基于激光跟蹤儀的大型天線面形測(cè)量的輔助系統(tǒng)

胡 靜，顧永剛，翟 超，李 甦

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027）

0 引言

大型射電望遠(yuǎn)鏡的天線多為拋物面形，天線反射面與理論拋物面形狀的偏差程度是影響拋物面天線效率的重要因素之一。一般要求表面精度是天線工作波長(zhǎng)的1／16～1／32，而測(cè)量精度要求達(dá)到表面精度的1／3～1／5，工作波長(zhǎng)越短，對(duì)測(cè)量提出的要求就越苛刻[1]。對(duì)于長(zhǎng)達(dá)幾十米的天線拋物面的測(cè)量主要有攝影測(cè)量和激光跟蹤測(cè)量2種方法。攝影測(cè)量方法能進(jìn)行快速測(cè)量，但測(cè)量精度不高。目前，用于大尺寸幾何量測(cè)量的儀器中，激光跟蹤儀具有測(cè)量范圍大、精度高和良好的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性等特點(diǎn)[2]。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，就要采用激光跟蹤儀對(duì)天線面形進(jìn)行測(cè)量。

激光跟蹤儀是一種高精度、便攜式三維測(cè)量設(shè)備。跟蹤儀的工作原理為：在目標(biāo)點(diǎn)上安置一個(gè)測(cè)量標(biāo)靶即靶鏡，從跟蹤頭發(fā)出的激光束射到靶鏡上，靶鏡將激光束反射回跟蹤頭，返回光束被檢測(cè)系統(tǒng)接收，然后通過儀器的雙軸測(cè)角系統(tǒng)及激光測(cè)距系統(tǒng)，在球空間坐標(biāo)系中確定目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

目前的激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量方法主要有絕對(duì)距離測(cè)量和干涉距離測(cè)量2種方式。絕對(duì)測(cè)量是根據(jù)斐索原理通過測(cè)量反射光的光強(qiáng)最小來計(jì)算所經(jīng)過的路徑時(shí)間，從而計(jì)算出絕對(duì)距離[3]，光束在阻斷后只要重新找到靶鏡，就可繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量效率高，但是測(cè)量精度不高。激光干涉距離測(cè)量是利用相位法測(cè)量距離，它的精度高，但是激光束路徑被打斷后，必須對(duì)干涉計(jì)重置初始距離，即靶鏡回初始位置重新進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的效率低。為了得到高的測(cè)量精度，故采用的是干涉測(cè)距法，測(cè)量過程中，當(dāng)靶鏡移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭可以自動(dòng)調(diào)整光束的方向來對(duì)準(zhǔn)靶鏡，但同時(shí)要求激光束與靶鏡入射面的夾角不能超過一定的角度，若超出了這個(gè)角度，靶鏡無法將激光束返回，即出現(xiàn)斷光的現(xiàn)象。

為了克服激光跟蹤儀干涉法測(cè)量在大型天線面形測(cè)量的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助系統(tǒng)帶動(dòng)靶球運(yùn)動(dòng)，在測(cè)量過程中，通過2個(gè)高精度的三維電子羅盤實(shí)時(shí)測(cè)量跟蹤頭與靶鏡之間的相對(duì)角度變化，根據(jù)測(cè)量得到的角度差實(shí)時(shí)調(diào)整靶鏡的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)靶鏡與跟蹤頭的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，有效地防止斷光現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了激光跟蹤儀在天線面形的快速、高精度的測(cè)量。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

為了達(dá)到輔助測(cè)量目的，將整個(gè)系統(tǒng)分解為主控模塊、智能小車模塊和跟蹤頭測(cè)量模塊3個(gè)部分。整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信如圖1所示。

圖1 智能小車輔助系統(tǒng)整體模塊

各模塊可相對(duì)獨(dú)立工作，為了方便大面形的測(cè)量，各模塊之間的通信采用了ZigBee無線技術(shù)。ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是一種使用2.4GHz波段的短距離低功耗無線通信技術(shù)，利用ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)可以方便組成多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間可靠高效的通信[4]。

3個(gè)模塊均使用Freescale公司的控制芯片進(jìn)行控制，智能小車與跟蹤頭的空間姿態(tài)可以通過安裝于其上的三維電子羅盤獲取，三維電子羅盤可以得到高精度的絕對(duì)角度信息。

主控模塊通過RS232串行接口與PC通信，通過上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)的運(yùn)行，PC還可連接無線手柄用于對(duì)智能小車的遙控。

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是智能小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括以下部分：四驅(qū)小車、轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)。

四驅(qū)小車是系統(tǒng)的承載平臺(tái)，攜帶靶球在天線面上運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)安裝在小車上部平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)±90°轉(zhuǎn)動(dòng)；升降機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)平臺(tái)上并置于小車前端，升降機(jī)構(gòu)可夾持靶球上下移動(dòng)，保證測(cè)量時(shí)靶球與天線面充分接觸，移動(dòng)時(shí)避免與天線面摩擦，通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以達(dá)到調(diào)整靶球方向的目的。轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)通過一個(gè)固定在小車平臺(tái)上的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。升降機(jī)構(gòu)采用平行四邊形結(jié)構(gòu)并安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上，升降機(jī)構(gòu)也通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，其底部為靶球夾持裝置，通過其頂端的磁鐵將靶球吸附在升降平臺(tái)上。

整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)均采用鋁合金制作而成，既達(dá)到了強(qiáng)度和耐用要求，又將整體重量控制在天線測(cè)量允許的范圍內(nèi)。

3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制電路分為跟PC相連的主控端、置于智能小車上的小車控制端、與跟蹤頭相連的跟蹤頭控制端3個(gè)模塊。

3個(gè)控制端相對(duì)獨(dú)立工作。主控端協(xié)調(diào)3個(gè)模塊及PC的通信、生成控制命令并發(fā)送到對(duì)應(yīng)模塊；小車控制端主要負(fù)責(zé)控制小車的運(yùn)動(dòng)、靶球的升降及空間姿態(tài)信息；跟蹤頭控制端獲取其空間姿態(tài)并反饋到主控制端。系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3模塊之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主控端通過RS232串行口接收PC的指令，根據(jù)指令打包對(duì)應(yīng)的無線數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到小車控制端與跟蹤頭控制端。小車控制端收到數(shù)據(jù)包后控制小車的前后左右運(yùn)動(dòng)、升降機(jī)構(gòu)的上升和下降、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)，并將小車電子羅盤角度信息回復(fù)給主控端；跟蹤頭控制端收到數(shù)據(jù)包后，立即將跟蹤頭電子羅盤角度信息回復(fù)給主控端。主控端根據(jù)另外2個(gè)控制端返回的角度信息判斷是否需要調(diào)整靶球方向，并將相應(yīng)的指令打包到下一個(gè)指令中發(fā)送到小車端。

3個(gè)控制端均采用Freescale公司的MC13213芯片作為控制芯片，MC13213集成了HCS08GB60單片機(jī)與MC13192ZigBee無線通信芯片，可以方便地實(shí)現(xiàn)控制和通信任務(wù)[5]。智能小車電機(jī)采用L298控制芯片進(jìn)行控制，通過PWM波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)模塊的劃分，系統(tǒng)的軟件也對(duì)應(yīng)分為4個(gè)部分，分別是上位機(jī)軟件和3個(gè)控制端的控制軟件。

上位機(jī)軟件主要是處理通過RS232串行口與下位機(jī)（即主控模塊）之間的交互與控制，其中大部分控制命令也可由連接于PC的手柄實(shí)現(xiàn)。

3個(gè)控制端的程序均通過Freescale公司提供的CodeWarrior IDE進(jìn)行編寫[6]。主控制端充當(dāng)系統(tǒng)通信的中樞，其軟件流程如圖3所示。負(fù)責(zé)接收PC機(jī)指令并與其余2個(gè)模塊進(jìn)行交互。主控端接收PC的指令，發(fā)送命令給小車控制端和跟蹤頭控制端；且接收來自跟蹤頭和智能小車的跟蹤頭角度信息的返回，根據(jù)返回的角度信息發(fā)送命令給智能小車控制端控制轉(zhuǎn)臺(tái)的相應(yīng)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)靶鏡與跟蹤頭的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。

圖3 主控制端控制流程

小車控制端接收來自主控制端的命令，通過SCI接口獲取電子羅盤角度信息，驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車前后左右運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和升降平臺(tái)的升降，并將角度信息反饋給主控節(jié)點(diǎn)。跟蹤頭控制端接收來自主控制端的命令，獲取電子羅盤角度然后將其反饋到主控制端。小車控制端與跟蹤頭控制端的工作流程如圖4所示。

圖4 智能小車與跟蹤頭控制流程

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述討論搭建了基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，作了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本可滿足高精度測(cè)量要求。主控端跟PC相連，負(fù)責(zé)接收PC端的命令，跟蹤頭端粘貼在跟蹤頭上實(shí)時(shí)測(cè)量其角度變化，實(shí)驗(yàn)小車放在地面上，通過實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)基本符合要求。

6 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)際的工程需求，結(jié)合激光干涉跟蹤儀的特點(diǎn)，提出一種可以使跟蹤頭與靶鏡自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的方法，此方法利用三維角度傳感器（所使用的是高精度的三維電子羅盤模塊）實(shí)時(shí)測(cè)量跟蹤頭與靶鏡各自的角度，根據(jù)角度差及時(shí)調(diào)整靶鏡的方向，從而實(shí)現(xiàn)靶鏡和跟蹤頭的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，有效地防止了斷光現(xiàn)象。通過智能小車帶動(dòng)靶球運(yùn)動(dòng)，極大地提高了測(cè)量的效率，從而可以使用激光跟蹤儀快速、有效地測(cè)量大型天線的面形。

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