機(jī)場激光驅(qū)鳥器掃描系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

安慧珍

（國營大眾機(jī)械廠第一研究所，山西太原 030024）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境的改善和人民保護(hù)鳥類的意識的提高，鳥類越來越多。這給世界和中國軍民用航空業(yè)卻帶來了災(zāi)難。機(jī)場采取了各種各樣的驅(qū)鳥措施，并且起到了一定的效果。但現(xiàn)在世界范圍內(nèi)還沒有一種能解決全空域、全時間段的全能手段來驅(qū)鳥。驅(qū)鳥是一個世界性難題，是一個目前亟待解決的難題。

機(jī)場激光驅(qū)鳥器掃描系統(tǒng)主要用以控制光線在機(jī)場允許范圍內(nèi)均勻掃描，刺激恐嚇鳥類，使其不敢在機(jī)場降落、盤旋、停留，達(dá)到保護(hù)航空安全，維護(hù)乘客的財產(chǎn)和生命安全的目的。

1 技術(shù)指標(biāo)

掃描半徑:1500m（平直跑道）;

方位掃描范圍:-120°～ +120°;

俯仰掃描范圍:-4°～+2°;

方位在-120°～+120°范圍內(nèi)做勻速（1°/s）重復(fù)掃描;

俯仰在-4°～+2°范圍內(nèi)做勻速（1°/s）重復(fù)掃描。

2 系統(tǒng)原理、功能、特點及組成

2.1 工作原理

系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定及指令，能夠自動控制轉(zhuǎn)臺進(jìn)行方位、高低轉(zhuǎn)動，能夠自動控制光線掃描范圍、光斑停留位置和停留時間，原理框圖見圖1。

圖1 原理框圖

2.2 系統(tǒng)功能

控制機(jī)柜內(nèi)部的激光器發(fā)射出激光，經(jīng)擴(kuò)束管擴(kuò)束后向上射入反射鏡，反射鏡由轉(zhuǎn)臺帶動進(jìn)行高低方位運動，反射出的激光在機(jī)場允許范圍內(nèi)均勻掃描，刺激、恐嚇鳥類，使其不敢在機(jī)場停留，保護(hù)航空安全，維護(hù)乘客的財產(chǎn)和生命。

2.3 系統(tǒng)特點

（1）連續(xù)工作時間長，可靠性要求高;

（2）系統(tǒng)轉(zhuǎn)速低，要求低速平穩(wěn)性好，回轉(zhuǎn)運動精度高;（3）由于采用激光系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)安全可靠性高。

2.4 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由以下幾個分組成:方位伺服系統(tǒng)、高低伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反射鏡系統(tǒng)、防護(hù)罩、回轉(zhuǎn)支撐等。系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 系統(tǒng)組成圖

方位伺服系統(tǒng)包括方位電機(jī)、方位驅(qū)動器、方位減速器、方位傳感器、回轉(zhuǎn)主軸。

高低伺服系統(tǒng)包括高低電機(jī)、高低驅(qū)動器、高低減速器、高低傳感器、高低軸系。

控制系統(tǒng)由控制器、數(shù)據(jù)運算單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)通訊單元、接口單元、AD/DA轉(zhuǎn)換單元、DA轉(zhuǎn)換單元、脈沖發(fā)生單元等組成。

反射鏡系統(tǒng)包括反射鏡和支撐。防護(hù)罩包括上罩體和下罩體。

2.5 使用條件

工作環(huán)境:室外;

工作溫度:-10℃ ～+40℃;

儲存溫度:-20℃ ～+50℃。

3 各分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 方位伺服系統(tǒng)、高低伺服系統(tǒng)設(shè)計

（1）方位掃描范圍:-120°～+120°，所以無需采用回流環(huán)，可以節(jié)約生產(chǎn)成本。

（2）因激光經(jīng)位于轉(zhuǎn)臺正下方的機(jī)柜內(nèi)擴(kuò)束器，射入反射鏡內(nèi)，所以為使光束不受線纜的影響，采用雙層壁的設(shè)計方法。

（3）軸承的選取:根據(jù)總體要求，主軸中心既要通過80～100mm光束，又要通過電纜，且電纜不允許干擾光束，同時需要承受軸向力和徑向力，選取向心推力球軸承。

（4）傳動方式:齒輪傳動。

齒輪傳動具有以下特點:

①效率高，在常用的機(jī)械傳動中，以齒輪傳動效率為最高，這對大功率傳動有很大的經(jīng)濟(jì)意義;

②結(jié)構(gòu)緊湊，比帶、鏈傳動所需的空間尺寸小;

③傳動比穩(wěn)定，傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求;

④工作可靠、壽命長。

根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸要求，擬定Z1=17，Z2=403，減速比i為 23.7。

（5）電機(jī)選取:驅(qū)動部分是利用電機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，通過機(jī)械傳動裝置來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。直流電機(jī)控制性能優(yōu)越，慣性小，啟動力矩高，因此這類系統(tǒng)的動作靈敏，快速響應(yīng)特性好，能迅速跟上控制信號的變化。

選取電機(jī)時，初步估計各運動構(gòu)件相應(yīng)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，并把所有參與運動構(gòu)件質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量都等效到電機(jī)主軸上。并把各構(gòu)件所受的外力也同樣等效到電機(jī)主軸上進(jìn)行計算，動力學(xué)方程為［1］:

式中:T——折算到電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩;

JM——電機(jī)主軸及同步運動件轉(zhuǎn)動慣量;J1——負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量;

j1——從電機(jī)主軸到負(fù)載的速比;Tf1——摩擦轉(zhuǎn)矩;

ω——電機(jī)角速度;

t——時間。

負(fù)載功率P的計算公式為:

式中:T1——負(fù)載的轉(zhuǎn)矩;

ω1——負(fù)載角速度;

估算出負(fù)載功率P。

以方位伺服系統(tǒng)為例計算，擬選方位電機(jī)BLM57050，具體參數(shù)見表1，電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM=0.011 9 Nm。

方位角加速度為57.3°/s2（1 rad//s2），摩擦力矩Tf1要求做到0.12Nm。

經(jīng)計算J1=108.5g·m2，代入公式（1）中，

n電機(jī)=ω1·60/360=0.4 rpm.

根據(jù)估算結(jié)果，進(jìn)行校核:

①負(fù)載力矩T=0.32 Nm小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩0.29 Nm;

②電機(jī)功率大于估算功率P=1.8 W;

③電機(jī)轉(zhuǎn)速0.4 rpm小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nn;

④負(fù)載等效慣量限制在2.5倍的電機(jī)慣量之內(nèi)。

經(jīng)過校驗，選定方位電機(jī)為BLM57050電動機(jī)，符合要求。同時，高低電機(jī)選為BLM57025。

根據(jù)實際要求，距離為1500m時光斑的步長為200mm。

伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。該電機(jī)帶有標(biāo)準(zhǔn)1000線編碼器，細(xì)分后達(dá)4000線，配以23.7倍減速器，其脈沖當(dāng)量為（2π×1500/360）×（360/4000/23.7）=120mm＜200mm，精度足夠高，完全符合技術(shù)要求。

估算出折算到電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩T為0.32 Nm。

表1 直流電機(jī)參數(shù)

（6）傳感器的選擇與設(shè)計

傳感器是實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié)，是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。如果沒有傳感器對原始信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠地采樣和轉(zhuǎn)換，那么一切的測量和控制都將是不可靠的。因此要求所選傳感器有高準(zhǔn)確度和靈敏度，以保證儀表的測量和控制的可信度。

行程開關(guān)采用霍爾傳感器，屬非接觸式傳感器，穩(wěn)定性好，工作安全、可靠。

安全開關(guān)采用機(jī)械行程開關(guān)，結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，易于維修和校準(zhǔn)，使用方便，工作安全、可靠。

3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

運動控制是一門有關(guān)如何對物體位置和速度進(jìn)行精密控制的技術(shù)。典型的運動控制系統(tǒng)由三部份構(gòu)成:控制部分;驅(qū)動部分;執(zhí)行部分［2］。如圖3所示。

圖3 運動控制系

其中運動執(zhí)行部件通常為步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。當(dāng)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，加以放大，驅(qū)動電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動角度。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

控制器具備以下功能:

（1）控制脈沖個數(shù)來控制角位移量;

（2）控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度;（3）具有A/D轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)行溫度檢測、電壓檢測、風(fēng)力檢測、雨量檢測;

（4）具有檢測限位功能，通過I/O口檢測高低、方位安全開關(guān)的狀態(tài);

（5）具有零點校正功能，通過I/O口對霍爾傳感器進(jìn)行零點校正;

（6）具有檢測驅(qū)動器錯誤功能;（7）通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。3.2.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路為控制器的核心部分，通過單片機(jī)和外圍芯片電路實現(xiàn)控制功能。單片機(jī)控制電路承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸任務(wù)，同時負(fù)責(zé)接收上位機(jī)下達(dá)的命令，以及系統(tǒng)的自檢等命令，以使系統(tǒng)可靠、有序地工作。

3.2.2 電源部分設(shè)計

該系統(tǒng)中單片機(jī)、傳感器需要5V直流電壓。市場上電源的技術(shù)比較成熟，能滿足本系統(tǒng)的要求，采用24V直流穩(wěn)壓電源一臺，通過7805、7812得到我們需要的電壓。

3.2.3 硬件的抗干擾設(shè)計

控制器中最容易受干擾的部位是電源、接地系統(tǒng)、輸入和輸出。在設(shè)計中采取了相應(yīng)的抗干擾措施。

（1）采用光電隔離

通常在數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中，發(fā)送和接收之間存在明顯的接地電位差。這種電位差隨發(fā)送與接收的距離變化而變化，一般情況下距離越遠(yuǎn)，電位差越大。在本設(shè)計中，由于驅(qū)動器的輸入電壓為24V，屬于高壓，容易產(chǎn)生串?dāng)_信號，同時考慮到高低電壓安全隔離，所以采用光電隔離。

（2）采用抗干擾穩(wěn)壓電源

采用抗干擾能力很強(qiáng)的三端穩(wěn)壓器件7805、7812等，克服絕大部分干擾。

3.3 總體的造型設(shè)計

造型設(shè)計也是總體設(shè)計中一個重要的問題。造型設(shè)計是與設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視覺感覺與市場關(guān)系緊密相關(guān)的重要設(shè)計工作。造型設(shè)計所采用結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟(jì)原則;還要使產(chǎn)品的外形、色彩和表面特征符合美學(xué)原則，以適應(yīng)人們的時尚要求，并從式樣、形態(tài)、風(fēng)格、氣氛上體現(xiàn)時代的特點［3］。

圖4 外部造型圖

本次設(shè)計中采用球體造型，該系統(tǒng)的整體各部分輕重對稱，相對和諧，減小風(fēng)阻;同時，采用止口設(shè)計，可防風(fēng)防雨;光線用反射鏡傳輸，有效減輕回轉(zhuǎn)體的重量;采用對稱設(shè)計法，使系統(tǒng)均衡穩(wěn)定。

4 保證該系統(tǒng)精度的措施

（1）選用D級回轉(zhuǎn)軸承，游隙小，回轉(zhuǎn)精度高，摩擦力矩小，低速平穩(wěn)性好;

（2）為了減小摩擦扭矩，要求回轉(zhuǎn)主軸尺寸公差等級為IT6級，形位公差（同軸度、圓柱度、垂直度）等級達(dá)到IT4級;

（3）齒輪加工精度等級為IT5級，研磨后精度等級為IT3級;

（4）防護(hù)罩采用球體造型，減小風(fēng)阻。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)已交付使用，從現(xiàn)場使用情況來看，運行精度高，低速平穩(wěn)性好，安全可靠，滿足技術(shù)要求。該設(shè)計是合理的、有效的。

［1］郭慶鼎，孫宜標(biāo)，王麗梅.現(xiàn)代永磁電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］浦昭邦，王寶光.測控儀器設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］王健石.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.