【摘要】：隨著雷達(dá)天線技術(shù)的發(fā)展,雷達(dá)天線的種類越來(lái)越豐富,性能也日益提升。多波束天線能夠以高增益覆蓋較大面積區(qū)域,且能根據(jù)探測(cè)需求調(diào)整波束形狀使頻譜資源得到充分發(fā)揮,因而得到了廣泛應(yīng)用。本文以陣面形狀為切割拋物面的多波束天線座架為研究對(duì)象,開展了其機(jī)/結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制研究。由于陣面形狀為切割拋物面,綜合分析各種可行方案后,確定了以6-UCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為天線座架的方案,并針對(duì)其性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、軌跡規(guī)劃、指向控制實(shí)驗(yàn)等方面展開研究。論文的主要工作如下:1.建立了6-UCU天線座架的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和結(jié)構(gòu)剛度模型�；谂ｎD迭代法解決了機(jī)構(gòu)位姿正解問(wèn)題,而且結(jié)合天線座架的工作實(shí)際,在定時(shí)正解迭代過(guò)程中,以上一時(shí)刻的迭代結(jié)果作為下一時(shí)刻的迭代初始位姿,提高了算法的效率與可靠性。為研究結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差對(duì)動(dòng)平臺(tái)位姿誤差的影響,解析了兩者之間的誤差傳遞矩陣。并基于虛功原理推導(dǎo)了機(jī)構(gòu)的靜剛度矩陣,為后續(xù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。2.開展了多波束天線座架的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與工作空間求解。采用基于相對(duì)適應(yīng)度的改進(jìn)人工蜂群算法對(duì)天線座架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解,并與標(biāo)準(zhǔn)蜂群算法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,顯示了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。提出了一種基于約束條件分類求解的新方法,并利用黃金分割搜索法分別計(jì)算各類約束的工作空間可行域,通過(guò)交集運(yùn)算得到機(jī)構(gòu)的工作空間。針對(duì)優(yōu)化所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)的座架機(jī)構(gòu),求解了靈巧工作空間和可達(dá)工作空間及其體積。3.進(jìn)行了軌跡規(guī)劃與虛擬運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)。由于天線陣面在指向時(shí)只需姿態(tài)滿足要求即可,因此對(duì)于六自由度機(jī)構(gòu)需要對(duì)姿態(tài)角匹配位置參數(shù),本文基于虛擬支鏈原理,以最大化機(jī)構(gòu)姿態(tài)角為目標(biāo)確定了相關(guān)系數(shù),得到姿態(tài)與位置的映射關(guān)系式。在軌跡規(guī)劃中,以最大速度為約束,使用正弦曲線設(shè)計(jì)了加減速輪廓,計(jì)算簡(jiǎn)單且加加速度曲線連續(xù)無(wú)沖擊。為驗(yàn)證軌跡規(guī)劃的有效性,構(gòu)建了專用虛擬仿真平臺(tái),嵌入正解、逆解、軌跡規(guī)劃等算法,結(jié)合GUI工具實(shí)現(xiàn)了天線座架的虛擬仿真。4.建造了天線座架實(shí)物并進(jìn)行天線指向控制實(shí)驗(yàn)。為降低由加工、裝配等因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)誤差,基于運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定原理建立了矛盾方程組,并通過(guò)最小二乘原理優(yōu)化求解得到實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)。為檢驗(yàn)天線座架的性能,開展了指向精度實(shí)驗(yàn),以API激光跟蹤儀測(cè)量的位姿作為真值,與控制系統(tǒng)上位機(jī)中顯示的位姿對(duì)比分析,得到機(jī)構(gòu)的位姿誤差,并分析誤差結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

這是常用的 A-E 型、X-Y 型、極軸型、斜交型等兩自由度天線座架不能滿足的。圖1.1 切割拋物面型-多波束天線陣面示意圖 圖1.2 旋轉(zhuǎn)拋物面型天線陣面圖該多波束天線陣面的課題背景與調(diào)整要求：1)天線陣面與背架總質(zhì)量約為 4.3t；2)重心在拋物面轉(zhuǎn)軸上，且距離背架與調(diào)整機(jī)構(gòu)的連接平面約 1.8m；3)天線是否能夠準(zhǔn)確接收目標(biāo)衛(wèi)星信號(hào)，僅與陣面的姿態(tài)角有關(guān)，本課題的指向誤差范數(shù)要求小于 0.01°。因不涉及衛(wèi)星跟蹤，要求天線座架的速度和加速度無(wú)剛性沖擊即可，但在指向目標(biāo)衛(wèi)星過(guò)程中會(huì)涉及姿態(tài)角（方位角、俯仰角、自身軸旋轉(zhuǎn)角）的區(qū)間掃描。反射面軌道�。ㄓ糜诎惭b饋源）拋物面轉(zhuǎn)軸

圖1.3 常用兩自由度天線座架由課題需求描述可知，天線座架正常工作至少需要三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。若采用構(gòu)實(shí)現(xiàn)三自由度旋轉(zhuǎn)，串聯(lián)級(jí)數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與重量增加累積現(xiàn)象嚴(yán)重，因此本文提出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為天線座架的解決方案。并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同于串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其操作末端與基座平臺(tái)之間通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上行連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、負(fù)荷自重比高[2]。課題要求天線座架至少具轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，故滿足條件的最簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)構(gòu)為僅具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián) 1.4 中的三自由度球面機(jī)構(gòu)[3]和圖 1.5 中 3-PUS-RU 并聯(lián)機(jī)構(gòu)[4]，均能實(shí)現(xiàn)天線調(diào)整。但是，若采用三自由度球面機(jī)構(gòu)，則整個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)的尺寸過(guò)于龐大，且桿件難以加工制造。若采用 3-RUS-RU 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其能夠較好地滿足天線陣面，但由于機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)中心位置固定，鉸鏈的轉(zhuǎn)角受限，使得 3-RUS-RU 并聯(lián)機(jī)于動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)可移動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其工作空間受到一定限制。方位-俯仰型 X-Y型 極軸型

圖1.3 常用兩自由度天線座架由課題需求描述可知，天線座架正常工作至少需要三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。若采用構(gòu)實(shí)現(xiàn)三自由度旋轉(zhuǎn)，串聯(lián)級(jí)數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與重量增加累積現(xiàn)象嚴(yán)重，因此本文提出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為天線座架的解決方案。并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同于串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其操作末端與基座平臺(tái)之間通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上行連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、負(fù)荷自重比高[2]。課題要求天線座架至少具轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，故滿足條件的最簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)構(gòu)為僅具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián) 1.4 中的三自由度球面機(jī)構(gòu)[3]和圖 1.5 中 3-PUS-RU 并聯(lián)機(jī)構(gòu)[4]，均能實(shí)現(xiàn)天線調(diào)整。但是，若采用三自由度球面機(jī)構(gòu)，則整個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)的尺寸過(guò)于龐大，且桿件難以加工制造。若采用 3-RUS-RU 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其能夠較好地滿足天線陣面，但由于機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)中心位置固定，鉸鏈的轉(zhuǎn)角受限，使得 3-RUS-RU 并聯(lián)機(jī)于動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)可移動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其工作空間受到一定限制。方位-俯仰型 X-Y型 極軸型

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