土壤水探測天線掃描機構設計及精度測量方法

李寧杰 劉 瑞 邙曉斌 錢志鵬 劉明利

（上海航天電子通訊設備研究所，上海201109）

1 引言

水是最重要的陸地遙感參數(shù)，陸地地表水和土壤水的綜合監(jiān)測對拓展土地、地礦、農業(yè)等領域具有重要的意義。國外學者對微波遙感土壤濕度的研究做了大量工作，20 世紀70～80年代以野外車載和航空微波遙感實驗為主[1]，旨在發(fā)展微波遙感土壤濕度算法，并研究其它因子的影響；90年代以發(fā)展實用的衛(wèi)星微波遙感土壤濕度為主[2]，檢驗以往算法的適用性，并用于大尺度的土壤濕度制圖，為區(qū)域及全球水文模型，陸面過程模式乃至全球氣候模式提供必要的土壤濕度信息。典型微波遙感探測器包括SMOS[3]、SMAP[4]等。

圖1 機載天線安裝方案

頻段越低，土壤水探測敏感度越高，因此國內外對土壤水探測均采用頻段較低的L 波段[5]。為了通過機載觀測模擬陸地水資源的微波遙感參數(shù)，設計了大型外場試驗。在外場試驗中為了獲得被動遙感更大的對地覆蓋面積，設計了帶有電動缸的掃描驅動機構，使天線的掃描范圍增大，機載天線安裝方案如圖1所示。為了驗證得到掃描驅動機構的精度，用三坐標測量儀對其精度進行了測量。

2 掃描驅動機構設計

2.1 掃描驅動機構技術性能指標

根據(jù)外場試驗的目的和要求，對掃描驅動機構提出了很多高性能的技術指標，如掃描重復指向精度、掃描定位指向重復精度等。掃描驅動機構的主要技術性能指標如表1所示，其中，掃描驅動機構的運動范圍為20°～34°，20°為掃描初始零位，27°為掃描中點位置，34°為掃描終止位置，其角度掃描范圍如圖2所示。

表1 掃描驅動機構技術性能指標

圖2 掃描驅動機構角度掃描范圍

2.2 掃描驅動機構整體設計

根據(jù)掃描驅動機構的設計要求和技術指標，將整個系統(tǒng)劃分為兩個子系統(tǒng)，分別為：機械擺動部分和控制系統(tǒng)部分，掃描驅動機構的結構整體布局如圖3所示。機械擺動部分主要由伺服電動缸、吊裝安裝板、負載安裝板、鉸鏈機構組成。其中，吊裝安裝板和負載安裝板采用鋁合金材料，質量輕，結構剛度強；鉸鏈機構采用不銹鋼材料，配合緊密，轉動間隙小?？刂葡到y(tǒng)主要由上位機、控制柜、角度傳感器組成。其中，上位機采用性能穩(wěn)定的地測設備；控制柜中的PLC采用歐姆龍多能性PLC，控伺服驅動器采用MOTEC通訊型驅動器；角度傳感器采用歐姆龍高精度角度傳感器。下文主要對伺服電動缸設計和控制系統(tǒng)設計做詳細介紹。

圖3 掃描驅動機構整體結構設計

伺服電動缸是由伺服電動機和絲杠組成的一體化產品，伺服電動機通過同步帶與絲杠連接，將電機的轉動轉換為電動缸的直線往返運動[6]。伺服電動機具有精度高、易控制等優(yōu)點，通過絲杠可以轉化為電動缸的高精度運動，準確的速度、位置和推力。

根據(jù)驅動掃描機構的整體結構位置關系，根據(jù)運動的實際情況，將吊裝安裝板、負載安裝板和電動缸整體簡化為三角形結構來表示相對的位置關系，具體如圖4所示，頂點1 表示電動缸與吊裝安裝板之間的鉸鏈機構，頂點2 表示電動缸與負載安裝板之間的鉸鏈機構，頂點3 表示吊裝安裝板與負載安裝板之間的鉸鏈機構。

根據(jù)驅動掃描機構簡化位置關系，由余弦定理可以得到電動缸的總長與掃描角度之間的關系式為：

式中：L為電動缸的總長，α為驅動機構轉動角度。

當驅動掃描機構掃描角度為20°時，電動缸伸出量最??；當驅動掃描機構掃描角度為34°時，電動缸伸出量最大，因此可以算出電動缸所需行程：

式中，L1為20°時，電動缸的總長；L2為34°時，電動缸的總長；ΔLmax為電動缸所需行程。

圖5 電動缸輸出力示意圖

被動天線為10kg，負載安裝板為10kg，背面單機重1kg，電動缸所需輸出力為：

式中，F(xiàn)為電動缸輸出力。

表2 伺服電動缸參數(shù)表

因為掛載樣機要整體安裝在密封艙內，因此結構設計包絡尺寸越小越好。電動缸有直線式、折返式和垂直式三種，考慮到安裝空間和運動精度，選用折返式電動缸。結合電動缸所需行程、所需輸出額定力，選取型號SEC61-R293 的電動缸，可以滿足設計要求。此型號電動缸重復定位精度為正負0.05mm，帶自鎖功能，采用MOTEC 高精度伺服電機，具體參數(shù)如表2所示。

電動缸總長度包括電動缸本體固定長度加上電動缸伸長量，有公式：式中，L0為電動缸本體固定長度，ΔL為電動缸伸長量。

通過式（1）和式（6）可得，電動缸伸長量與轉動角度之間的關系式為：

式中，a、b、L0為已知量，因此可以直接計算電動缸伸長量與轉動角度之間的關系。PLC 根據(jù)上式可以計算出掃描驅動機構擺動角度與電動缸伸出量之間的關系,從而通過程序控制機構的轉動角度。同時，加裝在轉動軸上的編碼器可以實時反饋機構的轉動角度，從而進一步保證驅動機構的角度控制精度。

設計完成的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)三個主要的功能：驅動機構可以根據(jù)上位機指令進行連續(xù)的掃描，轉動角度范圍和轉動速度是可以設置的；驅動機構可以根據(jù)上位機指令在某個特定的角度進行定位，實現(xiàn)天線的定角度觀測；角編碼器可以按照上位機的讀取指令反饋驅動機構的掃描角度，由上位機實現(xiàn)實時采集記錄掃描驅動機構的轉動角度值。

3 掃描驅動機構精度測量

3.1 精度測量方法

利用三坐標測量儀，在被動天線安裝板和吊裝安裝板每塊板各取5 個點，擬合成兩個平面，得到被動天線安裝板和吊裝安裝板的平面精度，再測量兩平面間的夾角，即被動天線的轉動角度，得到顯示值和實測值，以此判斷驅動機構的精度，測量過程如圖6所示。通過對機械零位（20°）的標定，完成機構基準的確定；然后通過對機構27°、34°的標定，完成機構最終的標定。如果在重復測量中，實測值和編碼器值顯示不一致，通過軟件進行補償，直至實測值和顯示值在誤差允許范圍內。

圖6 掃描驅動機構精度測量

安裝板平面度測量結果：被動天線安裝板：0.03mm（技術指標：≤0.2mm）；吊裝安裝板：0.04mm（技術指標：≤0.2mm）。

3.2 掃描驅動機構精度測量過程及結果

3.2.1 機構零位20°的標定

a.通過控制器調整機構使得被動天線安裝板與吊裝安裝板夾角在20°附近，并進一步微調后，三坐標實測值為19.9967°，此位置標定為機構的機械零位，編碼器顯示設置為20°；

b.控制器關機再開機零位值角度編碼器讀數(shù)為19.999°；

c.控制器控制機構往返運動一個周期后返回零位，三坐標的實測值為19.43950°，此時通過軟件補償回程間隙0.56050°，三坐標實測值為19.99960°（主要由電動缸絲桿，鉸鏈，軸承等間隙累積引起）；

d.機構繼續(xù)做一個往返運動周期后三坐標實測值為：19.9978°；

e.誤差滿足定位精度≤0.1°要求，機構零位20°標定位完成。

3.2.2 機構27°的標定

控制器給予7°的角度增量，標定機構的定位角度27°，進行了2 次標定，標定值見表3。

表3 機構定位角度27°標定值 (°)

結果顯示，誤差滿足定位精度及重復定位精度≤0.1°的要求，機構定位角度27°標定完成。

3.2.3 機構34°的標定

表4 機構定位角度34°標定值 (°)

控制器給予14°的角度增量，標定機構的定位角度34°，進行了2 次標定，標定值見表4。

結果顯示，誤差滿足定位精度及重復定位精度≤0.1°的要求，機構定位角度34°標定完成。

3.2.4 機構角度標定后復測結果

在對控制器進行關機再開機，機構往返運動幾個周期后，復測上面的機構角度標定結果，結果見表5。

表5 機構角度標定后復測結果值 (°)

結果顯示，在機構返程時，27°的回程間隙稍大，需要在軟件中進行補償，其他均滿足定位精度及重復定位精度≤0.1°的要求。

3.2.5 補償27°回程間隙后復測結果

在控制器軟件中對27°回程間隙進行補償后，機構按34°→27°→20°→27°的順序進行掃描，復測結果見表6。

表6 機構定位角度27°復測結果 (°)

結果顯示，補償結果滿足定位精度及重復定位精度≤0.1°的要求。

3.3 掃描驅動機構驗證試驗

圖7 掃描驅動機構的試驗系統(tǒng)

為了驗證土壤水探測設備的整體性能，在天線暗室搭建了實物樣機進行了試驗前測試，其中包括了掃描驅動機構的測試試驗，整體系統(tǒng)實驗如圖7所示。將吊裝安裝板安裝在鋁合金框架上，被動天線安裝在負載安裝板上，上位機安裝在艙內設備框架上，控制箱是直接固定到飛機艙內的。用電纜將電動缸與控制箱連接，給電動缸傳輸命令和供電；上位機和控制箱用電纜連接，給控制箱傳輸命令，控制箱直接連接220V 的電源供電；角編碼器與上位機直接用電纜連接，上位機可以實時觀測和記錄掃描驅動機構的轉動角度。

圖8 驅動掃描機構轉動角度圖

上位機通過給控制箱傳輸指令控制伺服電動缸的運動，同時實時采集電動缸轉動角度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，將原始數(shù)據(jù)轉化為圖的形式，實驗結果如圖8所示。通過圖8可以看出，驅動掃描機構根據(jù)預先設計運動方式做周期運動。最小采集數(shù)據(jù)為19.905°，最大為33.960°，滿足定位精度≤0.1°的要求。觀測每個周期的最小角度值皆在19.905°～20.00°之間，每個周期的最大角度值皆在33.910°～33.960°之間，滿足重復定位精度≤0.1°的要求。

4 結束語

本文設計的土壤水探測被動天線的掃描驅動機構，實現(xiàn)了20°～34°范圍運動掃描，定位精度及重復定位精度≤0.1°，滿足探測使用需求，圓滿地完成了外場掛載試驗，對以后類似的掛載試驗具有指導意義，同樣適用于其他需要類似機構的場合。所涉及的驅動機構精度測量方法，完成了所設計的掃描驅動機構轉動角度精度的準確測量，對驅動機構轉動精度測量提供了參考。