CN107315248B - 双波段反射二维扫描搜索跟踪平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，包括基座、U型架、反射镜，基座上设置有俯仰轴，俯仰轴一端连接有俯仰电机，另一端与U型架连接，U型架上设置有轴线与俯仰轴轴线垂直相交的方位轴和驱动方位轴的方位电机，方位轴的中部固定安装反射镜，方位轴的转动轴线处于反射镜的反射面所在平面中。本发明负载轻，转动惯量小，扫描方式灵活，采用精密驱动控制技术，选择连续或步进的扫描方式，可以实现系统视轴指向快速、高精度的控制，用于实现低轨卫星光学载荷对空间运动目标搜索、捕获、跟踪的技术验证，保证小视场光学载荷能获得更大的搜索视场，并对捕获到的目标进行精确瞄准和跟踪，同时又尽量降低旋转运动对卫星稳定性造成的影响。

Description

双波段反射二维扫描搜索跟踪平台

技术领域

本发明属于光学反射跟踪装置的技术领域，具体涉及一种用于低轨卫星光学探测载荷对空间运动目标搜索、捕获、跟踪技术验证的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台。

背景技术

采用空间双波段复合动态场景投影型仿真系统进行空间场景的模拟，并投影至透射式投影屏上，在投影屏后放置小视场可见光、短波红外载荷进行目标探测，以实现低轨卫星光学载荷对空间运动目标搜索、捕获、跟踪的技术验证。为保证小视场光学载荷能获得更大的搜索视场，同时又可对捕获到的目标进行精确瞄准、跟踪，需要在投影屏和小视场光学载荷之间添加双波段反射二维扫描搜索跟踪平台。双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，可在实验室受控环境下用于开展光学探测载荷的地面半物理仿真实验，验证低轨卫星光学探测载荷对运动目标的搜索、捕获、跟踪的功能。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其扫描方式灵活，便于实现系统视轴指向快速、高精度的控制。

本发明的目的通过以下技术方案实现：提供一种双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，包括基座、U型架、反射镜，所述基座上设置有转动轴线与基座底面平行的俯仰轴，所述俯仰轴的一端连接有驱动其转动的俯仰电机，俯仰轴的另一端与所述U型架的中部连接，所述U型架的两个端部之间设置有转动轴线与俯仰轴的转动轴线垂直相交的方位轴，所述U型架的一个端部设置有驱动所述方位轴转动的方位电机，所述方位轴的中部固定安装所述反射镜，所述方位轴的转动轴线处于反射镜的反射面所在平面中。

作为进一步的改进，所述U型架的另一个端部设置有配重块。

作为进一步的改进，所述方位轴为曲轴，所述反射镜固定在曲轴的弯曲段上。

作为进一步的改进，所述反射镜整体为椭圆形，椭圆形的长轴与方位轴的轴线平行。

作为进一步的改进，所述反射镜包括铝镜基体，铝镜基体的正面为反射面，背面为蜂窝状。

作为进一步的改进，所述反射镜的背部通过螺钉与曲轴连接，反射镜的两侧面通过粘结剂与曲轴粘结。

作为进一步的改进，所述基座上设置有阶梯状轴孔，所述俯仰轴的一段为设置于阶梯状轴孔中的锥形段，靠近锥形段大端的一段俯仰轴与阶梯状轴孔之间设置有大轴承，靠近锥形段小端的一段俯仰轴与阶梯状轴孔之间设置有小轴承，所述锥形段上套设有与大轴承、小轴承相对的一侧相抵接的锥套形隔圈，所述俯仰轴在大轴承、小轴承的另一侧分别设置有轴肩和锁紧螺母。

作为进一步的改进，所述U型架的两个端部分别设置有轴孔，所述方位轴的两端均通过两个角接触轴承支承在轴孔中，两个角接触轴承之间设置有内隔圈和外隔圈，两个角接触轴承之间通过锁紧螺母锁紧。

作为进一步的改进，所述方位轴的一端为轴向固定式安装，另一端为轴向游动式安装。

作为进一步的改进，所述方位轴轴向固定式安装的一端的两个角接触轴承的内圈之间、外圈之间分别通过螺接于方位轴上的内锁紧螺母、螺接于轴孔内壁的外锁紧螺母锁紧，方位轴轴向游动式安装的一端的两个角接触轴承之间通过螺接在方位轴上的锁紧螺母锁紧。

本发明提供的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，包括基座、U型架、反射镜，所述基座上设置有转动轴线与基座底面平行的俯仰轴，所述俯仰轴的一端连接有驱动其转动的俯仰电机，俯仰轴的另一端与所述U型架的中部连接，所述U型架的两个端部之间设置有转动轴线与俯仰轴的转动轴线垂直相交的方位轴，所述U型架的一个端部设置有驱动所述方位轴转动的方位电机，所述方位轴的中部固定安装所述反射镜，所述方位轴的转动轴线处于反射镜的反射面所在平面中。本发明负载轻，转动惯量小，扫描方式灵活，采用精密驱动控制技术，选择连续或步进的扫描方式，可以实现系统视轴指向快速、高精度的控制。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是双波段反射二维扫描搜索跟踪平台的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是基座与俯仰轴连接位置的剖视图。

图5是U型架一端与方位轴的连接位置的剖视图。

图6是U型架另一端与方位轴的连接位置的剖视图。

图7是双波段反射二维扫描搜索跟踪平台的控制流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为保证小视场光学载荷能获得更大的搜索视场，并对捕获到的目标进行精确瞄准和跟踪，同时又尽量降低旋转运动对卫星稳定性造成的影响，需要在探测目标和小视场光学载荷之间添加双波段反射二维扫描搜索跟踪平台。本发明提供的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，可用于实现低轨卫星光学载荷对空间运动目标搜索、捕获、跟踪的技术验证，在实验室受控环境下开展光学探测载荷的地面半物理仿真实验，验证光学探测载荷对运动目标的搜索、捕获、跟踪的功能。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，包括基座1、U型架2、反射镜3。所述基座1上设置有转动轴线与基座1底面平行的俯仰轴4，所述俯仰轴4的一端连接有驱动其转动的俯仰电机5，俯仰轴4的另一端与所述U型架2的中部连接，所述U型架2的两个端部之间设置有转动轴线与俯仰轴4的转动轴线垂直相交的方位轴6，所述U型架2的一个端部设置有驱动所述方位轴6转动的方位电机7，所述方位轴6的中部固定安装所述反射镜3，所述方位轴6的转动轴线处于反射镜3的反射面所在平面中，电机驱动俯仰轴和方位轴的转角精度：±0.01°。上述部件中，基座采用铝合金加工而成，安装底面通过紧固螺钉与安装平台进行安装，轴与电机的连接则通过电机转接件和刚性联轴器连接，电机外壳则通过转接件与基座或U型架连接，U型架与俯仰轴则通过圆柱面定位，然后通过配打螺纹孔后，用紧定螺钉连接。

需要说明的是，电机在驱动轴系结构转动过程中，应克服轴系的负载力矩，因此，负载力矩是轴系设计好坏评判的重要指标。在中低转速条件下，负载力矩主要由转动惯量引起的阻力矩和摩擦力矩组成，摩擦力矩又可以分为外载荷引起摩擦力矩和润滑剂粘性摩擦力矩，即负载力矩。经计算分析，方位轴轴系总摩擦力矩为44.82Nmm，负载力矩为45.27Nmm，为保证系统转动具有较高的静力矩和动力矩裕度，方位电机驱动力矩应≥224.55Nmm。俯仰轴轴系总摩擦力矩为82.89 Nmm，负载力矩为122.11Nmm，为保证系统转动具有较高的静力矩和动力矩裕度，电机组件驱动力矩应≥453.67Nmm。

作为进一步优选的实施方式，所述U型架2的另一个端部设置有配重块8。配重块主要实现方位轴整体的质心落于中点上。

作为进一步优选的实施方式，所述方位轴6为曲轴，所述反射镜3固定在曲轴的弯曲段上。所述反射镜3整体为椭圆形，即反射镜工作区域外包络为椭圆，长轴260mm，短轴为160mm（反射镜边缘考虑了5mm镜面加工余量）。椭圆形的长轴与方位轴6的轴线平行。为了方便反射镜加工时装夹，最后将椭圆反射镜优化设计为外轮廓为12边形多面体，并倒圆角处理。所述反射镜3包括铝镜基体，铝镜基体的正面为反射面，加工前材料进行去应力时效处理，精加工前采用高低温稳定尺寸处理，低温为液氮温度，温度循环为2-3个。光学镜面通过精密机械加工、抛光、镀镍、光学抛光并镀保护膜处理。反射镜轻量化主要通过对铝镜基体背面进行蜂窝状化处理，反射镜在转轴上的安装，是通过其背部的M3螺纹与曲轴采用螺钉连接，同时采用高强度粘结剂将反射镜两侧面与曲轴进行粘结。平面反射镜轻量化设计后，经分析，其在重力场作用下的变形量小于面形要求。反射镜的光学技术指标如下：光学波段范围：400～2350nm；平均反射率：Rave≥85%；峰值反射率：Rp≥90%；光学表面PV值λ/10，RMS值λ/40 @检测波长632.8nm。

如图4所示，所述基座1上设置有阶梯状轴孔，所述俯仰轴4的一段为设置于阶梯状轴孔中的锥形段，靠近锥形段大端的一段俯仰轴4与阶梯状轴孔之间设置有大轴承9，靠近锥形段小端的一段俯仰轴4与阶梯状轴孔之间设置有小轴承10，所述锥形段上套设有与大轴承9、小轴承10相对的一侧相抵接的锥套形隔圈11，所述俯仰轴4在大轴承9、小轴承10的另一侧分别设置有轴肩和两个锁紧螺母12。通过强度初步校核，大轴承9、小轴承10采用角接触轴承，轴承型号选用7305A和7309A，具体选用日本NSK进口轴承，精度等级P4，采用普通油（或脂）润滑民用轴承。为保证轴系回转精度，大轴承9、小轴承10预紧安装。通过修磨轴承之间的锥套形隔圈长度，调整两轴承之间的预紧力，预紧力控制为100N。

作为进一步优选的实施方式，所述方位轴6的一端为轴向固定式安装，另一端为轴向游动式安装，这样轴承可沿轴向自由游动，以补偿方位轴6的热胀冷缩，保证转动精度。

如图5和图6所示，所述U型架2的两个端部分别设置有轴孔，所述方位轴6的两端均通过两个角接触轴承13支承在轴孔中，两个角接触轴承13之间设置有内隔圈14和外隔圈15，两个角接触轴承13之间通过锁紧螺母锁紧。

具体的，如图5所示，所述方位轴6轴向固定式安装的一端的两个角接触轴承13的内圈之间、外圈之间分别通过螺接于方位轴6上的两个内锁紧螺母16、螺接于轴孔内壁的两个外锁紧螺母17锁紧，这样方位轴6在轴向不能发生移动。两个角接触轴承1为7005A角接触轴承，背靠背安装，为保证轴系回转精度，两轴承预紧安装，通过调整两轴承之间内、外隔圈厚度差控制轴承预紧力，预紧力大小控制为100N。

如图6所示，方位轴6轴向游动式安装的一端的两个角接触轴承13之间通过螺接在方位轴6上的两个锁紧螺母18锁紧，这样轴承和轴形成的整体可以在轴孔内部滑动。两个角接触轴承13为7005A角接触轴承，背靠背安装，为保证轴系回转精度，两轴承预紧安装，通过调整两轴承之间内外隔圈厚度差控制轴承预紧力，预紧力大小控制为100N。

本发明的控制系统是一个位置随动系统。控制系统主要控制直流无刷力矩电机进行精确旋转，并通过角度编码器实时测量转轴位置，并反馈至直流无刷力矩电机控制器，闭环控制驱动电机运转。具体方案采用电流环、速度环和位置环相结合的三环结构，系统设计为没有超调的系统。控制单元主要包括直流力矩电机（执行元件）、PWM功放（功率放大元件）、控制计算机（DSP）、光栅编码器（角度及角速度检测元件）、数字转换器（信号解调变换元件）等部分，控制流程见图7所示。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：包括基座(1)、U型架(2)、反射镜(3)，所述基座(1)上设置有转动轴线与基座(1)底面平行的俯仰轴(4)，所述俯仰轴(4)的一端连接有驱动其转动的俯仰电机(5)，俯仰轴(4)的另一端与所述U型架(2)的中部连接，所述U型架(2)的两个端部之间设置有转动轴线与俯仰轴(4)的转动轴线垂直相交的方位轴(6)，所述U型架(2)的一个端部设置有驱动所述方位轴(6)转动的方位电机(7)，所述方位轴(6)的中部固定安装所述反射镜(3)，所述方位轴(6)的转动轴线处于反射镜(3)的反射面所在平面中，所述反射镜(3)包括铝镜基体，铝镜基体的正面为反射面，加工前材料进行去应力时效处理，精加工前采用高低温稳定尺寸处理，低温为液氮温度，温度循环为2-3个，铝镜基体的背面为蜂窝状，所述反射镜(3)的光学技术指标如下：光学波段范围：400～2350nm；平均反射率：Rave≥85％；峰值反射率：Rp≥90％；光学表面PV值λ/10，RMS值λ/40@检测波长632.8nm；

所述基座(1)上设置有阶梯状轴孔，所述俯仰轴(4)的一段为设置于阶梯状轴孔中的锥形段，靠近锥形段大端的一段俯仰轴(4)与阶梯状轴孔之间设置有大轴承(9)，靠近锥形段小端的一段俯仰轴(4)与阶梯状轴孔之间设置有小轴承(10)，所述锥形段上套设有与大轴承(9)、小轴承(10)相对的一侧相抵接的锥套形隔圈(11)，所述大轴承(9)和小轴承(10)预紧安装，并通过修磨锥套形隔圈(11)的长度，调整两轴承之间的预紧力，预紧力控制为100N，所述俯仰轴(4)在大轴承(9)、小轴承(10)的另一侧分别设置有轴肩和锁紧螺母(12)。

2.根据权利要求1所述的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：所述U型架(2)的另一个端部设置有配重块(8)。

3.根据权利要求1所述的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：所述方位轴(6)为曲轴，所述反射镜(3)固定在曲轴的弯曲段上。

4.根据权利要求3所述的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：所述反射镜(3)整体为椭圆形，椭圆形的长轴与方位轴(6)的轴线平行。

5.根据权利要求4所述的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：所述反射镜(3)的背部通过螺钉与曲轴连接，反射镜(3)的两侧面通过粘结剂与曲轴粘结。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：所述U型架(2)的两个端部分别设置有轴孔，所述方位轴(6)的两端均通过两个角接触轴承(13)支承在轴孔中，两个角接触轴承(13)之间设置有内隔圈(14)和外隔圈(15)，两个角接触轴承(13)之间通过锁紧螺母锁紧。

7.根据权利要求6所述的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：所述方位轴(6)的一端为轴向固定式安装，另一端为轴向游动式安装。

8.根据权利要求7所述的双波段反射二维扫描搜索跟踪平台，其特征在于：所述方位轴(6)轴向固定式安装的一端的两个角接触轴承(13)的内圈之间、外圈之间分别通过螺接于方位轴(6)上的内锁紧螺母(16)、螺接于轴孔内壁的外锁紧螺母(17)锁紧，方位轴(6)轴向游动式安装的一端的两个角接触轴承(13)之间通过螺接在方位轴(6)上的锁紧螺母锁紧。

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