多波束天线的座架设计与控制研究

发布时间：2020-07-19 15:27

【摘要】：随着雷达天线技术的发展,雷达天线的种类越来越丰富,性能也日益提升。多波束天线能够以高增益覆盖较大面积区域,且能根据探测需求调整波束形状使频谱资源得到充分发挥,因而得到了广泛应用。本文以阵面形状为切割抛物面的多波束天线座架为研究对象,开展了其机/结构的设计与控制研究。由于阵面形状为切割抛物面,综合分析各种可行方案后,确定了以6-UCU并联机构作为天线座架的方案,并针对其性能分析、结构优化、轨迹规划、指向控制实验等方面展开研究。论文的主要工作如下:1.建立了6-UCU天线座架的运动学模型和结构刚度模型。基于牛顿迭代法解决了机构位姿正解问题,而且结合天线座架的工作实际,在定时正解迭代过程中,以上一时刻的迭代结果作为下一时刻的迭代初始位姿,提高了算法的效率与可靠性。为研究结构参数误差对动平台位姿误差的影响,解析了两者之间的误差传递矩阵。并基于虚功原理推导了机构的静刚度矩阵,为后续结构参数优化奠定理论基础。2.开展了多波束天线座架的结构参数优化与工作空间求解。采用基于相对适应度的改进人工蜂群算法对天线座架的结构参数进行优化求解,并与标准蜂群算法的优化结果进行对比,显示了改进算法的优越性。提出了一种基于约束条件分类求解的新方法,并利用黄金分割搜索法分别计算各类约束的工作空间可行域,通过交集运算得到机构的工作空间。针对优化所得的结构参数的座架机构,求解了灵巧工作空间和可达工作空间及其体积。3.进行了轨迹规划与虚拟运动仿真试验。由于天线阵面在指向时只需姿态满足要求即可,因此对于六自由度机构需要对姿态角匹配位置参数,本文基于虚拟支链原理,以最大化机构姿态角为目标确定了相关系数,得到姿态与位置的映射关系式。在轨迹规划中,以最大速度为约束,使用正弦曲线设计了加减速轮廓,计算简单且加加速度曲线连续无冲击。为验证轨迹规划的有效性,构建了专用虚拟仿真平台,嵌入正解、逆解、轨迹规划等算法,结合GUI工具实现了天线座架的虚拟仿真。4.建造了天线座架实物并进行天线指向控制实验。为降低由加工、装配等因素导致的结构参数系统误差,基于运动学标定原理建立了矛盾方程组,并通过最小二乘原理优化求解得到实际结构参数。为检验天线座架的性能,开展了指向精度实验,以API激光跟踪仪测量的位姿作为真值,与控制系统上位机中显示的位姿对比分析,得到机构的位姿误差,并分析误差结果。
【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】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

示意图,天线阵面,旋转抛物面

这是常用的 A-E 型、X-Y 型、极轴型、斜交型等两自由度天线座架不能满足的。图1.1 切割抛物面型-多波束天线阵面示意图图1.2 旋转抛物面型天线阵面图该多波束天线阵面的课题背景与调整要求：1)天线阵面与背架总质量约为 4.3t；2)重心在抛物面转轴上，且距离背架与调整机构的连接平面约 1.8m；3)天线是否能够准确接收目标卫星信号，仅与阵面的姿态角有关，本课题的指向误差范数要求小于 0.01°。因不涉及卫星跟踪，要求天线座架的速度和加速度无刚性冲击即可，但在指向目标卫星过程中会涉及姿态角（方位角、俯仰角、自身轴旋转角）的区间扫描。反射面轨道弧（用于安装馈源）抛物面转轴

球面机构

图1.3 常用两自由度天线座架由课题需求描述可知，天线座架正常工作至少需要三个转动自由度。若采用构实现三自由度旋转，串联级数的增多会导致机械结构的几何尺寸与重量增加累积现象严重，因此本文提出采用并联机构作为天线座架的解决方案。并联机构不同于串联机构，其操作末端与基座平台之间通过两个或两个以上行连接，结构简单、承载能力强、负荷自重比高[2]。课题要求天线座架至少具转动自由度，故满足条件的最简单的并联机构为仅具有三个转动自由度的并联 1.4 中的三自由度球面机构[3]和图 1.5 中 3-PUS-RU 并联机构[4]，均能实现天线调整。但是，若采用三自由度球面机构，则整个调整机构的尺寸过于庞大，且杆件难以加工制造。若采用 3-RUS-RU 并联机构，其能够较好地满足天线阵面，但由于机构动平台中心位置固定，铰链的转角受限，使得 3-RUS-RU 并联机于动平台参考点可移动的并联机构，其工作空间受到一定限制。方位-俯仰型 X-Y型极轴型

并联机构,三维模型

【相似文献】