白楊楊 張立中 孟立新

摘要 機(jī)栽激光通信光端機(jī)外場實(shí)驗(yàn)需要輕小型化姿態(tài)運(yùn)動模擬器。通過對飛機(jī)位置姿態(tài)變化對激光通信APT（捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤）系統(tǒng)影響分析，提出了一種具有方位和俯仰功能的新型平行2自由度平臺，并利用閉環(huán)矢量法建立了運(yùn)動學(xué)模型。通過對Matlab數(shù)學(xué)模型和ADAMS仿真結(jié)果的比較，驗(yàn)證建模方法準(zhǔn)確定，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)動仿真平臺 閉環(huán)矢量法 激光通信機(jī)載

激光通信具有高通信速率、抗干擾、保密性強(qiáng)，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。APT系統(tǒng)作為空間激光通信的基礎(chǔ)，是開展激光通信首先需要解決的難題。

高頻振動和低頻擾動是機(jī)載激光通信轉(zhuǎn)臺面臨的主要因素，轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定性受高頻振動影響，跟蹤性能受低頻擾動影響。因此，高頻振動與低頻擾動在跟瞄轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要著重考慮。常規(guī)運(yùn)動模擬臺采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，具有體積大、承載輕特點(diǎn);并聯(lián)運(yùn)動模擬臺采用框架式結(jié)構(gòu)，具有體積小、承載重、精度高、無視軸遮擋等優(yōu)點(diǎn)，適合為野外激光通信跟瞄轉(zhuǎn)臺通信試驗(yàn)提供模擬擾動。

1 機(jī)載姿態(tài)變化分析

高精度激光通信跟蹤轉(zhuǎn)臺采用粗精復(fù)合控制，跟蹤速度與加速度直接影響跟蹤效果，通過合理選擇保精度跟蹤速度來滿足跟蹤精度要求。系統(tǒng)動態(tài)滯后誤差與保精度角速度、角加速度關(guān)系為：

式中，Ω為跟蹤角速率，ε跟蹤角加速度，Kv為速度品質(zhì)系數(shù)，Ka為加速度品質(zhì)系數(shù)。從式（1）可以看出，動態(tài)滯后誤差的取決于跟蹤系統(tǒng)自身的特性與原始激勵。

實(shí)際測試試驗(yàn)飛機(jī)最大姿態(tài)變化約為3.6°/s，最大加速度約為4°/s2。因此，考慮到設(shè)備應(yīng)用擴(kuò)展，兩自由度模擬試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺的最大模擬速度定為20°/s，最大模擬加速度定為20°/s2，最大運(yùn)動范圍為15°。

2.2一DOF運(yùn)動模擬臺設(shè)計(jì)

2 DOF運(yùn)動模擬臺結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，系統(tǒng)由動平臺、中間支撐平臺（包括四個輔助支撐桿）、中心支座、靜平臺、約束桿A、伺服電動缸B、伺服電動缸C及其兩端支撐桿（coC，和C2C3）外加連接鉸鏈等組成。伺服電動缸B和C同時運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)模擬臺方位和俯仰的復(fù)合運(yùn)動，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)有2個自由度，與驅(qū)動數(shù)目相等，因此不存在驅(qū)動冗余。

坐標(biāo)系建立如圖1所示，坐標(biāo)系O0-.X0Y0Z0靜平臺參考坐標(biāo)系，坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1為模擬臺中心坐標(biāo)系，兩個坐標(biāo)系的軸系初始狀態(tài)下分別平行。假設(shè)從初始位置起，俯仰先繞Y0軸旋轉(zhuǎn)α角，方位再繞Z0軸轉(zhuǎn)β角得到的當(dāng)前姿態(tài)坐標(biāo)為（α，β），根據(jù)卡爾單角坐標(biāo)變換關(guān)系，得到動平臺上任一點(diǎn)e在基坐標(biāo)

3 動力學(xué)仿真分析

根據(jù)該運(yùn)動模擬臺設(shè)計(jì)要求，初始設(shè)計(jì)參數(shù)如下：初始狀態(tài)下動平臺與靜平臺之間高度315mm，R0=185mm，p=33.5mm;通過仿真計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化在不考慮鉸鏈間隙、軸系磨損等誤差的條件下，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建立模擬臺的數(shù)學(xué)模型，并將結(jié)構(gòu)參數(shù)代入公式公式（3）、（4）得到兩個電動缸桿長實(shí)時變化曲線，同時，應(yīng)用動力學(xué)仿真軟件Adams建立二自由度模擬臺運(yùn)動學(xué)模型。輸入方位和俯仰的變化規(guī)律，實(shí)時測量桿長兩端位移變化得到兩個電動缸桿長變化曲線，動力學(xué)仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

通過對數(shù)學(xué)建模得到的桿長變化與運(yùn)動學(xué)樣機(jī)仿真得到的桿長變化對比分析，兩電動缸桿長隨時間變化曲線基本一致，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性;同時將數(shù)學(xué)模型計(jì)算的桿長變化數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Adams中生成樣條曲線，并將數(shù)據(jù)加載到兩個電動缸上，測量兩軸變化規(guī)律，結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)完全吻合;通過上面對正反解結(jié)果分析，表明二自由度模擬臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無論是從理論上還是應(yīng)用上都具有可行性，為下一步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了數(shù)學(xué)模型。

4 總結(jié)

通過對2-DOF運(yùn)動模擬臺的數(shù)學(xué)模型建立和仿真，該模擬臺可實(shí)現(xiàn)搭載平臺方位俯仰運(yùn)動，滿足機(jī)載激光通信APT系統(tǒng)檢驗(yàn)對姿態(tài)變化的需求，同時由于只有兩個自由度，控制系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)具有輕小型和簡便性，方便外場試驗(yàn)。

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