竇玉超，鄭東豪，曾達(dá)幸，侯雨雷

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

1 引言

航天遙感、衛(wèi)星“三遙”（遙感、遙測、遙控）天線設(shè)計(jì)多采用俯仰－方位型，其在天線天頂位置存在“盲錐區(qū)”。俯仰－方位型天線無法在衛(wèi)星過頂空域連續(xù)跟蹤衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)信號不間斷連續(xù)工作的需求［1］。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的分支連接動(dòng)、定平臺(tái)而組成，為空間多分支閉鏈形式，以其結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)慣性小、不存在累積誤差等特點(diǎn)［2］在天線領(lǐng)域有其獨(dú)特應(yīng)用［3］。文獻(xiàn)［4］提出了3?RSR（R為轉(zhuǎn)動(dòng)副，S為球面副）并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于衛(wèi)星天線支撐的方案。文獻(xiàn)［5］以4?SPS（PS）并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為雷達(dá)天線自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的支撐架。文獻(xiàn)［6］采用3?RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為天線支撐機(jī)構(gòu)，對天線機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并研制了試驗(yàn)樣機(jī)。文獻(xiàn)［7］研究分析了Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于天線支撐的可行性。

3?RSR機(jī)構(gòu)為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的經(jīng)典構(gòu)型之一［8］，具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)、一個(gè)移動(dòng)共3個(gè)自由度。文獻(xiàn)［9］對3?RSR并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模及仿真。文獻(xiàn)［10］研究了3?RSR并聯(lián)機(jī)器人的位置正解。文獻(xiàn)［11］對3?RSR/SP 并聯(lián)車載天線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及力學(xué)特性進(jìn)行了分析。結(jié)合機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［12］針對并聯(lián)機(jī)器人的控制方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［13］開展了平面5R并聯(lián)機(jī)器人軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)［14］對6?PUS/UPU（P為移動(dòng)副，U為虎克鉸）并聯(lián)機(jī)構(gòu)開放式控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［15］設(shè)計(jì)了3自由度Delta型并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)［16］使用Qt/Embedded軟件對嵌入式控制界面進(jìn)行了開發(fā)。

基于3?RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一種并聯(lián)式天線樣機(jī)，可實(shí)現(xiàn)方位、俯仰和收藏的運(yùn)動(dòng)功能；進(jìn)行不同受載工況下機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析以確定所需驅(qū)動(dòng)力矩，搭建一套由PC+控制器+電機(jī)組成的控制系統(tǒng)，并開發(fā)相應(yīng)控制軟件；開展天線樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證并聯(lián)式天線樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)功能以及控制系統(tǒng)的有效性。

2 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)研制

并聯(lián)式天線樣機(jī)由天線面、天線座架、防護(hù)罩和電控柜組成，其中，電控柜與地面固定，主要用來放置天線樣機(jī)的電源、變壓器、控制器、驅(qū)動(dòng)器及線路；天線座架由3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)和電機(jī)組成，固定在電控柜上；電機(jī)驅(qū)動(dòng)3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)方位、俯仰、收藏的運(yùn)動(dòng)功能，以實(shí)現(xiàn)天線運(yùn)動(dòng)需求，使天線能夠保持一定的位姿運(yùn)動(dòng)；天線面通過螺釘固定在天線座架上，并跟隨其運(yùn)動(dòng)，主要用于接收發(fā)送信息。當(dāng)天線停用時(shí)，將防護(hù)罩蓋在其上以進(jìn)行保護(hù)。

3?RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和三條運(yùn)動(dòng)支鏈組成。定平臺(tái)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的固定部件，通過螺栓固定在電控柜上，其功能是放置電機(jī)、定位三條運(yùn)動(dòng)支鏈、承擔(dān)天線面和天線座架的自重與載荷。三條運(yùn)動(dòng)支鏈結(jié)構(gòu)相同，其組成，如圖1所示。

圖1 3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)支鏈Fig.1 Sports Branch of 3?RSR Parallel Mechanism

由上支撐座、上支鏈、下支鏈、下支撐座組成，上支撐座與上支鏈、上支鏈與下支鏈、下支撐座與下支鏈均通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。各運(yùn)動(dòng)支鏈的上、下支撐座分別通過螺釘與動(dòng)、定平臺(tái)固連。同時(shí)，為降低天線座架的運(yùn)動(dòng)慣量，上、下支鏈的連桿采用碳纖維材料。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)是天線座架的執(zhí)行部件，天線固定于其上，動(dòng)平臺(tái)分別與三條運(yùn)動(dòng)支鏈通過螺釘相連，由三條支鏈將力/運(yùn)動(dòng)共同傳遞到動(dòng)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)天線的方位、俯仰、收藏運(yùn)動(dòng)。

考慮電機(jī)選型所需，分析并聯(lián)式天線樣機(jī)在工作過程中的受載情況，對天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩予以求解。針對不同的工況需求對天線樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，選取其中受力情況最惡劣的工況進(jìn)行分析，利用Adams軟件對天線樣機(jī)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到并聯(lián)式天線樣機(jī)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)式天線樣機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線Fig.2 Driving Torque Variation Curve of the Parallel Antenna Prototype

根據(jù)并聯(lián)式天線樣機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的分析結(jié)果對天線樣機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并聯(lián)式天線樣機(jī)下支撐座部位的傳動(dòng)方式，如圖3所示。選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)支鏈的下支鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)Adams仿真所得天線樣機(jī)下支鏈驅(qū)動(dòng)所需的最大驅(qū)動(dòng)力矩對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選型，步進(jìn)電機(jī)采用東方馬達(dá)電機(jī)，型號為PK543AW?H50S；驅(qū)動(dòng)器型號為PKD507?A；組合型號為CRK543APB?H50。

圖3 并聯(lián)式天線樣機(jī)下支撐座傳動(dòng)組成Fig.3 Transmission Composition of the Lower Support Seat of the Parallel Antenna Prototype

依照并聯(lián)式天線樣機(jī)三維模型，遵循工藝要求繪制工程圖紙，加工、組裝并進(jìn)行調(diào)試以確保樣機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)期各項(xiàng)性能指標(biāo)。所研制的并聯(lián)式天線樣機(jī)，如圖4所示。

圖4 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)Fig.4 3?RSR Parallel Antenna Prototype

3 3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 天線控制系統(tǒng)硬件搭建

3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)硬件由上位機(jī)、下位機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)等組成，如圖5所示。以上位機(jī)和下位機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對天線位姿和速度的準(zhǔn)確控制。以PC作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息輸入、計(jì)算處理、發(fā)送指令和狀態(tài)顯示等功能；以STM32控制器作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制量輸出、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能；上位機(jī)通過USB接口與下位機(jī)編程接口連接，形成系統(tǒng)通信的物理通道。

圖5 天線控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Structure of the Antenna Control System

在PC（上位機(jī)）中輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)（天線的方位角、俯仰角以及運(yùn)行時(shí)間），上位機(jī)讀取輸入的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求得電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；上位機(jī)將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)指令，并通過串口通信將其發(fā)送給下位機(jī)；下位機(jī)將運(yùn)動(dòng)指令處理后分別發(fā)送給三個(gè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制天線達(dá)到指定位姿。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí)，觸發(fā)限位開關(guān)，將信號反饋給下位機(jī)，下位機(jī)停止對相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號，此電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)三個(gè)電機(jī)都轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí)，下位機(jī)通過串口通信向上位機(jī)發(fā)送天線停止信息。

3.2 天線上位機(jī)控制軟件開發(fā)

3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)的人機(jī)交互主界面，如圖6所示。包括以下功能模塊：菜單欄、數(shù)據(jù)顯示模塊、參數(shù)輸入模塊、調(diào)試模塊、按鍵模塊以及通信標(biāo)志。其中，菜單欄模塊包括“文件”、“串口調(diào)試”“、幫助”等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件界面的基本操作、上下位機(jī)之間的通信及幫助文檔的查看；通訊標(biāo)志實(shí)時(shí)顯示通信狀態(tài)及串口號，通過調(diào)試模塊可對天線樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試，能夠獨(dú)立編寫指令發(fā)送到下位機(jī)，并顯示反饋信息。使用控制軟件時(shí)，可直接在參數(shù)輸入模塊輸入期望的方位角、俯仰角及運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)；在天線的運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)顯示模塊能夠顯示天線實(shí)時(shí)位姿、電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角、電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)角、電機(jī)實(shí)時(shí)速度；按鍵模塊提供常規(guī)操作使用的按鍵，包括“啟動(dòng)”、“停止”、“運(yùn)行”、“回零”、“收藏”、“演示”“、數(shù)據(jù)引導(dǎo)模式一”“、數(shù)據(jù)引導(dǎo)模式二”等按鍵，并針對不同功能的按鍵用顏色進(jìn)行區(qū)分。這一模塊能夠?qū)崿F(xiàn)天線樣機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停止、歸零、收藏、演示、數(shù)據(jù)引導(dǎo)等功能。

圖6 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)控制軟件Fig.6 Control Software for the 3?RSR Parallel Antenna Prototype

天線控制系統(tǒng)主程序流程，如圖7所示。天線控制系統(tǒng)初始化后，將上下位機(jī)通信，然后在控制界面內(nèi)輸入運(yùn)行的目標(biāo)位姿及運(yùn)動(dòng)時(shí)間。按下啟動(dòng)鍵，系統(tǒng)自動(dòng)讀取存儲(chǔ)的天線的當(dāng)前位姿，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求出電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)角；同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)讀取輸入的目標(biāo)位姿及運(yùn)動(dòng)時(shí)間，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解計(jì)算出電機(jī)的目標(biāo)位置，并顯示在主界面上。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間對目標(biāo)軌跡進(jìn)行分段，計(jì)算下一分段點(diǎn)的位姿，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求出電機(jī)對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，比較當(dāng)前轉(zhuǎn)角和下一分段點(diǎn)的轉(zhuǎn)角，計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并將其轉(zhuǎn)換為信號發(fā)送給下位機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到指令位置；然后，判斷電機(jī)是否達(dá)到目標(biāo)位置，若達(dá)到目標(biāo)位置，記錄天線的當(dāng)前位姿作為下一次運(yùn)行的初始位姿；若未達(dá)到目標(biāo)位置，繼續(xù)計(jì)算下一分段點(diǎn)的電機(jī)位置，直至其達(dá)到目標(biāo)位置為止。

圖7 天線控制系統(tǒng)主程序流程Fig.7 Main Program Flow of the Antenna Control System

天線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)引導(dǎo)程序流程，如圖8所示。使用數(shù)據(jù)引導(dǎo)功能時(shí)，首先讀取路徑的數(shù)據(jù)文件，依次讀取數(shù)據(jù)，并將其分別賦予方位角、俯仰角、運(yùn)行時(shí)間，并在界面中實(shí)時(shí)顯示。然后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用運(yùn)行函數(shù)，控制天線按照讀取的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖8 天線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)引導(dǎo)程序流程Fig.8 Data Guide Program Flow of the Antenna Control System

3.3 天線下位機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)

3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)控制系統(tǒng)以STM32控制器作為下位機(jī)，STM32控制器通過脈沖輸出、高低電平輸出對驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。

本系統(tǒng)采用的STM32控制器型號為F103ZET6，其額定電壓為直流5V，而驅(qū)動(dòng)器的額定電壓為交流110V，因此STM32使用USB 供電，而驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)采用變壓器供電。驅(qū)動(dòng)器和STM32單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，進(jìn)行脈沖傳輸。

天線控制系統(tǒng)下位機(jī)的主程序流程，如圖9所示。系統(tǒng)初始化完成后，下位機(jī)首先等待并接收上位機(jī)發(fā)送的信號；然后將其解碼轉(zhuǎn)化為電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行速度，通過計(jì)算再將其轉(zhuǎn)換成脈沖的發(fā)送頻率；最終，將脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行結(jié)束后，將結(jié)束信息反饋給上位機(jī)，繼續(xù)等待下一次信號的發(fā)送。

圖9 天線控制系統(tǒng)下位機(jī)主程序流程Fig.9 Main Program Flow of the Lower Computer in the Antenna Control System

4 3?RSR型并聯(lián)天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

4.1 天線功能實(shí)驗(yàn)

并聯(lián)式天線樣機(jī)裝配、調(diào)試完成后，對天線控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，以保證樣機(jī)和控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。首先接通樣機(jī)的電源，將數(shù)據(jù)線插在計(jì)算機(jī)的USB接口上，為控制系統(tǒng)供電；然后點(diǎn)擊控制程序的快捷方式打開控制界面；點(diǎn)擊控制界面菜單欄內(nèi)的“通信”?“connect”，進(jìn)入通信界面，進(jìn)行串口通信，保證數(shù)據(jù)傳輸。按下控制界面的“啟動(dòng)”按鍵，天線由收藏位姿上升至初始位姿，如圖10（a）所示。

在“輸入?yún)?shù)”一欄中輸入期望位姿以及運(yùn)行時(shí)間，點(diǎn)擊“運(yùn)行”鍵，控制天線運(yùn)行到期望位姿，如圖10（b）所示。在天線運(yùn)行過程中，控制界面實(shí)時(shí)顯現(xiàn)天線位姿和電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速；按下“回零”鍵，天線從當(dāng)前位姿直接返回回零位姿，如圖10（c）所示。最后，按下“收藏”鍵，天線返至收藏位姿，如圖10（d）所示。

圖10 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.10 Motion Experiment of the 3?RSR Parallel Antenna Prototype

輸入多組參數(shù)反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測試，此并聯(lián)式天線樣機(jī)在半球的工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無奇異位形，能夠?qū)崿F(xiàn)方位（0～360）°、俯仰（0～90）°運(yùn)動(dòng)及收藏功能。

4.2 天線指向?qū)嶒?yàn)

為驗(yàn)證并聯(lián)式天線樣機(jī)的指向性能，設(shè)計(jì)并聯(lián)式天線樣機(jī)的指向?qū)嶒?yàn)。首先，在畫板上給定目標(biāo)軌跡圖像，然后利用激光筆對圖像進(jìn)行標(biāo)校，確定畫板在天線定坐標(biāo)系中的位置；最后控制并聯(lián)式天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)，使安裝在并聯(lián)式天線動(dòng)平臺(tái)上的激光筆所發(fā)光束沿給定軌跡運(yùn)動(dòng)。指向?qū)嶒?yàn)具體步驟：

①給定目標(biāo)軌跡的圖像，如圖11所示。利用點(diǎn)集或參數(shù)方程表達(dá)軌跡中各點(diǎn)相對于畫板坐標(biāo)系的位置，目標(biāo)軌跡各點(diǎn)相對于畫板坐標(biāo)系的坐標(biāo)為A（0，0，123.6）、B（0，72.7，?100）、C（0，?117.5，38.2）、D（0，117.5，38.2）、E（0，?72.2，?100）；給定畫板坐標(biāo)系相對于3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)定坐標(biāo)系的位置。

圖11 目標(biāo)軌跡Fig.11 Target Tajectory

②依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中相關(guān)公式編寫計(jì)算程序，以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的并聯(lián)式天線位姿。

③將計(jì)算得到的天線位姿依次輸入到控制程序的數(shù)據(jù)引導(dǎo)文件中。

④待天線啟動(dòng)完成后，在控制界面中點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)引導(dǎo)一”鍵，天線首先由初始位姿俯仰運(yùn)動(dòng)到A位姿，即使激光點(diǎn)到達(dá)A點(diǎn)；然后，天線動(dòng)平臺(tái)上的激光點(diǎn)將沿著目標(biāo)軌跡依次按照A?B?C?D?E?A的順序運(yùn)動(dòng)；最后，天線自動(dòng)俯仰回到初始位姿，如圖12所示。

圖12 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機(jī)指向?qū)嶒?yàn)過程Fig.12 Process of Pointing Experiment for the 3?RSR Parallel Antenna Prototype

⑤沿軌跡完成運(yùn)動(dòng)后，按下“收藏”鍵，天線由初始位姿運(yùn)動(dòng)到收藏位姿。

通過3?RSR 型并聯(lián)式天線樣機(jī)運(yùn)動(dòng)性能和指向能力實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了先期理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性以及控制系統(tǒng)的有效性，為進(jìn)一步產(chǎn)品化實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

基于3?RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)研制出一種并聯(lián)式天線樣機(jī)，構(gòu)建其控制系統(tǒng)并開發(fā)控制軟件，開展運(yùn)動(dòng)與指向?qū)嶒?yàn)，結(jié)果表明3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于天線座架是可行的，天線樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)既定方位、俯仰運(yùn)動(dòng)及收藏功能，并滿足相應(yīng)指標(biāo)要求，對少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于天線領(lǐng)域具有理論指導(dǎo)意義，并為進(jìn)一步的并聯(lián)式天線產(chǎn)品化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。