心區域，在暗室的地面安裝由支撐柱支撐起的基座，在基座上安裝一根類似圓弧狀、精密度較高的導軌，利用慣性運動，使平移小車能夠在圓弧狀區域內自行移動，借用螺栓將導軌與底座連接。在基座內部，靠近圓弧的側方位方向，安裝類圓弧狀的大齒輪，通過減速，伺服電機推動滾輪轉動，使得電機和平移小車達到螺釘鎖死狀態，完成平移小車在圓弧上一次的自主移動。在圓弧導軌內的小車上，垂直立柱整體做圓周運動，運動半徑約為5.8 m（天線），在垂直立柱上安裝天線支承座，同樣通過帶輪帶動支撐座沿直線導軌上下做Y 方向的直線運動，移動范圍0.8～2.2 m。同時為了實現天線的角度可變，在Z 軸方向設計了手動旋轉機構，可進行極化調整。

經測試，為了保障整體結構的剛度，在長期使用后結構不發生由殘余應力引起的變形，設計中在支撐座和基座均配置加強筋，保證角位置模擬器柱面精度長期穩定有效。

（3）走線路徑流程。①所有電機、反饋電纜及客戶天線射頻電纜順支撐柱而上穿過拖鏈托盤上的孔進入拖鏈，拖鏈豎起來用，可在拖鏈盤內運動；②方位電機、反饋電纜從拖鏈出來沿左路線進入方位電機；③俯仰電機、反饋電纜從拖鏈出來沿右路線進入俯仰電機；④客戶天線射頻電纜從拖鏈出來沿左下路線自然垂落。

（4）機械零位與電器零位的設計。在方位及俯仰的中心處都裝有定制開關，當機構進行尋零時，沿各自導軌進行運動直至激發定制開關，同時通過屏蔽電纜給控制卡+5 V 電壓信號，軟件即把當前的位置記為零位。在方位和俯仰操控區裝有帶刻度的標尺，方便校準。

1.2 裝配工藝

角位置模擬器選用高性能交流伺服電機作為驅動，方位方向的移動采用圓弧導軌加圓弧齒條的驅動方式。俯仰運動采用鋼絲繩傳動加精密直線導軌的方法來實現喇叭的上下移動，整個俯仰部件安裝于在圓弧導軌上滑動的小車。

（1）外觀設計。角位置目標模擬器底座先按零件的基本外形尺寸鑄造，形成毛坯；然后把底座連接在一起，在大型加工機床上，進行主基準、副基準及重要配合面等的精加工，一次裝夾成型，保證一定的同軸度及平面度。底座的主基準底座內圓面為導軌外圓配合面，副基準底座外圓面為齒條內圓配合面。

（2）安裝原理。底座、齒條、導軌的拼接處錯開，以增強剛性及使底座更好地約束導軌跟齒條的裝配；導軌接頭的拼接和圓弧齒條的拼接，則通過相應靠模來校正；底座的連接主要通過底座連接板來固定。

（3）裝配程序。首先，使用靠模校準主基準的配合，保證圓弧度；其次，使用連接板銜接底座，鎖緊螺母，給予正壓力通過摩擦力限制底座；再次，調整螺母，通過螺栓產生的頂起力調整底座上表面的高低，使兩個相鄰的底座上表面配合平整；最后，調整后塞入進口精密墊片（間隙片）。上述調整操作完畢后，鎖死鎖緊螺母及定位螺母。

（4）組裝校核設計。首先，初定位角位置模擬器位置，主要是裝夾臺與角位置模擬器的配合（例如圓心的重合），然后進行角位置模擬器裝配；其次，設備底座的水平可通過鎖緊連接板底部、調整螺母和精密墊片（在每個基座四個角）來進行微調，使用雙向水平儀來校準；最后，使用電子經緯儀進行圓心的標定及修訂，微調裝夾臺的高度或者前后位置，直至圓心的定位誤差小于2 mm。

2 方位X 運動（水平移動）結構設計

方位運動結構由支撐柱、基座、圓弧導軌、圓弧齒條、伺服電機、減速器、拖鏈盤、拖鏈、尋零開關、電氣限位保護裝置、機械限位保護裝置和立柱安裝支座等幾部分組成。圓弧導軌和圓弧齒條共同安裝于基座上[1]。導軌選用優質結構鋼精加工后拼接而成，經適當的熱處理具有良好的綜合性能；圓弧齒條選用無間隙齒輪齒條。

為使圓弧導軌與齒條的壽命最大化，基座采用鑄造件，增強剛度；同時，一次裝夾加工出圓弧導軌及齒條的安裝面及安裝基準，以保證二者的同心度。在導軌拼接處，采用導軌拼接頭固定結構來加強兩根導軌銜接的穩定及平滑。基座、支撐柱和地面則通過墊片結合儀器來調整水平。

采用加茂滾輪齒條作為傳動機構，優點如下。①零背隙：滾輪正反轉時都不產生齒背間隙；②高精度：進給、定位兩種精度接近精密滾珠絲桿；③綠色環保：低噪音、低振動、低灰塵；④優化路徑：實現長距離和高速化，可進行210 m/min 以上的高速行走。

3 俯仰Y 運動（垂直移動）結構設計

俯仰運動結構主要由安裝座、直線導軌、支承座、電機及其驅動部件、惰輪、主動輪和鋼絲繩等組成。支承座安裝在豎直安裝的直線導軌的滑塊上，兩者通過螺栓連接。直線導軌則通過厚10 mm 的鋁板固定到移動小車上，相互增加剛性，以此來保證垂直方向的剛性。

4 Z 軸結構設計

Z 軸結構由測試天線、天線安裝座、旋轉盤、固定座、鎖緊螺母及垂直移動工作臺等組成。旋轉盤可繞軸手動旋轉，旋轉角度為0°～90°，在旋轉盤及固定座上刻有相應的刻度線，可讀取旋轉角度；旋轉盤通過機械的軸孔配合可繞固定座旋轉，通過鎖緊螺母可鎖死旋轉盤[1]。

5 總體控制方案

5.1 電氣控制系統設計

電氣控制系統包括硬件和軟件兩方面。整個電氣控制系統硬件由總控計算機、工業控制計算機（工控機）、運動控制卡及限位開關、電機驅動單元和伺服電機組成[3]。伺服電機與工控機通過運動控制卡建立聯系，伺服電機接收工控機的運動指令和控制信號，控制信號經電機驅動單元功率放大后驅動電機運動。

如圖1 所示，角位置模擬器工業控制計算機通過USB 數據線與運動控制卡通信，運動控制卡通過信號電纜將控制信號傳遞給兩軸驅動器，再經過電機和碼盤信號電纜驅動電機，并接收碼盤反饋信號。角位置模擬器可通過本地控制，也可由總控計算機通過RS232串口發送命令遠程控制，同時運動控制卡可直接接收測試產品的TTL 電平的同步信號，實現同步控制。

圖1 角位置模擬器控制系統連線圖

5.2 控制軟件設計

角位置模擬器控制系統通過計算機搭建人機交互界面，操作者可以通過對計算機操控實現角位置模擬器的智能化操作，也可以通過串行通信接口由上位計算機對角位置模擬器控制計算機進行遠程控制。經測試，計算機界面能實時顯示目標所在的位置、運動方向和運動速度，在方位和俯仰方向上可獨立或同時進行單次或往復運動，其位置和速度可通過計算機設置[1]，全面實現角位置模擬器的智能化運作。軟件功能流程圖如圖2 所示。

圖2 軟件流程圖

軟件主要界面包括：

（1）手動控制模式。用戶可根據界面上的按鈕對X、Y 軸進行手動操作，X 分為左移和右移，Y 分為上移和下移，同時界面上有尋零操作和實時位置顯示。

（2）單軸自動控制模式。可根據用戶設定參數，分別對兩軸進行控制，運動模式主要有單次模式、往復模式、正弦模式三種。單次和往復運動模式下，可輸入兩軸角度、速度；正弦模式下可輸入X 軸幅度、頻率。上述模式下，當設定參數超過范圍時，軟件會自動取范圍上下限值，同時實時顯示各軸的位置和速度。

（3）聯動控制模式。可根據用戶設定參數，實現兩軸同時運動。

（4）遠程模式。在遠程模式下，用戶可執行尋零操作，打開通信端口，可實現上位機控制，通過串口接收上位機命令，并將各軸位置、速度等參數傳給上位機。串口采用全雙工異步傳輸，推薦通信參數設置:波特率9 600 bps[4]，含校驗位。

6 結語

通過運維測試，已基本達到客戶需求。研制的角位置目標模擬器成本較低，運維測試效果比較理想，現已用于科研批量測試，目標客戶回饋反映較好。