一種用于艦載無人機通信的天線伺服系統(tǒng)設計

孫雪云，李兵強，劉冬利，李 玄，唐 坤

(西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710129)

一種用于艦載無人機通信的天線伺服系統(tǒng)設計

孫雪云，李兵強，劉冬利，李 玄，唐 坤

(西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710129)

為克服艦載設備使用穩(wěn)定平臺的可靠性問題，提出并設計了一種脫離穩(wěn)定平臺用于艦載無人機通信的天線伺服系統(tǒng)；該天線伺服系統(tǒng)用于艦艇對艦載無人機的實時跟蹤，具有自動跟蹤和手動跟蹤兩種工作模式，并且結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、響應速度快；從系統(tǒng)設計原理出發(fā)，闡述了系統(tǒng)的機電作動機構(gòu)、角度跟蹤算法、系統(tǒng)硬件電路設計以及伺服電機控制策略；實驗表明，該伺服系統(tǒng)能夠?qū)崟r對艦載無人機進行精確跟蹤，從而保障艦艇與無人機的有效通信。

艦載；無人機；天線伺服；穩(wěn)定平臺

0 引言

隨著無人機技術(shù)的不斷進步，無人機在軍事作用上起到越來越大的作用，目前無人機已經(jīng)裝備在艦艇上。艦載無人機利用機載照相、光電、紅外、電子偵察等先進傳感器，實施空中監(jiān)視、偵察、炮火校正、目標指示、充當誘餌、電子對抗、毀傷評估，以及配備機載導彈等武器，完成封鎖、反艦或?qū)﹃懝舻茸鲬?zhàn)任務。艦載無人機以成本低、體積小、作戰(zhàn)使用靈活、費效比高、可避免人員傷亡等優(yōu)勢，得到世界各國海軍的廣泛認可[1]。

對于遙控設備，艦載無人機利用艦艇上的天線設備對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數(shù)字傳輸。目前，國內(nèi)大部分艦載通信天線伺服系統(tǒng)都安裝在穩(wěn)定平臺上，穩(wěn)定平臺的使用，不僅增加了艦艇的設備量，而且增加了一些不可靠因素。為克服上述問題，本文提出一種脫離穩(wěn)定平臺的艦載無人機通信天線伺服系統(tǒng)，并設計了總體結(jié)構(gòu)，闡述了基本工作原理，研制了機電作動機構(gòu)，分析了轉(zhuǎn)動角結(jié)算算法，完成了硬件電路設計和伺服控制算法的設計與調(diào)試，可有效保證艦艇與無人機的有效通信。

1 系統(tǒng)總體組成和原理

艦載無人機通訊天線伺服控制系統(tǒng)主要由伺服電機控制器、上位機和機電作動機構(gòu)組成。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)總體原理圖

上位機把接收到GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成船體、無人機的航姿信息，通過RS422串口將航姿信息發(fā)送給伺服電機控制器，控制器根據(jù)當前接收到的航姿信息解算出需要轉(zhuǎn)動的方位角度和俯仰角度，通過永磁同步電機、光電編碼器等構(gòu)成的位置閉環(huán)控制回路，帶動減速機同時驅(qū)動方位控制轉(zhuǎn)臺和俯仰控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，完成對無人機的實時跟蹤。伺服電機控制器也通過RS422串口將當前轉(zhuǎn)動的角度值發(fā)送給遙控計算機，供操作人員參考。本系統(tǒng)具備自動跟蹤和手動跟蹤兩種工作模式，控制軟件在上位機上運行。正常情況下，系統(tǒng)工作在自動跟蹤模式下，上位機周期性的向伺服電機控制器發(fā)送航姿信息，控制器解算出天線需要轉(zhuǎn)動的方位角度和俯仰角度，驅(qū)動伺服電機控制回路執(zhí)行轉(zhuǎn)動。當出現(xiàn)跟蹤丟失，上位機接收不到GPS信號，系統(tǒng)工作在手動跟蹤模式下。上位機根據(jù)無人機飛行軌跡，預測無人機出現(xiàn)的位置，伺服電機控制回路帶動天線轉(zhuǎn)動到上位機給定的預測位置等待無人機的出現(xiàn)。

2 機電作動機構(gòu)

機電作動機構(gòu)主要由永磁同步電機、減速機、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、滑環(huán)、轉(zhuǎn)臺、套筒、轉(zhuǎn)動軸、底座等組成。

本系統(tǒng)使用的兩臺永磁同步電機均為50 W，額定轉(zhuǎn)3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0.16 N·M。在方位角控制和俯仰角控制均使用兩級行星減速機，減速比分別為80:1和120:1，永磁同步電機轉(zhuǎn)速傳感器采用的是Singlysn系列的旋轉(zhuǎn)變壓器，轉(zhuǎn)臺位置傳感器采用的是分辨率為14位的光電編碼器。

3 轉(zhuǎn)動角解算

由于該艦載天線伺服系統(tǒng)脫離穩(wěn)定平臺，直接安裝在船體表面，所以船體的航姿影響到轉(zhuǎn)動角的計算，需要船體實時的航姿信息來解算轉(zhuǎn)動角。上位機給伺服電機控制器發(fā)送的航姿信息包括船體的經(jīng)度L1、緯度B1、航向角H、橫滾角R、縱搖角P、船體海拔A1和無人機的經(jīng)度L2、緯度B2、無人機海拔A2[2]。

1)根據(jù)船體經(jīng)緯度和無人機經(jīng)緯度、海拔，將船體和無人機轉(zhuǎn)換到地心坐標系中。船體坐標為(X1,Y1,Z1)，無人機坐標為(X2,Y2,Z2):

(1)

(2)

(3)

其中：

(4)

3)根據(jù)船體航向角、橫滾角和縱搖角，將無人機轉(zhuǎn)換到以船體甲板和天線底座接觸中心為原點，甲板平面內(nèi)垂直指向右側(cè)船舷為X軸，垂直于X軸并且指向船頭方向為Y軸，垂直于甲板平面為Z軸的船體坐標系中[3]。轉(zhuǎn)移后的坐標為：

(X″2,Y″2,Z″2)

(5)

其中:

(6)

4)根據(jù)公式(3)中得到的無人機在考慮航向角、橫滾角和縱搖角船體坐標系的坐標(X″2,Y″2,Z″2)，即可計算得到此時無人機相對于船體的方位角A和俯仰角E。

(7)

4 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路主要包括DSP控制電路、通信接口電路、電源變換電路、驅(qū)動隔離電路、相電流采樣電路以及位置、速度信號調(diào)理電路等組成。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

DSP控制芯片選擇的TMS320F28335，該芯片為TI公司生產(chǎn)的最高時鐘頻率為150 MHz，且具備32位浮點處理單元的高新能數(shù)字信號處理芯片。得益于其自帶的32位浮點處理單元，使得轉(zhuǎn)換航姿信息和解算轉(zhuǎn)動角更加方便、精確。

電源供電采用的是220 V兩相交流電，通過電源變換電路得到直流24 V控制器供電和直流300 V三相逆變橋供電。相電流采樣采集的是永磁同步電機三相電流，經(jīng)過二階濾波后送入DSP的AD引腳。光電編碼器輸出的信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后送入DSP的QEP管腳。

4.1 速度信號調(diào)理電路

旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機的速度傳感器相比于霍爾傳感器更加精確，相比于光電編碼器更加可靠。旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機內(nèi)部，使用方便。選擇AD2S1210芯片對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的相互正交的兩組正弦信號進行解碼。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的不同需求，可通過外部電路將AD2S1210配置分辨率在10、12、14、16bit四種工作模式，本系統(tǒng)選擇AD2S1210工作在12bit分辨率工作模式下。AD2S1210具體外圍配置電路如圖3所示。

圖3 AD2S1210外圍配置電路

4.2 隔離驅(qū)動電路

控制器需控制兩臺永磁同步電機， 要同時輸出2組12路PWM信號。為防止功率變換電路對DSP控制電路的干擾，PWM信號經(jīng)過隔離芯片ADUM1401進行隔離后，送入逆變橋驅(qū)動芯片IR2136S。由于IR2136S具有反向的作用，為保證在系統(tǒng)不工作狀態(tài)下逆變橋處于關(guān)斷狀態(tài)，12路PWM信號在進入隔離芯片ADUM1401前通過上拉電阻拉至3.3 V狀態(tài)。IR2136S具體外圍配置電路如圖4所示。

圖4 IR2136S外圍配置電路

5 伺服電機控制策略

該艦載天線伺服系統(tǒng)是一種位置伺服控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。系統(tǒng)采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)[4]。位置外環(huán)：控制天線轉(zhuǎn)動角與給定值一致，實現(xiàn)精確控制；速度中環(huán)：消除負載轉(zhuǎn)矩擾動等因素對電機轉(zhuǎn)速的影響；電流內(nèi)環(huán):控制逆變器在電機定子繞組中產(chǎn)生準確的電流[5]?？刂撇呗陨希恢铆h(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)采用經(jīng)典PID控制。

圖5 伺服電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 試驗結(jié)果與分析

1)伺服系統(tǒng)控制精度實驗：伺服系統(tǒng)通電后回歸零位，即方位角指向正北和俯仰角為水平0度，將兩個電子羅盤固定在方位轉(zhuǎn)臺和俯仰轉(zhuǎn)臺上，通過上位機把航姿信息發(fā)送給伺服電機控制器，等達到穩(wěn)態(tài)時，比較電子羅盤運動前后的角度值和通過人工計算得到的角度信號來判斷伺服系統(tǒng)的控制精度。表1為控制精度測試實驗的數(shù)據(jù)。

表1 控制精度測試實驗的數(shù)據(jù)

2)伺服系統(tǒng)響應速度實驗：通過上位機給定方位角為90°和俯仰角為30°的航姿信息，實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 方位角轉(zhuǎn)動曲線

圖7 俯仰角轉(zhuǎn)動曲線

通過實驗(1)可見，伺服系統(tǒng)在方位角和俯仰角的控制誤差均小于0.2°，通過實驗(2)可見，方位角轉(zhuǎn)動90°和俯仰角轉(zhuǎn)動30°所用的時間均小于1 s，并且對于階躍信號的響應幾乎沒有超調(diào)?？傮w來看，系統(tǒng)的性能可以滿足技術(shù)指標。

7 結(jié)論

設計了一種用于艦載無人機通信的天線伺服系統(tǒng)，控制精度實驗和響應速度實驗表明，本文所設計的雙軸艦載無人機通信伺服系統(tǒng)完全可以滿足艦艇對無人機的跟蹤要求，且性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

[1] 趙 濤. 艦載無人機的發(fā)展[J]. 船舶電子工程, 2010 (4): 21-24.

[2] 魏英杰. AXY天線座在船用衛(wèi)星通信天線中的應用[J]. 無線電工程,2014,09:45-47.

[3] 薛樂堂,劉廷霞,陳 濤. 艦載跟蹤設備自穩(wěn)定建模坐標旋轉(zhuǎn)變換順序研究[J]. 長春理工大學學報(自然科學版),2008, 31(2):27-29.

[4] 李兵強,林 輝. 新型永磁同步電機高精度調(diào)速系統(tǒng)[J]. 中國電機工程學報,2009,15:61-66.

[5] 吳 春,齊 蓉,李兵強,等. 永磁同步電動機在電動舵機伺服系統(tǒng)中的應用[J]. 微特電機,2012,05:10-12.

Design of an Antenna Servo System for Ship-borne UAV Communications

Sun Xueyun, Li Bingqiang,Liu Dongli, Li Xuan, Tang Kun

(College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China)

In order to overcome the reliability problem of stabilized platform used for shipboard equipment,a kind of out of stabilized platform antenna servo system for the communication between ships and ship-borne UAV is put forward and designed. This antenna servo system，with two kinds of working mode: automatic tracking and manual，is used for vessels of ship-borne UAV real-time tracking. This paper also expounds the system of electromechanical actuation mechanism，tracking algorithm，the design of system hardware circuit and servo motor control system. Experiments show that the servo system can track of ship-borne UAV accurately，thus the effective communication between ships and UAV can be ensured.

ship-borne；UAV；antenna servo；stable platform

2016-06-02；

2016-07-05。

國家自然科學基金(51407143)；高等學校博士學科點專項科研基金(20136102120049)；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃(2014JQ7264，2015JM5227)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費(3102014JCQ01066)。

孫雪云(1992-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動方向的研究。

李兵強(1981-)，男，河北石家莊人，工學博士，副教授，主要從事現(xiàn)代電力電子工程和現(xiàn)代電機控制技術(shù)等方向的研究。

1671-4598(2016)12-0127-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.036

TP273

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