CN110794223A - 基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统，包括架设在试验室环境下的一套工业机器人设备，在机器人手臂前端安装带有微波吸收材料装置的标准测量探头，在标准测量探头前端固定一只激光测距仪装置，还包括一台主控系统，通过以太网络与微波信号源、数字信号控制中枢以及数字多通道雷达双向通讯。主控系统通过数字信号控制中枢统一控制工业机器人标校扫描平面运动轨迹，从而对数字多通道雷达天线进行标校。本发明还公开了一种基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校方法。本发明在用于数字多通道雷达天线测量标校时，无需铺设纵横精密导轨，有效地降低了施工复杂度与成本，具有自动化程度高、扫描速度快、场地适应性强等优点。

Description

基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统及方法

技术领域

本发明属于雷达天线测试技术领域。

背景技术

现代数字雷达要求具有数字化波束控制功能，以更好地对目标进行跟踪和探测。数字多通道雷达天线的标校主要包括通道幅相标校和波束指向标校，其标校过程通过外场实现时会存在环境干扰或者散射的影响。室内近场扫描测试由于其具备较好的电磁静区环境，在研制数字多通道雷达时越来越多地被关注。传统的基于纵横轨道的近场扫描架需要专门加工精度较高的平直导轨，再配合各部分的结构件的精密装配，才能达到天线近场测试的机械精度要求，导致在工程应用中施工周期长、成本较高。

美国NSI公司于2016年第二季度官方发布了一型基于工业机器人的天线近场测试系统设备，但其仅能用于常规的天线测试，无法直接应用于数字多通道雷达标校。当前国内关于基于工业机器人的雷达标校的文献较少，文献(林野，基于机器人的天线智能测试系统及测试方法，发明专利，申请号201610988890.0，申请公布号CN 106291134 A)公开了一种基于机器人的天线智能测试系统来进行近场测试，其实施方式为被测天线安装于工业机器人的手臂前端，扫描动作仍需由纵横轨道的扫描架完成，且这种安装方式受限于机器人的机械臂负载能力，仅适用于小型、轻型天线的测试场景，因此亦无法适用于较大质量的数字多通道雷达的标校，再次文中亦缺少其所阐述实现有源阵列天线测试的有效控制方法。文献(胡洲，王志胜等，两自由度天线测试机器人，发明专利，申请号201110317783.2，授权公告号CN 103066388 A)公开了一种两自由度天线测试机器人，其实施方式为在远场条件下，带动待测天线转动，完成远场测试，此方式亦只适用于小型天线的远场测试，亦不适用于多通道雷达在近场条件下的标校。文献(罗林，黄文涛等，一种数字阵列雷达天线的近场测试设备及其测试方法，申请号201410576882.6)公开了一种数字阵列雷达天线的近场测试设备，此设备仅实现数字天线与近场测试系统的信号交互和通讯，须依赖于传统的近场扫描架系统，无法与机器人这样的扫描设备进行直接交互。

发明内容

本发明应用于数字多通道雷达天线合成波束指向角的测量和标校。在不铺设精密扫描轨道的试验室环境下，提供一种自动化程度高、扫描速度快、场地适应性强的基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统，实现对数字多通道雷达天线的近场标校。具体的方案如下：

一种基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统，包括架设在试验室环境下的一套工业机器人设备，在机器人手臂前端安装带有微波吸收材料固定装置的标准测量探头，标准测量探头开口正对多通道雷达天线基准面；在标准测量探头前端固定一只激光测距仪装置；还包括一台主控系统，通过以太网络与微波信号源、数字信号控制中枢、数字多通达雷达设备双向通讯；主控系统通过数字信号控制中枢完成工业机器人标校扫描平面轨迹控制，并通过以太网络读取机器人手臂前端实时空间坐标；所述数字信号控制中枢通过光模块接口接收数字多通达雷达的数字化测量信号，再通过RJ45网络接口电路发送至主控系统。

所述工业机器人设备包括机器人手臂本体以及机器人控制柜。

所述工业机器人设备、激光测距仪、标准测量探头、微波信号源为现有设备，具体构造在此不再赘述。

所述微波信号源与所述标准测量探头通过射频电缆连接。

所述激光测距仪通过专用信号电缆连接至机器人控制柜。

所述数字信号控制中枢由数字IO轨迹编码电路、光模块接口、RJ45网络接口电路、FPGA控制器以及正交信号转换电路组成；数字IO轨迹编码电路的输入端与主控系统相连，数字IO轨迹编码电路的输出端与工业机器人控制柜相连；光模块接口与数字多通道雷达内的光模块双向通讯；RJ45网络接口电路与主控系统的网口双向通讯；FPGA控制器分别与光模块接口、RJ45网络接口电路双向通讯；正交信号转换电路的输入端与机器人设备的正交信号输出口相连，正交信号转换电路的输出端与数字多通道雷达相连。

所述工业机器人手臂本体下方增设固定基座，同时在多通道雷达天线下方增设固定基座，以减少天线近区辐射场的地面反射影响，达到测量电磁静区要求。

本发明还提供了一种基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校方法，该方法包括下列步骤：

(1)工业机器人与数字多通道雷达天线的架设布局确定

首先在专用机器人测量软件中，测量获取机器人最大运动范围包络体，并编写机器人仿真运动程序确定机器人的最佳标校扫描平面。再根据垂直于最佳运动扫描平面且远离机器人手臂前端方向，取一定距离处，确定为架设数字多通道雷达天线中心点的空间位置。最后根据扫描平面的离地高度，计算出工业机器人手臂本体下方所需增设的固定基座的高度以及数字多通道雷达下方所需增设的固定基座的高度，从而完成整个系统的架设安装。

(2)工业机器人轨迹管理程序设计

在工业机器人控制柜的操作终端内编写轨迹管理程序，并按照标校扫描轨迹类型进行编码：

(2-1)扫描坐标系寻址程序

程序首先设定初始定位并控制激光测距仪测距头上电，发射激光束时使之能够照射至雷达天线基准平面范围内；再控制机器人手臂带动激光测距仪缓慢运动，并连续采集激光测距头到雷达天线基准平面的距离测量值，直至距离参数值产生突变奇异点，即表示已到达雷达天线基准平面的边界；根据上述获取的四个雷达天线基准平面边界，计算机器人标校扫描坐标系中心坐标精确值，最后根据已录入程序的空间水平栅格间距参数建立标校扫描平面的空间坐标列表。

(2-2)轨迹步进使能程序

程序获取机器人手臂当前空间坐标，并根据上述的标校扫描平面的空间位置坐标列表，控制机器人手臂步进至下一条轨迹起始点。

(2-3)线扫描同步触发运动程序

程序控制机器人手臂以当前空间位置为轨迹起始点，并根据上述的标校扫描平面的空间位置坐标列表，控制机器人手臂运动至轨迹终止点，并在此过程中控制工业机器人按照上述栅格间距同步输出定位正交信号。

(2-4)轨迹初始化程序

程序控制机器人手臂从系统上电的初始化位置运动至标校扫描平面起点。

(3)机器人标校扫描坐标系的建立

本步骤须在数字多通道雷达初次安装到标校系统场地，并在标校扫描前进行。

标准测量探头通过转接支架固定至工业机器人手臂前端法兰；激光测距仪通过专用夹具固定于标准测量探头端口，主控系统通过数字信号控制中枢启动调用机器人坐标系寻址程序，运行所述机器人坐标系寻址程序，确立标校扫描坐标系。

(4)标校扫描流程

(4-1)标校开始，主控系统通过数字信号控制中枢的数字IO轨迹编码电路发送轨迹初始化程序编码到工业机器人控制柜，启动调用轨迹初始化程序，工业机器人手臂带动标准测量探头到达标校扫描起点；

(4-2)主控系统通过数字信号控制中枢的数字IO轨迹编码电路发送线扫描同步触发运动程序编码到工业机器人控制柜，工业机器人手臂带动标准测量探头沿标校扫描平面的空间栅格点形成的直线轨迹由直线起始点作直线运动至直线终止点连续运动，运动过程中按照等间隔的栅格采样点同步输出定位正交信号，并传送至数字信号控制中枢中的正交信号转换电路，正交信号转换电路将定位正交信号解码转换成雷达数据采集触发信号并传输到数字多通道雷达，数字多通道雷达接收采集触发信号开始采集来自标准测量探头的空间微波辐射信号的数字化信息，通过光模块接口实时传输至数字信号控制中枢中的FPGA控制器，FPGA控制器将雷达数字化信息数据转换为网络数据包通过数字信号控制中枢中的RJ45网络接口电路发送至主控系统；

(4-3)进一步，主控系统再通过数字信号控制中枢的数字IO轨迹编码电路发送轨迹步进使能程序和线扫描同步触发运动程序编码到工业机器人控制柜，控制机器人扫描下一条标校扫描平面中的直线轨迹，循环反复，直至所有直线轨迹将标校扫描平面的所有空间位置全部覆盖；

(5)主控系统自动处理上述方式采集到的所有雷达数字化信息得到雷达天线校准数据，再通过以太网络上传校准数据结果至数字化多通道雷达。

本发明与现有其他测试技术相比，其有益效果是：

①高集成度。本发明中的工业机器人手臂完全胜任雷达天线近区标校运动轨迹形式，无需铺设精密的轨道装置，施工简单，节省大量费用和时间成本。

②高效性。本发明中的工业机器人手臂在可达区域内可作最短路径规划，且机器人电控响应速度快，大大提高了测量速度。

③精确性。本发明通过工业机器人输出定位正交信号实时转换为雷达数据采集触发，实时控制雷达采集数据，可保证标校平面内采样位置的动态定位误差。

④创新性。本发明实现了以工业机器人作为雷达天线标校扫描的唯一运动机构，并受主控系统的控制支配，且可应用于数字多通道雷达天线的标校测量，具有较强的创新示范效应。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是工业机器人手臂本体与数字多通道雷达天线的布局示意图。

图2是基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统的控制原理框图。

图3是工业机器人手臂本体、固定基座、安装带有微波吸收材料固定装置的标准测量探头以及激光测距仪的整体结构示意图。

图4是在标准测量探头上的微波吸收材料固定装置及激光测距仪固定装置的结构示意图。

图中：1-机器人手臂；2-标准测量探头；3-激光测距仪装置；4-数字多通道雷达；5-

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明做进一步的描述。

本发明一实施例为如图1至图4所示，基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统，包括架设在试验室环境下的一套工业机器人设备，在机器人手臂1前端安装带有微波吸收材料固定装置的标准测量探头2，在标准测量探头2前端固定一只激光测距仪装置3；标准测量探头2开口正对数字多通道雷达4天线基准面；还包括一台主控系统13，通过以太网络与微波信号源12、数字信号控制中枢8、数字多通达雷达4设备双向通讯。主控系统13通过数字信号控制中枢8完成工业机器人标校扫描平面5轨迹控制，并通过以太网络读取机器人手臂1前端实时空间坐标；所述数字信号控制中枢8通过光模块接口84接收数字多通达雷达4的数字化测量信号，再通过RJ45网络接口电路82发送至所述主控系统13。

所述微波信号源12与所述标准测量探头2通过射频电缆连接。

所述激光测距仪3通过专用信号电缆连接至工业机器人控制柜9。

所述数字信号控制中枢8由数字IO轨迹编码电路85、光模块接口84、RJ45网络接口电路82、FPGA控制器83以及正交信号转换电路81组成；数字IO轨迹编码电路85的输入端与主控系统13相连，数字IO轨迹编码电路85的输出端与工业机器人控制柜9相连；光模块接口84与数字多通道雷达4内的光模块双向通讯；RJ45网络接口电路82与主控系统13的网口双向通讯；FPGA控制器83分别与光模块接口84、RJ45网络接口电路82双向通讯；正交信号转换电路81的输入端与工业机器人控制柜9的正交信号输出口相连，正交信号转换电路81的输出端与数字多通道雷达4相连；

所述机器人手臂1本体下方增设固定基座6，同时在数字多通道雷达4下方增设固定基座7，以减少雷达近区辐射场的地面反射影响，达到测量电磁静区要求。

首先在专用机器人测量软件中，测量获取机器人最大运动范围包络体，编写机器人仿真运动程序确定机器人的最佳标校扫描平面。再根据垂直于最佳运动扫描平面且远离机器人手臂前端方向，取微波信号波长的10倍距离处，确定为架设数字多通道雷达天线中心点的空间位置。本实施例将标校扫描平面5的下边缘离地高度设计为1米，依据机器人模型仿真结合雷达天线基准面中心高度，得出工业机器人手臂本体下方所需增设的固定基座的高度为1.4米，数字多通道雷达下方所需增设的固定基座的高度为0.75米，从而确定整个标校系统的现场布局设计。其次对工业机器人进行轨迹管理程序设计，将程序进行编码保存在工业机器人控制柜9内部存储器中。轨迹管理程序包括：(编码001)扫描坐标系寻址程序，设定初始定位并控制激光测距仪测距头上电，发射激光束时使之能够照射至雷达天线基准平面范围内，再控制机器人手臂带动激光测距仪缓慢运动，并连续采集激光测距头到雷达天线基准平面的距离测量值，直至距离参数值产生突变奇异点，即表示已到达雷达天线基准平面的边界；根据上述获取的四个雷达天线基准平面边界，计算机器人标校扫描坐标系中心坐标精确值，最后根据已录入程序的空间水平栅格间距参数建立标校扫描平面的空间坐标列表；(编码002)轨迹步进使能程序，获取机器人手臂当前空间坐标，并根据上述的标校扫描平面的空间位置坐标列表，控制机器人手臂步进至下一条轨迹起始点；(编码0021)轨迹重扫程序，即重新执行当前扫描线；(编码003)线扫描同步触发运动程序，控制机器人手臂以当前空间位置为轨迹起始点，并根据上述的标校扫描平面的空间位置坐标列表，控制机器人手臂运动至轨迹终止点，并在此过程中控制工业机器人按照上述栅格间距同步输出定位正交信号。(编码004)轨迹初始化程序，控制机器人手臂从系统上电的初始化位置运动至标校扫描平面起点。

在数字多通道雷达初次安装到标校系统场地并进行标校扫描前，须对机器人标校扫描坐标系的建立。方法为：主控系统13通过数字IO轨迹编码电路85发送编码“001”至工业机器人控制柜9，运行所述坐标系寻址程序，确立标校扫描坐标系。

最后，开始标校扫描，主控系统对标校系统的各个设备进行统一运行控制，其运行流程为：

标校开始，主控系统13通过数字IO轨迹编码电路85发送编码“004”到工业机器人控制柜9，运行所述轨迹初始化程序，工业机器人手臂1带动标准测量探头2到达标校扫描面5起点；主控系统13通过数字IO轨迹编码电路85发送编码“003”到工业机器人控制柜9，运行所述线扫描同步触发运动程序，工业机器人手臂1带动标准测量探头2沿标校扫描平面的空间栅格点形成的直线轨迹由直线起始点作直线运动至直线终止点连续运动，运动过程中按照等间隔的栅格采样点同步输出定位正交信号，并传送至正交信号转换电路81，正交信号转换电路81实时地将定位正交信号解码转换成雷达数据采集触发信号并传输到数字多通道雷达4，数字多通道雷达4接收采集触发信号开始采集来自标准测量探头2的空间微波辐射信号的数字化信息，通过光模块接口84实时传输至数字信号控制中枢中的FPGA控制器83，FPGA控制器83将雷达数字化信息数据处理转换为网络数据包通过RJ45网络接口电路82发送至主控系统13；

进一步，主控系统13再通过数字IO轨迹编码电路85发送编码“002”和“003”到工业机器人控制柜9，依次运行所述轨迹步进使能程序和所述线扫描同步触发运动程序，控制机器人手臂1扫描下一条标校扫描平面中的直线轨迹，循环反复，直至所有直线轨迹将标校扫描平面5的所有空间位置全部覆盖；

主控系统13通过以太网络直接读取工业机器人控制柜的位置坐标信息，判断标校扫描过程中的点位遍历情况，若点数不符，则通过数字IO轨迹编码电路85发送编码“0021”再次执行当前扫描轨迹线；

主控系统13再自动处理上述方式采集到的所有雷达数字化信息得到雷达天线校准数据，再通过以太网络上传校准数据结果至数字化多通道雷达4。

Claims (3)

1.基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统，其特征在于：包括架设在试验室环境下的一套工业机器人设备，在机器人手臂前端安装带有微波吸收材料固定装置的标准测量探头，标准测量探头开口正对多通道雷达天线基准面，在标准测量探头前端固定一只激光测距仪装置；还包括一台主控系统，通过以太网络与微波信号源、数字信号控制中枢、数字多通道雷达设备双向通讯，主控系统通过数字信号控制中枢完成工业机器人标校扫描平面轨迹控制，并通过以太网络读取机器人手臂前端实时空间坐标；所述数字信号控制中枢通过光模块接口接收数字多通道雷达的数字化测量信号，再通过RJ45网络接口电路发送至主控系统；所述微波信号源与所述标准测量探头通过射频电缆连接；激光测距仪通过专用信号电缆连接至机器人控制柜；所述工业机器人手臂本体下方增设固定基座，同时在待测雷达天线下方增设固定基座。

2.根据权利要求1所述的基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校系统，其特征在于：所述数字信号控制中枢包括数字IO轨迹编码电路、光模块接口、RJ45网络接口电路、FPGA控制器以及正交信号转换电路；其中数字IO轨迹编码电路的输入端与主控系统相连，数字IO轨迹编码电路的输出端与工业机器人控制柜相连；光模块接口与数字多通道雷达内的光模块双向通讯；RJ45网络接口电路与主控系统的网口双向通讯；FPGA控制器分别与光模块接口、RJ45网络接口电路双向通讯；正交信号转换电路的输入端与机器人设备的正交信号输出口相连，正交信号转换电路的输出端与数字多通道雷达相连。

3.基于工业机器人的数字多通道雷达天线标校方法，其特征在于：

(1)首先在专用机器人测量软件中，测量获取工业机器人最大运动范围包络体，并编写机器人仿真运动程序确定机器人的最佳标校扫描平面；再根据垂直于最佳运动扫描平面且远离机器人手臂前端方向，取一定距离处，确定为架设数字多通道雷达天线中心点的空间位置；最后根据扫描平面的离地高度，计算出工业机器人手臂本体下方所需增设的固定基座的高度以及数字多通道雷达下方所需增设的固定基座的高度，从而完成整个系统的布局安装；

(2)在工业机器人控制柜的操作终端内编写轨迹管理程序程序，并按照扫描轨迹类型进行编码：

(2-1)扫描坐标系寻址程序，所述扫描坐标系寻址程序首先设定初始定位并控制激光测距仪测距头上电，发射激光束时使之能够照射至雷达天线基准平面范围内；再控制机器人手臂带动激光测距仪缓慢运动，并连续采集激光测距头到雷达天线基准平面的距离测量值，直至距离参数值产生突变奇异点，即表示已到达雷达天线基准平面的边界；根据上述获取的四个雷达天线基准平面边界，计算机器人标校扫描坐标系中心坐标精确值，最后根据已录入程序的空间水平栅格间距参数建立标校扫描平面的空间坐标列表；

(2-2)轨迹步进使能程序，所述轨迹步进使能程序获取机器人手臂当前空间坐标，并根据上述的标校扫描平面的空间位置坐标列表，控制机器人手臂步进至下一条轨迹起始点；

(2-3)线扫描同步触发运动程序，所述线扫描同步触发运动程序控制机器人手臂以当前空间位置为轨迹起始点，并根据所述标校扫描平面的空间位置坐标列表，控制机器人手臂运动至轨迹终止点，并在此过程中控制工业机器人按照上述栅格间距同步输出定位正交信号；

(2-4)轨迹初始化程序，所述轨迹初始化程序控制机器人手臂从系统上电的初始化位置运动至标校扫描平面起点；

(3)机器人标校扫描坐标系的建立：

本步骤须在数字多通道雷达初次安装到标校系统场地，并在标校扫描前进行；

标准测量探头通过转接支架固定至工业机器人手臂前端法兰；激光测距仪通过专用夹具固定于标准测量探头端口，主控系统通过数字信号控制中枢启动调用机器人坐标系寻址程序，运行所述机器人坐标系寻址程序，确立标校扫描坐标系；

(4)标校扫描流程：

(4-1)标校开始，主控系统通过数字信号控制中枢的数字IO轨迹编码电路发送轨迹初始化程序编码到工业机器人控制柜，启动调用轨迹初始化程序，工业机器人手臂带动标准测量探头到达标校扫描起点；

(4-2)主控系统通过数字信号控制中枢的数字IO轨迹编码电路发送线扫描同步触发运动程序编码到工业机器人控制柜，工业机器人手臂带动标准测量探头沿标校扫描平面的空间栅格点形成的直线轨迹由直线起始点作直线运动至直线终止点连续运动，运动过程中按照等间隔的栅格采样点同步输出定位正交信号，并传送至数字信号控制中枢中的正交信号转换电路，正交信号转换电路将定位正交信号解码转换成雷达数据采集触发信号并传输到数字多通道雷达，数字多通道雷达接收采集触发信号开始采集来自标准测量探头的空间微波辐射信号的数字化信息，通过光模块接口实时传输至数字信号控制中枢中的FPGA控制器，FPGA控制器将雷达数字化信息数据处理转换为网络数据包通过数字信号控制中枢中的RJ45网络接口电路发送至主控系统；

(4-3)主控系统再通过数字信号控制中枢的数字IO轨迹编码电路发送轨迹步进使能程序和线扫描同步触发运动程序编码到工业机器人控制柜，控制机器人扫描下一条标校扫描平面中的直线轨迹，循环反复，直至所有直线轨迹将标校扫描平面的所有空间位置全部覆盖；

(5)主控系统自动处理上述方式采集到的所有雷达数字化信息得到雷达天线校准数据，再通过以太网络上传校准数据结果至数字化多通道雷达。

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