3RSR型并聯(lián)式天線樣機研制與控制實驗

竇玉超，鄭東豪，曾達幸，侯雨雷

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

1 引言

航天遙感、衛(wèi)星“三遙”（遙感、遙測、遙控）天線設計多采用俯仰－方位型，其在天線天頂位置存在“盲錐區(qū)”。俯仰－方位型天線無法在衛(wèi)星過頂空域連續(xù)跟蹤衛(wèi)星、實現(xiàn)信號不間斷連續(xù)工作的需求［1］。

并聯(lián)機構由兩個或兩個以上的分支連接動、定平臺而組成，為空間多分支閉鏈形式，以其結構緊湊、承載能力強、運動慣性小、不存在累積誤差等特點［2］在天線領域有其獨特應用［3］。文獻［4］提出了3?RSR（R為轉(zhuǎn)動副，S為球面副）并聯(lián)機構應用于衛(wèi)星天線支撐的方案。文獻［5］以4?SPS（PS）并聯(lián)機構作為雷達天線自動調(diào)平系統(tǒng)的支撐架。文獻［6］采用3?RPS并聯(lián)機構作為天線支撐機構，對天線機構進行了運動學分析，并研制了試驗樣機。文獻［7］研究分析了Stewart并聯(lián)機構應用于天線支撐的可行性。

3?RSR機構為少自由度并聯(lián)機構中的經(jīng)典構型之一［8］，具有兩個轉(zhuǎn)動、一個移動共3個自由度。文獻［9］對3?RSR并聯(lián)機器人進行了運動學和動力學建模及仿真。文獻［10］研究了3?RSR并聯(lián)機器人的位置正解。文獻［11］對3?RSR/SP 并聯(lián)車載天線機構運動及力學特性進行了分析。結合機電一體化設計，文獻［12］針對并聯(lián)機器人的控制方法進行了研究。文獻［13］開展了平面5R并聯(lián)機器人軌跡規(guī)劃和運動學仿真及實驗。文獻［14］對6?PUS/UPU（P為移動副，U為虎克鉸）并聯(lián)機構開放式控制系統(tǒng)進行了研究。文獻［15］設計了3自由度Delta型并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)；文獻［16］使用Qt/Embedded軟件對嵌入式控制界面進行了開發(fā)。

基于3?RSR 并聯(lián)機構設計一種并聯(lián)式天線樣機，可實現(xiàn)方位、俯仰和收藏的運動功能；進行不同受載工況下機構動力學仿真分析以確定所需驅(qū)動力矩，搭建一套由PC+控制器+電機組成的控制系統(tǒng)，并開發(fā)相應控制軟件；開展天線樣機的運動控制實驗，以驗證并聯(lián)式天線樣機的運動功能以及控制系統(tǒng)的有效性。

2 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機研制

并聯(lián)式天線樣機由天線面、天線座架、防護罩和電控柜組成，其中，電控柜與地面固定，主要用來放置天線樣機的電源、變壓器、控制器、驅(qū)動器及線路；天線座架由3?RSR并聯(lián)機構和電機組成，固定在電控柜上；電機驅(qū)動3?RSR并聯(lián)機構帶動天線實現(xiàn)方位、俯仰、收藏的運動功能，以實現(xiàn)天線運動需求，使天線能夠保持一定的位姿運動；天線面通過螺釘固定在天線座架上，并跟隨其運動，主要用于接收發(fā)送信息。當天線停用時，將防護罩蓋在其上以進行保護。

3?RSR 并聯(lián)機構由動平臺、定平臺和三條運動支鏈組成。定平臺是并聯(lián)機構的固定部件，通過螺栓固定在電控柜上，其功能是放置電機、定位三條運動支鏈、承擔天線面和天線座架的自重與載荷。三條運動支鏈結構相同，其組成，如圖1所示。

圖1 3?RSR并聯(lián)機構運動支鏈Fig.1 Sports Branch of 3?RSR Parallel Mechanism

由上支撐座、上支鏈、下支鏈、下支撐座組成，上支撐座與上支鏈、上支鏈與下支鏈、下支撐座與下支鏈均通過轉(zhuǎn)動副連接。各運動支鏈的上、下支撐座分別通過螺釘與動、定平臺固連。同時，為降低天線座架的運動慣量，上、下支鏈的連桿采用碳纖維材料。

并聯(lián)機構動平臺是天線座架的執(zhí)行部件，天線固定于其上，動平臺分別與三條運動支鏈通過螺釘相連，由三條支鏈將力/運動共同傳遞到動平臺上，實現(xiàn)天線的方位、俯仰、收藏運動。

考慮電機選型所需，分析并聯(lián)式天線樣機在工作過程中的受載情況，對天線樣機運動過程中電機的驅(qū)動力矩予以求解。針對不同的工況需求對天線樣機進行動力學仿真，選取其中受力情況最惡劣的工況進行分析，利用Adams軟件對天線樣機三維模型進行運動仿真，得到并聯(lián)式天線樣機的三個驅(qū)動力矩變化曲線，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)式天線樣機驅(qū)動力矩變化曲線Fig.2 Driving Torque Variation Curve of the Parallel Antenna Prototype

根據(jù)并聯(lián)式天線樣機驅(qū)動力矩的分析結果對天線樣機的傳動系統(tǒng)進行設計。并聯(lián)式天線樣機下支撐座部位的傳動方式，如圖3所示。選用步進電機作為驅(qū)動元件，驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動，傳動軸帶動3?RSR并聯(lián)機構運動支鏈的下支鏈轉(zhuǎn)動。根據(jù)Adams仿真所得天線樣機下支鏈驅(qū)動所需的最大驅(qū)動力矩對步進電機進行選型，步進電機采用東方馬達電機，型號為PK543AW?H50S；驅(qū)動器型號為PKD507?A；組合型號為CRK543APB?H50。

圖3 并聯(lián)式天線樣機下支撐座傳動組成Fig.3 Transmission Composition of the Lower Support Seat of the Parallel Antenna Prototype

依照并聯(lián)式天線樣機三維模型，遵循工藝要求繪制工程圖紙，加工、組裝并進行調(diào)試以確保樣機實現(xiàn)預期各項性能指標。所研制的并聯(lián)式天線樣機，如圖4所示。

圖4 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機Fig.4 3?RSR Parallel Antenna Prototype

3 3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 天線控制系統(tǒng)硬件搭建

3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)硬件由上位機、下位機、驅(qū)動器、步進電機、限位開關等組成，如圖5所示。以上位機和下位機為控制核心，實現(xiàn)對天線位姿和速度的準確控制。以PC作為上位機，實現(xiàn)信息輸入、計算處理、發(fā)送指令和狀態(tài)顯示等功能；以STM32控制器作為下位機，實現(xiàn)控制量輸出、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能；上位機通過USB接口與下位機編程接口連接，形成系統(tǒng)通信的物理通道。

圖5 天線控制系統(tǒng)架構Fig.5 Structure of the Antenna Control System

在PC（上位機）中輸入運動參數(shù)（天線的方位角、俯仰角以及運行時間），上位機讀取輸入的運動參數(shù)，運用運動學逆解求得電機的運動參數(shù)；上位機將電機的運動參數(shù)轉(zhuǎn)換為運動指令，并通過串口通信將其發(fā)送給下位機；下位機將運動指令處理后分別發(fā)送給三個驅(qū)動器，驅(qū)動器發(fā)送脈沖驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，控制天線達到指定位姿。當電機轉(zhuǎn)動到極限位置時，觸發(fā)限位開關，將信號反饋給下位機，下位機停止對相應的驅(qū)動器發(fā)送信號，此電機停止轉(zhuǎn)動；當三個電機都轉(zhuǎn)動到極限位置時，下位機通過串口通信向上位機發(fā)送天線停止信息。

3.2 天線上位機控制軟件開發(fā)

3?RSR型并聯(lián)式天線控制系統(tǒng)的人機交互主界面，如圖6所示。包括以下功能模塊：菜單欄、數(shù)據(jù)顯示模塊、參數(shù)輸入模塊、調(diào)試模塊、按鍵模塊以及通信標志。其中，菜單欄模塊包括“文件”、“串口調(diào)試”“、幫助”等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件界面的基本操作、上下位機之間的通信及幫助文檔的查看；通訊標志實時顯示通信狀態(tài)及串口號，通過調(diào)試模塊可對天線樣機進行調(diào)試，能夠獨立編寫指令發(fā)送到下位機，并顯示反饋信息。使用控制軟件時，可直接在參數(shù)輸入模塊輸入期望的方位角、俯仰角及運行時間等參數(shù)；在天線的運行過程中，數(shù)據(jù)顯示模塊能夠顯示天線實時位姿、電機實時轉(zhuǎn)角、電機目標轉(zhuǎn)角、電機實時速度；按鍵模塊提供常規(guī)操作使用的按鍵，包括“啟動”、“停止”、“運行”、“回零”、“收藏”、“演示”“、數(shù)據(jù)引導模式一”“、數(shù)據(jù)引導模式二”等按鍵，并針對不同功能的按鍵用顏色進行區(qū)分。這一模塊能夠?qū)崿F(xiàn)天線樣機的啟動、運行、停止、歸零、收藏、演示、數(shù)據(jù)引導等功能。

圖6 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機控制軟件Fig.6 Control Software for the 3?RSR Parallel Antenna Prototype

天線控制系統(tǒng)主程序流程，如圖7所示。天線控制系統(tǒng)初始化后，將上下位機通信，然后在控制界面內(nèi)輸入運行的目標位姿及運動時間。按下啟動鍵，系統(tǒng)自動讀取存儲的天線的當前位姿，通過運動學逆解求出電機的當前轉(zhuǎn)角；同時，系統(tǒng)自動讀取輸入的目標位姿及運動時間，通過運動學逆解計算出電機的目標位置，并顯示在主界面上。根據(jù)運行時間對目標軌跡進行分段，計算下一分段點的位姿，通過運動學逆解求出電機對應的轉(zhuǎn)角，比較當前轉(zhuǎn)角和下一分段點的轉(zhuǎn)角，計算出電機的轉(zhuǎn)動速度，并將其轉(zhuǎn)換為信號發(fā)送給下位機，驅(qū)動電機達到指令位置；然后，判斷電機是否達到目標位置，若達到目標位置，記錄天線的當前位姿作為下一次運行的初始位姿；若未達到目標位置，繼續(xù)計算下一分段點的電機位置，直至其達到目標位置為止。

圖7 天線控制系統(tǒng)主程序流程Fig.7 Main Program Flow of the Antenna Control System

天線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)引導程序流程，如圖8所示。使用數(shù)據(jù)引導功能時，首先讀取路徑的數(shù)據(jù)文件，依次讀取數(shù)據(jù)，并將其分別賦予方位角、俯仰角、運行時間，并在界面中實時顯示。然后，系統(tǒng)自動調(diào)用運行函數(shù)，控制天線按照讀取的路徑進行運動。

圖8 天線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)引導程序流程Fig.8 Data Guide Program Flow of the Antenna Control System

3.3 天線下位機設計開發(fā)

3?RSR型并聯(lián)式天線樣機控制系統(tǒng)以STM32控制器作為下位機，STM32控制器通過脈沖輸出、高低電平輸出對驅(qū)動器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)電機運動控制。

本系統(tǒng)采用的STM32控制器型號為F103ZET6，其額定電壓為直流5V，而驅(qū)動器的額定電壓為交流110V，因此STM32使用USB 供電，而驅(qū)動器和步進電機采用變壓器供電。驅(qū)動器和STM32單片機通過數(shù)據(jù)線連接，進行脈沖傳輸。

天線控制系統(tǒng)下位機的主程序流程，如圖9所示。系統(tǒng)初始化完成后，下位機首先等待并接收上位機發(fā)送的信號；然后將其解碼轉(zhuǎn)化為電機的運行時間和運行速度，通過計算再將其轉(zhuǎn)換成脈沖的發(fā)送頻率；最終，將脈沖發(fā)送給驅(qū)動器驅(qū)動電機運動。運行結束后，將結束信息反饋給上位機，繼續(xù)等待下一次信號的發(fā)送。

圖9 天線控制系統(tǒng)下位機主程序流程Fig.9 Main Program Flow of the Lower Computer in the Antenna Control System

4 3?RSR型并聯(lián)天線樣機運動控制實驗

4.1 天線功能實驗

并聯(lián)式天線樣機裝配、調(diào)試完成后，對天線控制系統(tǒng)的功能進行驗證，以保證樣機和控制系統(tǒng)能夠正常運行。首先接通樣機的電源，將數(shù)據(jù)線插在計算機的USB接口上，為控制系統(tǒng)供電；然后點擊控制程序的快捷方式打開控制界面；點擊控制界面菜單欄內(nèi)的“通信”?“connect”，進入通信界面，進行串口通信，保證數(shù)據(jù)傳輸。按下控制界面的“啟動”按鍵，天線由收藏位姿上升至初始位姿，如圖10（a）所示。

在“輸入?yún)?shù)”一欄中輸入期望位姿以及運行時間，點擊“運行”鍵，控制天線運行到期望位姿，如圖10（b）所示。在天線運行過程中，控制界面實時顯現(xiàn)天線位姿和電機的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速；按下“回零”鍵，天線從當前位姿直接返回回零位姿，如圖10（c）所示。最后，按下“收藏”鍵，天線返至收藏位姿，如圖10（d）所示。

圖10 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機運動實驗Fig.10 Motion Experiment of the 3?RSR Parallel Antenna Prototype

輸入多組參數(shù)反復進行運動測試，此并聯(lián)式天線樣機在半球的工作空間內(nèi)運動平穩(wěn)，無奇異位形，能夠?qū)崿F(xiàn)方位（0～360）°、俯仰（0～90）°運動及收藏功能。

4.2 天線指向?qū)嶒?/h3>

為驗證并聯(lián)式天線樣機的指向性能，設計并聯(lián)式天線樣機的指向?qū)嶒?。首先，在畫板上給定目標軌跡圖像，然后利用激光筆對圖像進行標校，確定畫板在天線定坐標系中的位置；最后控制并聯(lián)式天線樣機運動，使安裝在并聯(lián)式天線動平臺上的激光筆所發(fā)光束沿給定軌跡運動。指向?qū)嶒灳唧w步驟：

①給定目標軌跡的圖像，如圖11所示。利用點集或參數(shù)方程表達軌跡中各點相對于畫板坐標系的位置，目標軌跡各點相對于畫板坐標系的坐標為A（0，0，123.6）、B（0，72.7，?100）、C（0，?117.5，38.2）、D（0，117.5，38.2）、E（0，?72.2，?100）；給定畫板坐標系相對于3?RSR并聯(lián)機構定坐標系的位置。

圖11 目標軌跡Fig.11 Target Tajectory

②依據(jù)實驗原理中相關公式編寫計算程序，以計算目標點對應的并聯(lián)式天線位姿。

③將計算得到的天線位姿依次輸入到控制程序的數(shù)據(jù)引導文件中。

④待天線啟動完成后，在控制界面中點擊“數(shù)據(jù)引導一”鍵，天線首先由初始位姿俯仰運動到A位姿，即使激光點到達A點；然后，天線動平臺上的激光點將沿著目標軌跡依次按照A?B?C?D?E?A的順序運動；最后，天線自動俯仰回到初始位姿，如圖12所示。

圖12 3?RSR型并聯(lián)式天線樣機指向?qū)嶒炦^程Fig.12 Process of Pointing Experiment for the 3?RSR Parallel Antenna Prototype

⑤沿軌跡完成運動后，按下“收藏”鍵，天線由初始位姿運動到收藏位姿。

通過3?RSR 型并聯(lián)式天線樣機運動性能和指向能力實驗，驗證了先期理論分析與結構設計的正確性以及控制系統(tǒng)的有效性，為進一步產(chǎn)品化實現(xiàn)奠定了基礎。

5 結論

基于3?RSR 并聯(lián)機構研制出一種并聯(lián)式天線樣機，構建其控制系統(tǒng)并開發(fā)控制軟件，開展運動與指向?qū)嶒?，結果表明3?RSR并聯(lián)機構應用于天線座架是可行的，天線樣機能夠?qū)崿F(xiàn)既定方位、俯仰運動及收藏功能，并滿足相應指標要求，對少自由度并聯(lián)機構應用于天線領域具有理論指導意義，并為進一步的并聯(lián)式天線產(chǎn)品化奠定了技術基礎。