基于ADAMS和Matlab的一對多激光跟蹤天線聯(lián)合仿真

馬國棟，張立中，2，張雪瑤

（1.長春理工大學(xué)　機電工程學(xué)院，長春　130022；2.長春理工大學(xué)　空地激光通信國防重點學(xué)科實驗室，長春　130022）

基于ADAMS和Matlab的一對多激光跟蹤天線聯(lián)合仿真

馬國棟1，張立中1，2，張雪瑤1

（1.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，長春130022；2.長春理工大學(xué)空地激光通信國防重點學(xué)科實驗室，長春130022）

為了研究激光通信跟蹤天線的跟蹤性能、減小伺服傳動誤差、提高設(shè)計效率，采用ADAMS和Matlab對一對多激光通信跟蹤天線的性能進行機-電聯(lián)合仿真。利用ADAMS搭建動力學(xué)模型，Matlab搭建控制系統(tǒng)模型，然后利用控制系統(tǒng)模型和動力學(xué)模型組成聯(lián)合仿真模型，對一對多激光通信跟蹤天線進行聯(lián)合仿真。由一對多激光通信跟蹤天線的聯(lián)合仿真結(jié)果可以得出：一對多激光通信跟蹤天線具有良好的跟蹤性能，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下，跟蹤誤差小于目標值的0.4%以下。結(jié)果表明：建立的聯(lián)合仿真模型能夠精確地反應(yīng)跟蹤天線的跟蹤性能，極大地提高了設(shè)計效率，減小了伺服傳動誤差，為原理樣機的研制提供了理論依據(jù)。

激光通信；ADAMS；Matlab；機-電聯(lián)合仿真

激光通信具有通信速率高、通信容量大，抗干擾能力好、抗截獲能力強、安全保密，體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，是未來高速率、寬帶信息傳輸?shù)闹匾Ｊ剑亲罹哂袧摿Φ耐ㄐ拍Ｊ街唬?］。

隨著激光通信的不斷發(fā)展，各國對激光通信技術(shù)也越來越重視，對激光通信系統(tǒng)所涉及的各項關(guān)鍵技術(shù)展開了全面深入的研究［2］，激光通信跟蹤天線也已成為通信系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。跟蹤機構(gòu)是保證目標間對準、接收的重要單元。目前，國內(nèi)外的激光通信研究基本還處在點對點階段。為了建立激光通訊鏈路，傳輸網(wǎng)絡(luò)信息，需要搭建一點對多點的激光通訊系統(tǒng)，一對多激光通信跟蹤天線的建立具有非常好的實用價值。

一對多激光通信跟蹤天線由6個相互獨立的十字跟蹤架機構(gòu)組成，能夠完成對多個目標的跟蹤與探測。由于跟蹤天線結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，需要對其進行動力學(xué)仿真分析和運動學(xué)仿真分析。但單一的仿真分析又不能直觀的反應(yīng)機構(gòu)的性能，搭建聯(lián)合仿真平臺，有效的解決了這一問題［3］。

本文利用ADAMS和Matlab對十字跟蹤架機構(gòu)進行了機-電聯(lián)合仿真，通過虛擬仿真，得出了十字跟蹤架的跟蹤精度，為跟蹤天線的設(shè)計和優(yōu)化提供參考建議［4］。

1　一對多激光通信跟蹤天線

1.1跟蹤天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)多個目標的探測與跟蹤，采用N個（本方案設(shè)定為六個）相互獨立的十字跟蹤架，以60°均布的形式進行組合，其中每個十字跟蹤架可實現(xiàn)方位±32°，俯仰±10°轉(zhuǎn)動，從而形成一定口徑的反射鏡錐面，每個反射鏡可將其法線附近一定范圍內(nèi)的光發(fā)射到光學(xué)口徑內(nèi)，通過后面的通光光路，實現(xiàn)對不同目標的通信。一對多激光通信跟蹤天線三維模型圖如圖1所示。

圖1　一對多激光通信跟蹤天線三維模型

一對多激光通信系統(tǒng)的技術(shù)指標如下所示：

（1）跟蹤精度：250μrad；

（2）保精度最大角速度：10mrad/s；

（3）單個反射鏡方位回轉(zhuǎn)范圍：±32°；俯仰回轉(zhuǎn)范圍：±10°；

（4）多點通信終端個數(shù)：6個；

（5）卡式系統(tǒng)口徑：320mm。

1.2十字跟蹤架機構(gòu)設(shè)計

十字跟蹤架機構(gòu)由方位運動和俯仰運動兩部分組成。方位軸系主要元器件有方位軸、角接觸球軸承、分裝式直流力矩電機、光柵安裝錐板、Renishaw圓光柵、方位軸系外殼等。俯仰軸系主要元器件有U型架、角接觸球軸承、反射鏡、光柵和音圈電機等。方位軸調(diào)整十字跟蹤架機構(gòu)的方位角度調(diào)整，俯仰軸調(diào)整十字跟蹤架機構(gòu)的俯仰角度調(diào)整。通過對方位和俯仰角度的調(diào)整來完成對目標的探測、捕獲和跟蹤。十字跟蹤架機構(gòu)如圖2所示。

圖2　十字跟蹤架機構(gòu)示意圖

2　控制仿真模型的建立

2.1模型簡化

由于利用ADAMS進行運動學(xué)、動力學(xué)仿真分析計算時，只需要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量和質(zhì)心位置，各個構(gòu)件的外部形狀不予考慮［3］，因此把三維模型整體導(dǎo)入不僅無實在意義，而且會導(dǎo)致多出許多不必要的約束關(guān)系。所以在導(dǎo)入模型之前需對模型進行簡化，去除多余的約束關(guān)系，導(dǎo)入ADAMS中的簡易模型應(yīng)遵循以下要求［5］：

（1）導(dǎo)入的模型應(yīng)該能夠清晰的表達各個構(gòu)件之間的連接關(guān)系。

（2）多個構(gòu)件固連在一起時，在不改變質(zhì)量和質(zhì)心位置的情況下，將多個構(gòu)件看做一個整體。

（3）簡化的模型在外觀上應(yīng)與三維模型大致相近，減少在外觀上的差異。

簡化后的模型大致分為四個部分：方位軸系、俯仰軸系、光柵和反射鏡。簡化后的模型如圖3所示。

圖3　簡化模型

2.2設(shè)定仿真參數(shù)

（1）通過對簡化模型每一個部件材料屬性的定義，能夠得出十字跟蹤架機構(gòu)的整體質(zhì)量為3.538kg。

（2）十字跟蹤架機構(gòu)的阻尼主要來源于軸承內(nèi)部的摩擦，軸承內(nèi)部的摩擦屬于潤滑鋼和潤滑鋼之間的摩擦，根據(jù)表1可以得出十字跟蹤架的阻尼系數(shù)為0.16。

表1　常用材料之間的摩擦系數(shù)表

（3）其他設(shè)置均采用ADAMS的默認設(shè)置。

2.3約束關(guān)系定義

所有零件均定義為剛性，并定義每個構(gòu)件的材料、轉(zhuǎn)動慣量和密度等屬性。確定各部件間的約束關(guān)系，主要零部件間的約束關(guān)系如表1所示。

表2　模型約束關(guān)系

2.4輸入輸出變量

設(shè)定輸入變量為力矩，輸出變量為速度，以此來驗證所選用電機力矩輸出是否滿足要求。輸入狀態(tài)變量包括方位軸力矩，俯仰軸力矩，輸出狀態(tài)變量包括俯仰軸轉(zhuǎn)動速度、方位軸轉(zhuǎn)動速度、方位軸轉(zhuǎn)動角度、俯仰軸轉(zhuǎn)動角度［6］。

利用ADAMS中的control模塊設(shè)置輸入、輸出對象，選擇Matlab為目標文件，點擊確定生成ADAMS和Matlab的接口文件［6］。在ADAMS的工作目錄下將出現(xiàn)3個接口文件。

3　ADAMS和Matlab聯(lián)合仿真

3.1將接口文件導(dǎo)入Matlab

啟動Matlab，將MMatlab的工作路徑指向ADAMS的工作路徑，在工作路徑下找到Matlab所需的后綴為.m的配置文件。打開后運行此文件，在Matlab的命令窗口下輸入adams_sys，將彈出一個命令窗口，其中的S-Function方框表示ADAMS模型的非線性模型，也就是進行動力學(xué)計算的模型，State-Space表示ADAMS模型的線性化模型，在adams_sub包含有非線性方程，也包含許多有用的變量［7］。

3.2搭建控制系統(tǒng)模型

利用Matlab/Simlink模塊搭建控制系統(tǒng)模型，將接口模塊和控制系統(tǒng)模型連接在一起。搭建聯(lián)合仿真模型，聯(lián)合仿真模型由方位驅(qū)動單元、俯仰驅(qū)動單元和接口模塊組成?？刂葡到y(tǒng)模型如圖4、5所示。由控制系統(tǒng)模型可知，方位軸與俯仰軸具有相同的控制結(jié)構(gòu)，以方位軸為例分析控制系統(tǒng)的基本特性，表3為方位軸控制系統(tǒng)參數(shù)。通過改變控制系統(tǒng)模型中的比例、積分環(huán)節(jié)進而確定十字跟蹤架機構(gòu)的響應(yīng)速度和粗跟蹤性能。

圖4　階躍響應(yīng)聯(lián)合仿真控制模型

圖5　正弦響應(yīng)聯(lián)合仿真控制模型

表3　方位軸控制系統(tǒng)參數(shù)

雙擊控制系統(tǒng)中adams_sub模塊，進入?yún)?shù)設(shè)置對話框，將Animation mode設(shè)置成interactive，這樣就可以在ADAMS和Matlab進行數(shù)據(jù)交換時觀察仿真動畫。通訊時間設(shè)置為0.05s，即每0.05s進行一次數(shù)據(jù)交換。其他設(shè)置使用默認設(shè)置。

3.3仿真

3.3.1測試十字跟蹤架機構(gòu)的速度環(huán)跟蹤精度

（1）階躍響應(yīng)

對仿真模型輸入階躍信號，得到方位軸系的響應(yīng)速度曲線及誤差曲線如圖6、7所示。

圖6　方位軸系step響應(yīng)曲線

圖7　俯仰軸系的step響應(yīng)誤差曲線

對仿真模型輸入階躍響應(yīng)，得到俯仰軸系的響應(yīng)速度曲線和誤差曲線如圖8、9所示。

圖8　俯仰軸系step響應(yīng)曲線

圖9　俯仰軸系的step響應(yīng)誤差曲線

從圖6、7、8、9中可以得出，在跟蹤的開始階段，由于系統(tǒng)在跟蹤時需要調(diào)整時間，導(dǎo)致系統(tǒng)的跟蹤誤差較大，出現(xiàn)較大的超調(diào)量，隨后跟蹤誤差逐漸降低。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，跟蹤誤差曲線近似為一條直線，跟蹤誤差趨近于0，從跟蹤曲線可得系統(tǒng)具有良好的指向精度。

（2）正弦響應(yīng)

對仿真模型輸入正弦曲線，得到方位軸系的響應(yīng)速度曲線和誤差曲線如圖10、11所示。

圖10　方位軸系正弦跟蹤曲線

圖11　方位軸系的正弦跟蹤誤差曲線

從圖10和圖11中可以得出，當(dāng)給定角頻率為0.02mrd/s，系統(tǒng)的跟蹤誤差穩(wěn)定在目標值的0.335%左右，具有良好的跟蹤精度。

對仿真模型輸入正弦曲線，得到方位軸系的響應(yīng)速度曲線和誤差曲線如圖12、13所示。

圖12　俯仰軸系正弦跟蹤曲線

圖13　俯仰軸系的正弦跟蹤誤差曲線

從圖12和圖13中可以得出，當(dāng)給定角頻率為0.02mrd/s，系統(tǒng)的跟蹤誤差穩(wěn)定在目標值的0.2%左右，具有良好的跟蹤精度。

3.3.2測試十字跟蹤架機構(gòu)的位置環(huán)跟蹤精度

根據(jù)圖14和圖15可以得出十字跟蹤架機構(gòu)的位置環(huán)跟蹤誤差。當(dāng)給定方位轉(zhuǎn)動角度為30°，俯仰轉(zhuǎn)動角度為10°時，方位軸的誤差值為150μrad，俯仰的誤差值為180μrad，則可計算出十字跟蹤架的誤差為234μrad，滿足技術(shù)指標中所提要求。

圖14　方位軸位置環(huán)誤差曲線

圖15　俯仰軸位置環(huán)誤差曲線

4　結(jié)論

通過對十字跟蹤架機構(gòu)的指向精度和跟蹤精度的仿真數(shù)據(jù)得出，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下，系統(tǒng)的跟蹤精度非常好，跟蹤誤差小于目標值的0.4%以下，能夠滿足技術(shù)指標所提的要求。說明建立的聯(lián)合仿真模型的合理性和正確性。通過機-電聯(lián)合仿真減小了伺服傳動誤差，提高了設(shè)計效率，模擬出了激光通信跟蹤天線的跟蹤性能。為原理樣機的研制提供了寶貴的理論依據(jù)。

［1］孟立新.機載激光通信屮捕獲與跟蹤技術(shù)研究［J］.長春：吉林大學(xué)，2014.

［2］張靚，郭麗紅，劉向南，等.空間激光通信技術(shù)最新進展與趨勢［J］.飛行器測控學(xué)報，2013，32（4）：286-293.

［3］王曉東，畢開波，周須峰.基于ADAMS與Simulink的協(xié)同仿真技術(shù)及應(yīng)用［J］.計算機仿真，2007，24（4）：271-274.

［4］馬冉冉，王彤宇.基于ADAMS的二維跟蹤轉(zhuǎn)臺動力學(xué)耦合分析［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，38 （1）：79-84.

［5］王會彬，趙海娜，鄭華山.基于MATLAB和ADAMS的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)聯(lián)合仿真［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015，56 （3）：56-58.

［6］鄭黎明，黃劍波.基于ADAMS和Simulink的太陽跟蹤器聯(lián)合仿真［J］.光學(xué)精密工程，2014，22（5）：1212-1219.

［7］鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

One-to-multiple Laser Communication Tracking Antenna Co-simulation Based on ADAMS and Matlab

MA Guodong1，ZHANG Lizhong1，2，ZHANG Xueyao1

（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

To study the tracking performance of laser communication optical antenna，decrease the servodrive error，and enhance design efficiency，the paper performs the joint simulation of ADAMS and MATLAB for one-to-multiple laser communication system.In the joint simulation，soft ADAMS builds the dynamics model and soft MATLAB builds the system model.From the simulation results，we can see that the one-to-multiple laser communication optical antenna owns the nice tracking performance and in steady state of system，tracking errors are less than 0.4%of target value. The results also show that the joint simulation model is able to express tracking performance of optical antenna，increase the design efficiency sharply and minish servodrive errors，which provides theoretical foundation for studying the rationality of principled sample machine.

laser communication；ADAMS；Matlab；machine-electric co-simulation

TN929 1

A

1672-9870（2016）03-0078-05

2015-12-10

馬國棟（1990-），男，碩士研究生，E-mail：718640440@qq.com

張立中（1968-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zlzcust@126.com