两自由度并联式轻量化天线座的研究

发布时间：2020-08-24 19:37

【摘要】：传统大型天线座以轴系串联形式实现,轴系误差逐级积累、结构笨重、刚度重量比低,不能适应天线结构轻量化、高机动性、高指向精度的发展趋势,因此,轻量化天线座的研究很有必要。并联式天线座相对于传统串联天线座,并联式天线座采取多个分支安装在天线和基座之间,发挥了少自由度并联机构结构简单、制造成本低等优势。本文设计了一种新型并联式两自由度轻量化天线座,开展了其运动学、动力学,以及基于动力学模型的机电一体化仿真等研究。本论文的主要工作如下:1)根据机构几何关系设计了主要参数,采用理论分析对其自由度进行了验算。利用几何位置关系求解该并联式两自由度轻量化天线座的姿态正逆解,并使用数值方法验证了运动学模型的正确性。基于有限元方法对天线座的静力学和强度进行计算分析,进而计算了其轴系精度,以此来满足天线座的工程需求。2)对机构约束方程求导分析该天线座的速度和加速度,同时得到其雅克比矩阵。并基于雅克比矩阵对天线座的奇异性进行了分析,为运动控制等进一步研究提供理论支撑。采用拉格朗日动力学方法,计算了天线座各构件的位置、速度和加速度,进而得到其动能和势能,建立了动力学方程。为验证动力学的正确性,进行了数值仿真,并与动力学软件仿真的结果进行对比,为后续的计算力矩控制,机电一体化仿真奠定基础。3)根据机器人的动力学特性,采用逆向动力学控制/计算力矩法,设计了此天线座机构的控制律。并采用控制仿真工具箱和多体动力学分析软件进行机电一体化仿真,结果表明所提出控制方案的有效性。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112
【图文】：

天线座,方位,转台,科技集团

俯仰-方位型天线座

天线方向图,天线座,转台

美国雷声公司近年来研制出的 MRSR 型高机动雷达天线，俯仰采控阵扫描来实现，方位采用机械扫描来实现，可对四周 360 度内所有的战术高度目标进行跟踪并捕获。该雷达天线系统具备操作简单，机动灵活的优点，整个天成在一个车箱里，一个人就可操作运行[3]。转台式天线座如图 1.2 所示，通常采用转盘轴承或静压轴承支撑天线和方位部分，承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩。这种形式刚度大、承载能力强，可需要粗大的方位轴，轴承座圈和方位大齿轮可以做成一个整体，在轴承中间让出的空间用以安装其它器件或部件。这种形式的结构更加紧凑，轴向尺寸小，转动的重心比较低，使天线座的稳定性得到了加强。我国对转台的研究起步较晚，但科研人员的努力，近年来已经取得长足的发展和成就。现在，国内大量的高校和机构都在从事高精度转台的研究，主要有哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、14 所、航天八院 804 所、航天二院 203 所、中船 6354 所等。中国航天科技集团研究院下属的 203 研究所研制用于测量电磁兼容性以及天线方向图等方面的天转台，其转角精度范围为-1°~+1°，转角分辨率 0.1°[4]；北京友信科技集团研URT-L-01 型雷达仿真系统的转台位置精度为 20'。

天线座,轮轨

艺、成本方面较转台式天线座有相对优势。通常，我们把利用滚轮和轨道作为天的轴向支承、依靠轮轨之间的摩擦力实现方位传动的天线座称为轮轨式天线座。式天线座主要由驱动轮、从动轮、轨道、中心轴承、转台等组成，通常用于实现低速重载的大型雷达天线的方位旋转运动。X-Y 型天线座如图 1.4 所示，X 轴是水平配置的；Y 轴与 X 轴垂直，随 X动；电轴与 Y 轴垂直。相当于把俯仰-方位型天线座的方位轴转到水平位置。因X-Y 型天线座也有“盲锥区”。其在跟踪过顶目标时，与其他两轴天线座相比，度是最低的。X-Y 型天线座的另一个优点是每根轴都只需转动正负 90°，就能整个空域，因此不需要高频转动关节、滑环或电缆圈套装置，而只需要一段挠性和电缆。阿波罗登月飞行近地宇宙空间通信用的 9m 抛物面天线，因为宇宙飞船顶位置变换轨道，所以过顶时必须保持联系，并且要求基本上达到覆盖整个空域此选用了 X-Y 型。X-Y 型天线座的结构不紧凑，天线座的重量比较大。因为这线的两根转轴均不与地面垂直，如果转动部分的重心不在转轴上，就会产生不平矩。通常，X,Y 两轴的转动部分都需要加平衡重，所以体积和重量大；两轴的间距转动惯量也大，而且下轴的离地高度必须大于反射体的半径。

【参考文献】