孫雪云，李兵強(qiáng)，劉冬利，李 玄，唐 坤

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129)

一種用于艦載無人機(jī)通信的天線伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫雪云，李兵強(qiáng)，劉冬利，李 玄，唐 坤

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129)

為克服艦載設(shè)備使用穩(wěn)定平臺(tái)的可靠性問題，提出并設(shè)計(jì)了一種脫離穩(wěn)定平臺(tái)用于艦載無人機(jī)通信的天線伺服系統(tǒng)；該天線伺服系統(tǒng)用于艦艇對(duì)艦載無人機(jī)的實(shí)時(shí)跟蹤，具有自動(dòng)跟蹤和手動(dòng)跟蹤兩種工作模式，并且結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、響應(yīng)速度快；從系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理出發(fā)，闡述了系統(tǒng)的機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)、角度跟蹤算法、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)以及伺服電機(jī)控制策略；實(shí)驗(yàn)表明，該伺服系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)艦載無人機(jī)進(jìn)行精確跟蹤，從而保障艦艇與無人機(jī)的有效通信。

艦載；無人機(jī)；天線伺服；穩(wěn)定平臺(tái)

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)在軍事作用上起到越來越大的作用，目前無人機(jī)已經(jīng)裝備在艦艇上。艦載無人機(jī)利用機(jī)載照相、光電、紅外、電子偵察等先進(jìn)傳感器，實(shí)施空中監(jiān)視、偵察、炮火校正、目標(biāo)指示、充當(dāng)誘餌、電子對(duì)抗、毀傷評(píng)估，以及配備機(jī)載導(dǎo)彈等武器，完成封鎖、反艦或?qū)﹃懝舻茸鲬?zhàn)任務(wù)。艦載無人機(jī)以成本低、體積小、作戰(zhàn)使用靈活、費(fèi)效比高、可避免人員傷亡等優(yōu)勢(shì)，得到世界各國海軍的廣泛認(rèn)可[1]。

對(duì)于遙控設(shè)備，艦載無人機(jī)利用艦艇上的天線設(shè)備對(duì)其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測(cè)和數(shù)字傳輸。目前，國內(nèi)大部分艦載通信天線伺服系統(tǒng)都安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，穩(wěn)定平臺(tái)的使用，不僅增加了艦艇的設(shè)備量，而且增加了一些不可靠因素。為克服上述問題，本文提出一種脫離穩(wěn)定平臺(tái)的艦載無人機(jī)通信天線伺服系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了總體結(jié)構(gòu)，闡述了基本工作原理，研制了機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)，分析了轉(zhuǎn)動(dòng)角結(jié)算算法，完成了硬件電路設(shè)計(jì)和伺服控制算法的設(shè)計(jì)與調(diào)試，可有效保證艦艇與無人機(jī)的有效通信。

1 系統(tǒng)總體組成和原理

艦載無人機(jī)通訊天線伺服控制系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)控制器、上位機(jī)和機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)總體原理圖

上位機(jī)把接收到GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成船體、無人機(jī)的航姿信息，通過RS422串口將航姿信息發(fā)送給伺服電機(jī)控制器，控制器根據(jù)當(dāng)前接收到的航姿信息解算出需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角度和俯仰角度，通過永磁同步電機(jī)、光電編碼器等構(gòu)成的位置閉環(huán)控制回路，帶動(dòng)減速機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)方位控制轉(zhuǎn)臺(tái)和俯仰控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)無人機(jī)的實(shí)時(shí)跟蹤。伺服電機(jī)控制器也通過RS422串口將當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值發(fā)送給遙控計(jì)算機(jī)，供操作人員參考。本系統(tǒng)具備自動(dòng)跟蹤和手動(dòng)跟蹤兩種工作模式，控制軟件在上位機(jī)上運(yùn)行。正常情況下，系統(tǒng)工作在自動(dòng)跟蹤模式下，上位機(jī)周期性的向伺服電機(jī)控制器發(fā)送航姿信息，控制器解算出天線需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角度和俯仰角度，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制回路執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)跟蹤丟失，上位機(jī)接收不到GPS信號(hào)，系統(tǒng)工作在手動(dòng)跟蹤模式下。上位機(jī)根據(jù)無人機(jī)飛行軌跡，預(yù)測(cè)無人機(jī)出現(xiàn)的位置，伺服電機(jī)控制回路帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)到上位機(jī)給定的預(yù)測(cè)位置等待無人機(jī)的出現(xiàn)。

2 機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由永磁同步電機(jī)、減速機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、滑環(huán)、轉(zhuǎn)臺(tái)、套筒、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、底座等組成。

本系統(tǒng)使用的兩臺(tái)永磁同步電機(jī)均為50 W，額定轉(zhuǎn)3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0.16 N·M。在方位角控制和俯仰角控制均使用兩級(jí)行星減速機(jī)，減速比分別為80:1和120:1，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采用的是Singlysn系列的旋轉(zhuǎn)變壓器，轉(zhuǎn)臺(tái)位置傳感器采用的是分辨率為14位的光電編碼器。

3 轉(zhuǎn)動(dòng)角解算

由于該艦載天線伺服系統(tǒng)脫離穩(wěn)定平臺(tái)，直接安裝在船體表面，所以船體的航姿影響到轉(zhuǎn)動(dòng)角的計(jì)算，需要船體實(shí)時(shí)的航姿信息來解算轉(zhuǎn)動(dòng)角。上位機(jī)給伺服電機(jī)控制器發(fā)送的航姿信息包括船體的經(jīng)度L1、緯度B1、航向角H、橫滾角R、縱搖角P、船體海拔A1和無人機(jī)的經(jīng)度L2、緯度B2、無人機(jī)海拔A2[2]。

1)根據(jù)船體經(jīng)緯度和無人機(jī)經(jīng)緯度、海拔，將船體和無人機(jī)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系中。船體坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1)，無人機(jī)坐標(biāo)為(X2,Y2,Z2):

(1)

(2)

(3)

其中：

(4)

3)根據(jù)船體航向角、橫滾角和縱搖角，將無人機(jī)轉(zhuǎn)換到以船體甲板和天線底座接觸中心為原點(diǎn)，甲板平面內(nèi)垂直指向右側(cè)船舷為X軸，垂直于X軸并且指向船頭方向?yàn)閅軸，垂直于甲板平面為Z軸的船體坐標(biāo)系中[3]。轉(zhuǎn)移后的坐標(biāo)為：

(X″2,Y″2,Z″2)

(5)

其中:

(6)

4)根據(jù)公式(3)中得到的無人機(jī)在考慮航向角、橫滾角和縱搖角船體坐標(biāo)系的坐標(biāo)(X″2,Y″2,Z″2)，即可計(jì)算得到此時(shí)無人機(jī)相對(duì)于船體的方位角A和俯仰角E。

(7)

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括DSP控制電路、通信接口電路、電源變換電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路、相電流采樣電路以及位置、速度信號(hào)調(diào)理電路等組成。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

DSP控制芯片選擇的TMS320F28335，該芯片為TI公司生產(chǎn)的最高時(shí)鐘頻率為150 MHz，且具備32位浮點(diǎn)處理單元的高新能數(shù)字信號(hào)處理芯片。得益于其自帶的32位浮點(diǎn)處理單元，使得轉(zhuǎn)換航姿信息和解算轉(zhuǎn)動(dòng)角更加方便、精確。

電源供電采用的是220 V兩相交流電，通過電源變換電路得到直流24 V控制器供電和直流300 V三相逆變橋供電。相電流采樣采集的是永磁同步電機(jī)三相電流，經(jīng)過二階濾波后送入DSP的AD引腳。光電編碼器輸出的信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后送入DSP的QEP管腳。

4.1 速度信號(hào)調(diào)理電路

旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)的速度傳感器相比于霍爾傳感器更加精確，相比于光電編碼器更加可靠。旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機(jī)內(nèi)部，使用方便。選擇AD2S1210芯片對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的相互正交的兩組正弦信號(hào)進(jìn)行解碼。根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的不同需求，可通過外部電路將AD2S1210配置分辨率在10、12、14、16bit四種工作模式，本系統(tǒng)選擇AD2S1210工作在12bit分辨率工作模式下。AD2S1210具體外圍配置電路如圖3所示。

圖3 AD2S1210外圍配置電路

4.2 隔離驅(qū)動(dòng)電路

控制器需控制兩臺(tái)永磁同步電機(jī)， 要同時(shí)輸出2組12路PWM信號(hào)。為防止功率變換電路對(duì)DSP控制電路的干擾，PWM信號(hào)經(jīng)過隔離芯片ADUM1401進(jìn)行隔離后，送入逆變橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2136S。由于IR2136S具有反向的作用，為保證在系統(tǒng)不工作狀態(tài)下逆變橋處于關(guān)斷狀態(tài)，12路PWM信號(hào)在進(jìn)入隔離芯片ADUM1401前通過上拉電阻拉至3.3 V狀態(tài)。IR2136S具體外圍配置電路如圖4所示。

圖4 IR2136S外圍配置電路

5 伺服電機(jī)控制策略

該艦載天線伺服系統(tǒng)是一種位置伺服控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。系統(tǒng)采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)[4]。位置外環(huán)：控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)角與給定值一致，實(shí)現(xiàn)精確控制；速度中環(huán)：消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響；電流內(nèi)環(huán):控制逆變器在電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生準(zhǔn)確的電流[5]?？刂撇呗陨希恢铆h(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)采用經(jīng)典PID控制。

圖5 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)伺服系統(tǒng)控制精度實(shí)驗(yàn)：伺服系統(tǒng)通電后回歸零位，即方位角指向正北和俯仰角為水平0度，將兩個(gè)電子羅盤固定在方位轉(zhuǎn)臺(tái)和俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過上位機(jī)把航姿信息發(fā)送給伺服電機(jī)控制器，等達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，比較電子羅盤運(yùn)動(dòng)前后的角度值和通過人工計(jì)算得到的角度信號(hào)來判斷伺服系統(tǒng)的控制精度。表1為控制精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

表1 控制精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)

2)伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度實(shí)驗(yàn)：通過上位機(jī)給定方位角為90°和俯仰角為30°的航姿信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 方位角轉(zhuǎn)動(dòng)曲線

圖7 俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)曲線

通過實(shí)驗(yàn)(1)可見，伺服系統(tǒng)在方位角和俯仰角的控制誤差均小于0.2°，通過實(shí)驗(yàn)(2)可見，方位角轉(zhuǎn)動(dòng)90°和俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)30°所用的時(shí)間均小于1 s，并且對(duì)于階躍信號(hào)的響應(yīng)幾乎沒有超調(diào)?？傮w來看，系統(tǒng)的性能可以滿足技術(shù)指標(biāo)。

7 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種用于艦載無人機(jī)通信的天線伺服系統(tǒng)，控制精度實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)速度實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的雙軸艦載無人機(jī)通信伺服系統(tǒng)完全可以滿足艦艇對(duì)無人機(jī)的跟蹤要求，且性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

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Design of an Antenna Servo System for Ship-borne UAV Communications

Sun Xueyun, Li Bingqiang,Liu Dongli, Li Xuan, Tang Kun

(College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China)

In order to overcome the reliability problem of stabilized platform used for shipboard equipment,a kind of out of stabilized platform antenna servo system for the communication between ships and ship-borne UAV is put forward and designed. This antenna servo system，with two kinds of working mode: automatic tracking and manual，is used for vessels of ship-borne UAV real-time tracking. This paper also expounds the system of electromechanical actuation mechanism，tracking algorithm，the design of system hardware circuit and servo motor control system. Experiments show that the servo system can track of ship-borne UAV accurately，thus the effective communication between ships and UAV can be ensured.

ship-borne；UAV；antenna servo；stable platform

2016-06-02；

2016-07-05。

國家自然科學(xué)基金(51407143)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20136102120049)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2014JQ7264，2015JM5227)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(3102014JCQ01066)。

孫雪云(1992-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方向的研究。

李兵強(qiáng)(1981-)，男，河北石家莊人，工學(xué)博士，副教授，主要從事現(xiàn)代電力電子工程和現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)等方向的研究。

1671-4598(2016)12-0127-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.036

TP273

A