陳 燁，馬玉豐，張啟濤，王 宇

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

天線輻射性能測試是整個天線研制過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，通過對設(shè)計結(jié)果與實測結(jié)果進行分析，從而驗證天線實際性能是否達到理論設(shè)計指標(biāo)。

傳統(tǒng)天線測試系統(tǒng)可以分為室外測試場和室內(nèi)測試場[1]，室外測試場通常為開放型遠場，其測試條件惡劣，測試結(jié)果受環(huán)境影響較大，如圖1所示。室內(nèi)測試場將測試系統(tǒng)建設(shè)在具有吸波環(huán)境的暗室內(nèi)[2]，根據(jù)不同的天線形態(tài)和需求，通過集成控制及射頻等子系統(tǒng)，建成各種不同類型的測試系統(tǒng)。航天五院西安分院一直致力于天線測試領(lǐng)域技術(shù)研究，主導(dǎo)建設(shè)了垂直平面近場、水平平面近場、多探頭球面近場、雙反射面緊縮場等國際一流、國內(nèi)領(lǐng)先的測試系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 室外開放遠場測試系統(tǒng)Fig.1 Outdoor farfield antenna measurement system

圖2 吸波暗室測試系統(tǒng)Fig.2 Antenna measurement system in the chamber

為了最大程度提高測試效率和準(zhǔn)確度，往往不同的測試系統(tǒng)針對不同結(jié)構(gòu)和特點的天線。例如垂直平面近場適合姿態(tài)固定的中高增益天線測試；球面近場則適合寬波束天線測試，多探頭則為其提供了超高的測試效率；水平平面近場則是網(wǎng)狀天線、傘天線的首選測試系統(tǒng)；緊縮場則可為交叉極化要求較高的各類天線提供高性能的測試方案。上述這些典型測試系統(tǒng)各有特點，適用于不同類型的天線，然而系統(tǒng)中的高精度轉(zhuǎn)臺、掃描架、反射面等造價極高，導(dǎo)致高精度系統(tǒng)成本居高不下，成本較低的系統(tǒng)卻難以達到精度需求的困境。

介紹的基于智能機械臂的任意曲面天線測試系統(tǒng)，利用六軸機械臂的靈活性及較高的定位精度，搭配相應(yīng)射頻儀表及附件，可實現(xiàn)平面近場、球面近場、柱面近場三合一的功能，且具有占地小、成本低、精度高、靈活可移動等優(yōu)點，可有效緩解測試資源緊張的局面，同時對電測領(lǐng)域的技術(shù)提升具有參考意義。

1 機械臂概況研究

1.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

德國提出“工業(yè)4.0”概念的同時，中國也提出了“中國制造2025”，重點強調(diào)融合信息化和工業(yè)化引導(dǎo)與帶動整個制造業(yè)發(fā)展。工業(yè)機器人及機械臂系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，更是智能化的重中之重。

國外機器人技術(shù)起步較早，經(jīng)過五十多年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸成熟并形成了一些具有影響力的公司，包括：瑞典ABB、德國KUKA、美國ATA；以及日本YASKAWA(川崎)、FANUC(發(fā)那科)等公司[3]。美國最早研制的遙控機械臂最初工作于自動化生產(chǎn)中，解放了重復(fù)性工作的人工成本，同時機器人連續(xù)不間斷的工作模式也極大提高了工作效率。更有醫(yī)學(xué)醫(yī)療、航空航天等精密領(lǐng)域的參與，更加注重人機交互，完成人工無法進行的作業(yè)。例如焊接、采礦等環(huán)境惡劣的工種，使用機器人作業(yè)既可保證工作質(zhì)量，同時避免了工傷事故。更有服務(wù)于殘疾人士的醫(yī)療用機械臂，以及可安裝在輪椅上的助老助殘機械臂等[4]。美國NSI實驗室也成功將機械臂應(yīng)用于天線測試領(lǐng)域，實現(xiàn)了利用六軸機械臂完成天線近場數(shù)據(jù)掃描的技術(shù)方案。

國內(nèi)研究雖然起步晚，但是在國家科技政策的支持下發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出了廣州啟帆、沈陽新松、上海新時達等國內(nèi)機器人品牌制造商。同時，高校與科研院所也在各自的領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功研制了210 kg負載機器人、點焊和弧焊機器人[5]，中科院研制出可穿戴下肢助力機器人[6]，上海交大也研制出用于醫(yī)療手術(shù)操作的機器人[7]，中國空間技術(shù)研究院西安分院通過控制并優(yōu)化機械臂路徑，研制出可實現(xiàn)天線測試的機械臂系統(tǒng)。

1.2 未來發(fā)展趨勢

縱觀世界各國機械臂技術(shù)的發(fā)展，都在向模塊化、智能化和個性化的方向發(fā)展[3]。具體而言，模塊化就是將機械結(jié)構(gòu)如關(guān)節(jié)、連桿等，以可重構(gòu)的方式代替機械臂整體，提高機械臂的可靠性及可維修性。智能化則指通過算法優(yōu)化設(shè)計和多傳感器融合技術(shù)提升機械臂靈活性和準(zhǔn)確度。個性化則是指通過開放的接口環(huán)境，建立仿真編程環(huán)境，增強人機交互和二次開放能力，使機械臂應(yīng)用于更多場景，以實現(xiàn)多樣化的需求，向更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

2 基于智能機械臂的任意掃描曲面天線測試系統(tǒng)設(shè)計

人工智能與天線測試相結(jié)合開辟了天線測試發(fā)展的新紀(jì)元，利用人工智能機器人來代替原始的天線測試轉(zhuǎn)臺與伺服控制，具有得天獨厚的優(yōu)勢。

2.1 系統(tǒng)組成

機械臂天線測試系統(tǒng)可實現(xiàn)平面近場、柱面近場、球面近場三合一的功能，掃描面積主要取決于機械臂自身的運動范圍，配合三維轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)的近場掃描類型及范圍如表1所列。

表1 機械臂天線測試系統(tǒng)可實現(xiàn)的掃描類型及范圍

整個機械臂天線測試系統(tǒng)置于吸波暗室內(nèi)，由3個子系統(tǒng)組成：射頻子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。系統(tǒng)通過選用德國KUKA公司的六軸機械臂夾取饋源天線，配合三軸待測天線轉(zhuǎn)臺，通過自主編程控制并優(yōu)化機械臂的行走路徑完成相應(yīng)坐標(biāo)系掃描，能夠以最優(yōu)掃描路徑進行數(shù)據(jù)采集以提高測試效率，同時與射頻子系統(tǒng)進行交互，采集各點的電場場強信息，從而實現(xiàn)待測天線近場性能的自動測試。圖3為天線測試機械臂系統(tǒng)示意圖。

圖3 機械臂天線測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Robot arm antenna measurement system

2.2 系統(tǒng)控制技術(shù)實現(xiàn)

機械臂天線測試系統(tǒng)采用TCP/IP SOCKET通信方式進行控制通信，具體通信流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)通信控制流程Fig.4 Procedure of system communication and control

上位機發(fā)送控制通信協(xié)議給PLC控制器，PLC控制器經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換，將其翻譯成機械臂可識別的機械代碼并發(fā)送至機械臂本機，機械臂本機接收到指令代碼，結(jié)合其自身的運動控制算法，進一步優(yōu)化并控制機械臂的空間運行軌跡。如此交互式地通信控制機械臂空間掃描路徑，配合搭載的探頭天線，即可實現(xiàn)不同的天線近場幅相信息掃描及相應(yīng)坐標(biāo)系的建立。

2.3 后處理算法實現(xiàn)

通過機械臂采集到近場的幅相信息后，需要通過近遠場變換，將采集到的數(shù)據(jù)處理后得到實際的遠場輻射方向圖等相關(guān)信息。

2.3.1 平面近遠場變換算法

近場測量用的探頭實際上是一個小天線，它的尺寸并非為零，探頭的接收信號即測量值與探頭的特性有關(guān)[8]。同樣的近場分布用不同的探頭去測量,其測量值會有所不同,而天線的固有特性是與探頭無關(guān)的。為了由測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確推出天線的近場和遠場特性，應(yīng)當(dāng)在計算中把探頭的影響消除掉。為此必須建立天線與探頭間的耦合方程，即找出待測天線發(fā)射時探頭接收信號與待測天線輸入信號之比與這兩個天線的特性及相互位置間的關(guān)系。

根據(jù)平面波普展開理論及傅里葉變換原理[9]，可推導(dǎo)得到天線與探頭方向圖的耦合方程如式(1)、(2)所示[10]，展開推導(dǎo)過程本文不再贅述。

(1)

(2)

式中：

(3)

(4)

于是式(1)和式(2)可進一步表示為：

(5)

(6)

2.3.2 球面近遠場變換算法

在球面近場測量過程中，探頭總是正對待測天線，因此探頭的影響可以忽略不計。在球坐標(biāo)系下建立天線場方程，通過求解漢姆霍茨方程，令kr區(qū)域無窮時，可得到天線遠場的方向圖表達式：

(7)

(8)

(9)

以及兩個關(guān)鍵性系數(shù)的表達式，具體推導(dǎo)證明過程并非本文重點,因此省略。

(10)

(11)

通過探頭采集相關(guān)信息后代入式(10)、(11)求得兩個核心系數(shù)，其中r為探頭采集半徑值，將結(jié)果代入式(8)、(9)即可得到待測天線遠場方向圖信息。

利用編程實現(xiàn)近遠場變換的核心算法，可實現(xiàn)平面、柱面及球面近遠場變換功能、以及平面口徑場回推功能；同時可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)分析、處理和輸出功能。經(jīng)過實際測試驗證[11]，達到商業(yè)測試分析軟件同等水平。如圖5所示，為該機械臂天線測試系統(tǒng)系統(tǒng)搭載自主開發(fā)的后處理分析軟件，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)增益天線的測試結(jié)果圖。

圖5 機械臂天線測試系統(tǒng)實測結(jié)果 Fig.5 Test result of robot arm antenna measurement system

3 應(yīng)用及驗證

為進一步驗證智能機械臂天線測試系統(tǒng)的測試準(zhǔn)確性，選用相同待測件在自主研發(fā)的天線測試機械臂系統(tǒng)與現(xiàn)有可靠的天線測試系統(tǒng)之間進行比對測試[12-15]，比對測試方向圖結(jié)果如圖6所示，具體測試數(shù)據(jù)比對如表2所列。

圖6 方向圖測試結(jié)果對比Fig.6 Comparison of radiated pattern

表2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果對比

由此可見，兩個系統(tǒng)之間的比對測試結(jié)果一致性較好，智能機械臂系統(tǒng)的測試精度與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)相當(dāng)。

除此之外，相比傳統(tǒng)近場測試系統(tǒng)，它還具有很多優(yōu)勢，例如掃描類型多樣以適配不同特點的天線產(chǎn)品，智能優(yōu)化掃描路徑以提高效率；相比配置掃描架的傳統(tǒng)系統(tǒng)而言，造價相對低廉，占地小且可移動等性能，具體如表3所列。

表3 測試系統(tǒng)性能對比

4 結(jié)論

在研究工業(yè)機械臂的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重點介紹了中國空間技術(shù)研究院西安分院研制的國內(nèi)首例基于智能機械臂的任意曲面天線測試系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用驗證。該系統(tǒng)基于成熟機械臂產(chǎn)品進行自主開發(fā)，通過控制機械臂通信技術(shù)，搭載自主研發(fā)的處理算法，成功將機械臂應(yīng)用于天線測試領(lǐng)域，技術(shù)水平可對標(biāo)美國NSI實驗室的機械臂天線測試系統(tǒng)，開創(chuàng)了智能化天線測試領(lǐng)域的新紀(jì)元。其靈活高效的工作模式可實現(xiàn)各類導(dǎo)航天線、通信天線等星載天線的高精度測試需求，這也標(biāo)志著我國航天領(lǐng)域進入智能化、核心技術(shù)自主可控的發(fā)展階段，對“宇航智造”的升級變革具有里程碑意義。