CN111596159B - 一种基于六轴机械臂的电子系统emi检测与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法，在辐射点源正前方高度H处布置固定天线，并根据辐射点源与固定天线的位置构建固定天线‑辐射点源空间坐标系、采样面，并在采样面上划分M×N点阵作为预设采样点；使用六轴机械臂移动检测天线定位在预设采样点，通过矢量网络分析仪分别检测记录预设采样点上的电磁辐射强度和与固定天线之间的相位差，遍历所有预设采样点，计算受测电子系统3/5m处电磁辐射强度；基于近场EMI分布算法将采样面内扫描到的所有采样点的位置坐标和该点上的电场参数进行综合运算，最终推导出被测电子系统所在的待测平面内的电磁场分布。具有部署快速，运行机制与算法可灵活迭代，正向兼容5G及太赫兹频段的优点。

Description

一种基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法

技术领域

本发明属于电磁兼容技术领域，具体涉及一种基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法。

背景技术

随着现在市面上的电子电路系统往复杂化高速化方向发展，伴随而来的电磁干扰(EMI、Electromagnetic Interference)问题也逐渐引起业界的重视，目前电子行业所使用的微波暗室测量方法存在使用效率较低的问题。且在5G浪潮下，大流量、高带宽的通信或处理设备大量涌现，对设备信号完整性与EMI可靠性要求与日俱增。在这一背景下，相关企业和研发机构在对产品进行设计时，迫切希望能对其产品的电磁干扰特征进行全面把控，包括获得产品的高精度EMI辐射分布，以及定位其强辐射模块或区域等。目前行业使用的EMI检测方法只能检测3/5m电磁辐射强度，并不能进一步检测产品的EMI辐射瓣图、近场分布等信息。另一方面，目前的EMI检测标准在兼容5G及太赫兹频段方面存在技术瓶颈，并未对该频段下的电子产品做好准备。基于以上背景，需要在传统的3/5m微波暗室检测法的基础上开发新的检测机制与技术方案，带动电磁兼容检测领域的升级。

发明内容

本发明提供了一种基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法，解决现有微波暗室检测方法存在的使用效率低、无法反演电子系统EMI辐射分布、无法满足5G及太赫兹频段兼容等问题。

本发明提供了一种基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法，所述方法为：在辐射点源正前方高度H处布置固定天线，并根据辐射点源与固定天线的位置构建固定天线-辐射点源空间坐标系，以所述固定天线-辐射点源空间坐标系构建采样面，并在采样面上划分M×N点阵作为预设采样点；使用搭载于可移动平台的六轴机械臂移动检测天线定位在预设采样点，通过矢量网络分析仪分别检测记录预设采样点上的电磁辐射强度和与固定天线之间的相位差，遍历所有预设采样点，计算受测电子系统3/5m处电磁辐射强度；基于近场EMI分布算法将采样面内扫描到的所有采样点的位置坐标和该点上的电场参数进行综合运算，最终推导出被测电子系统待测平面的电磁场分布。

进一步的，所述采样面的形状可以是球面或柱面或平面，采样面正交放置在固定天线-辐射点源空间坐标系。

进一步的，使用搭载于可移动平台的六轴机械臂移动天线定位在预设采样点的方法为：给六轴机械臂的可移动平台建立可移动平台空间坐标系进行粗定位，获得可移动平台坐标M(x_m,y_m),预设采样点S(x_s,y_s,z_s)以及可移动平台坐标系(X_m,Y_m,Z_m)与固定天线-辐射点源坐标系(X,Y,Z)间的转角β，根据转角β将预设采样点S(x_s,y_s,z_s)变换到可移动平台空间坐标系中S_m(x_sm,y_sm,z_sm)，然后计算出六轴机械臂的运动学方程T：

其中n,o,a三个向量分别表示六轴机械臂末端坐标系的3个坐标轴上的单位向量投影到可移动平台坐标M(x_m,y_m)的方向余弦；p向量则表示六轴机械臂末端坐标系原点在可移动平台坐标系的坐标，即S_m，根据以上设定，求解六轴机械臂的逆运动学求解，即六轴机械臂六个关节转角θ₁～θ₆。

进一步的，为了反演计算受测电子系统3/5m处电磁辐射强度，首先计算辐射点源的瞬时功率，计算公式如公式(1)所示,

式中，

与

分别表示空间中坡印廷矢量通过的某平面上的电场和磁场分布，Ex与Ey是检测天线在X,Y极化方向上的所测到的电磁波强度分布，η是空气的平面波阻抗，η＝377Ω；

然后，将受测电子系统与3/5m标准检测距离的间距记为d,通过计算该距离d下的自由空间衰减即可获得3/5m场内的电磁辐射强度，计算公式如公式(2)、(3)所示：

E＝120+20LogEr (3)

式中，Er的单位是V/m，E的单位是电磁辐射强度，单位dBμV/m。

进一步的，通过所述近场EMI分布算法反演待测设备表面电磁辐射强度分布的具体计算过程为：首先，获得采样面各预设采样点处的电场复振幅E(x,y,z),如公式(4)所示：

式中，A为预设采样点处电场复振幅的模，k_x,k_y,k_z为EMI传输坡印廷矢量在空间中x、y、z方向上的分量；

然后，对采样面电场分布进行平面卷积并取空间傅里叶变换，即可获得所测辐射点源在采样平面范围内的空间频率谱f(k_x,k_y,k_z)，如公式(5)所示，

最后，在获得空间频谱的基础上，根据辐射点源在Y轴的辐射距离R对空间频谱进行相位变换，通过算子

将采样面的原始EMI电磁波相位分布反演到辐射点位，然后使用逆傅里叶变换获得初始点位的电场分布，即受测设备表面的EMI辐射强度分布，如公式(6)所示，

本发明的有益效果：

采用本发明的这种电子系统EMI检测与定位方法，可以在两方面提高目前电子系统EMI检测的性能与效率，第一层面：在保证传统3/5m暗室检测功能的基础上，具有在受测电子系统球面空间内空间踩点的能力，计算受测电子系统在空间范围内EMI球面波/准球面波的幅值分布与相位分布，实现了对受测电子系统表面EMI辐射强度分布的反演、成像，这可以直接指导开发企业或研发者对设备EMI性能开展优化与整改；另一方面，该检测与定位方法的分辨率会随着受测电子设备EMI的升高而升高，天然具有向上兼容5G频段及太赫兹频段EMI检测的能力；该检测与定位方法还可以通过软件灵活设定检测天线的布设位置、采样方式和孔径，自由切换不同的采样面与点阵，满足不同行业或装备检测的需求，具有更广的应用范围；检测与定位过程高效、快速，且系统易于部署，满足大型企业长产品线、多批次密集检测的要求。

附图说明

图1为本发明基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法原理图；

图2为本发明计算六轴机械臂六个关节转角角度的原理图；

图3为本发明六轴机械臂的六轴模型图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。

实施例

参照图1-3，本实施例为了满足高效扫描与灵活扫描的要求，采用Puma560六轴机械手作为检测天线的载体，通过车-手协同操作的位置操作使检测天线可以在预设采样点采集受测电子系统的EMI空间辐射幅值以及与固定天线间的相位差，进而通过对相位谱和幅值谱的计算获得受测电子系统的3/5m EMI辐射强度值以及受测电子系统的近场辐射分布，具体方法为：

如图1所示，在辐射点源(指代受测电子系统)正前方高度H处布置固定天线，并根据辐射点源与固定天线的位置构建固定天线-辐射点源空间坐标系(X,Y,Z)，以所述固定天线-辐射点源空间坐标系(X,Y,Z)构建采样面，本实施例构建的采样面为球面波传导面，其构建依据是球面相对于辐射点源的球半径长度R满足菲涅尔衍射距离设定

D表示的是辐射电源的尺寸。在采样面上划分M×N点阵作为预设采样点，所述M与N的范围是由扫描平面尺度与采样点间距决定的，从工程角度分析，采样面上的预设采样点是按照矩阵形状均匀分布的，相邻预设采样点之间距离一般选择50～100mm，扫描平面的尺度主要是由机械手的可达单位决定的，一般为一个2～2.5m的矩形；使用搭载于可移动平台的六轴机械臂移动检测天线定位在预设采样点，通过矢量网络分析仪分别检测记录预设采样点上的电磁辐射强度和与固定天线之间的相位差，遍历所有预设采样点，计算受测电子系统3/5m处电磁辐射强度；最后基于近场EMI分布算法将采样面内扫到的所有采样点的位置坐标和该点上的电场参数进行综合运算，最终推导出被测电子系统待测平面的电磁场分布。

特别需要指出的是，本实施例的采样面是根据微波电源的辐射特性在其菲涅尔衍射区构建的，采样面的形状可以选择球面、柱面或平面，采样面正交放置在固定天线-辐射点源空间坐标系，并且根据M×N点阵进行网格拆分，通过以上操作，生成所有采样点的空间坐标S(x_s,y_s,z_s)供六轴机械臂操作检测天线进行定位与采样。

本实施例将六轴机械臂放在可移动平台上完成对采样面上预设采样点的遍历。首先，给六轴机械臂的可移动平台建立可移动平台空间坐标系进行粗定位，获得可移动平台坐标M(x_m,y_m),预设采样点S(x_s,y_s,z_s)以及可移动平台坐标系(X_m,Y_m,Z_m)与固定天线-辐射点源坐标系(X,Y,Z)间的转角β，然后根据转角β将预设采样点S(x_s,y_s,z_s)变换到可移动平台空间坐标系中S_m(x_sm,y_sm,z_sm)，计算出六轴机械臂的运动学方程T：

其中n,o,a三个向量分别表示六轴机械臂末端坐标系的3个坐标轴上的单位向量投影到可移动平台坐标M(x_m,y_m)的方向余弦；p向量则表示六轴机械臂末端坐标系原点在可移动平台坐标系的坐标，即S_m，根据以上设定，最终求解六轴机械臂的逆运动学求解，即六轴机械臂六个关节转角θ₁～θ₆，从而实现机械臂末端的抓持。

本实施例选用的建模基准是Puma560类机械手，关节1,3,5是关节扭角，关节2,4,6是关节转角，每个关节部位建立一个坐标系，采用连杆偏移d、连杆扭转角α、连杆长度a、关节角θ共4组参数来表述相邻两个关节坐标系的关系，如表1所示，其中前三列参数是六轴机械臂的固有参数，关节角θ则代表了机械臂上关节的实际转角，决定了其抓持器最终所处的空间位置。

表1.机械手DH参数表

θ₁～θ₆的求解如以下公式顺序求解：

m＝a₂+a₃c₃+d₄s₃s_p2

n＝a₃s₃-d₄c₃s_p2

其中，s_n＝sinθ_n，

c_n＝cosθ_n，

n的取值为1、2、3、4、5、6。

在求解六轴机械臂运动逆解的过程中，多解情况是不可避免的。这需要根据Puma560模型下的具体机械臂型号对多解进行筛选，通常尽量选择机械臂腕部反转相对简单的解，从而保证天线姿态的稳定。

在六轴机械臂操作检测天线移动到各预设采样点的基础上，本实施例通过矢量网络分析仪分别检测记录预设采样点上的电磁辐射强度和与固定天线之间的相位差，从而计算采样面处的电磁波强度。

本实施例通过将时变电磁场坡印廷矢量通过截面积的电磁场强度做面积分获得辐射点源瞬时功率，计算公式如公式(1)所示,

式中，

与

分别表示空间中坡印廷矢量通过的某平面上的电场和磁场分布，Ex与Ey是检测天线在X,Y极化方向上的所测到的电磁波强度分布，η是空气的平面波阻抗，η＝377Ω。

为了反演计算受测电子系统3/5m处电磁辐射强度，将受测电子系统的扫描面与3/5m标准检测距离的间距记为d,通过计算该距离d下的自由空间衰减即可获得3/5m场内的电磁辐射强度，计算公式如公式(2)、(3)所示：

E＝120+20LogEr (3)

式中，Er的单位是V/m，E的单位是电磁辐射强度，单位dB uV/m。

为了能通过扫描采样面有效反演待测平面，需要对获得的衍射图谱进行再次聚焦和反演。鉴于微波波段内的透镜聚焦缺乏对应的硬件手段，因此这部分操作主要是通过在算法层面处理f(k_x,k_y,k_z)实现的。

通过所述近场EMI分布算法反演待测电子系统表面电磁辐射强度分布的具体计算过程为：首先，获得采样面各预设采样点处的电场复振幅E(x,y,z),如公式(4)所示：

式中，A为预设采样点处电场复振幅的模，k_x,k_y,k_z为EMI传输坡印廷矢量在空间中x、y、z方向上的分量；

然后，对采样面电场分布进行平面卷积并取空间傅里叶变换，即可获得所测辐射点源在采样平面范围内的空间频率谱f(k_x,k_y,k_z)，如公式(5)所示，

最后，在获得空间频谱的基础上，根据辐射点源在Y轴的辐射距离R对空间频谱进行相位变换，通过算子

将采样面的原始EMI电磁波相位分布反演到辐射点位，然后使用逆傅里叶变换获得初始点位的电场分布，即受测设备表面的EMI辐射强度分布，如公式(6)所示，

通过六轴机械臂对待测电子系统的EMI辐射分布进行全自由度、任意口径与去采样面的采集与反演成像，与目前的微波暗室相比具有部署快速，运行机制与算法可灵活迭代，正向兼容5G及太赫兹频段的优点。

Claims (3)

1.一种基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法，其特征在于，所述方法为：在辐射点源正前方高度H处布置固定天线，并根据辐射点源与固定天线的位置构建固定天线-辐射点源空间坐标系，以所述固定天线-辐射点源空间坐标系构建采样面，并在采样面上划分M×N点阵作为预设采样点；使用搭载于可移动平台的六轴机械臂移动检测天线定位在预设采样点，通过矢量网络分析仪分别检测记录预设采样点上的电磁辐射强度和与固定天线之间的相位差，遍历所有预设采样点，计算受测电子系统3/5m处电磁辐射强度；基于近场EMI分布算法将采样面内扫描到的所有采样点的位置坐标和该点上的电场参数进行综合运算，最终推导出被测电子系统待测平面的电磁场分布；

使用搭载于可移动平台的六轴机械臂移动天线定位在预设采样点的方法为：给六轴机械臂的可移动平台建立可移动平台空间坐标系进行粗定位，获得可移动平台坐标M(x_m,y_m),预设采样点S(x_s,y_s,z_s)以及可移动平台坐标系(X_m,Y_m,Z_m)与固定天线-辐射点源坐标系(X,Y,Z)间的转角β，根据转角β将预设采样点S(x_s,y_s,z_s)变换到可移动平台空间坐标系中S_m(x_sm,y_sm,z_sm)，然后计算出六轴机械臂的运动学方程T：

其中n,o,a三个向量分别表示六轴机械臂末端坐标系的3个坐标轴上的单位向量投影到可移动平台坐标M(x_m,y_m)的方向余弦；p向量则表示六轴机械臂末端坐标系原点在可移动平台坐标系的坐标，即S_m，根据以上设定，求解六轴机械臂的逆运动学求解，即六轴机械臂六个关节转角θ₁～θ₆；

为了反演计算受测电子系统3/5m处电磁辐射强度，首先计算辐射点源的瞬时功率，计算公式如公式(1)所示,

式中，

与

分别表示空间中坡印廷矢量通过的某平面上的电场和磁场分布，Ex与Ey是检测天线在X,Y极化方向上的所测到的电磁波强度分布，η是空气的平面波阻抗，η＝377Ω；

然后，将受测电子系统与3/5m标准检测距离的间距记为d,通过计算该距离d下的自由空间衰减即可获得3/5m场内的电磁辐射强度，计算公式如公式(2)、(3)所示：

E＝120+20LogEr (3)

式中，Er的单位是V/m，E的单位是电磁辐射强度，单位dBμV/m。

2.根据权利要求1所述的基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法，其特征在于：所述采样面的形状可以是球面或柱面或平面，采样面正交放置在固定天线-辐射点源空间坐标系。

3.根据权利要求1所述的基于六轴机械臂的电子系统EMI检测与定位方法，其特征在于：通过所述近场EMI分布算法反演待测设备表面电磁辐射强度分布的具体计算过程为：首先，获得采样面各预设采样点处的电场复振幅E(x,y,z),如公式(4)所示：

式中，A为预设采样点处电场复振幅的模，k_x,k_y,k_z为EMI传输坡印廷矢量在空间中x、y、z方向上的分量；

然后，对采样面电场分布进行平面卷积并取空间傅里叶变换，即可获得所测辐射点源在采样平面范围内的空间频率谱f(k_x,k_y,k_z)，如公式(5)所示，

最后，在获得空间频谱的基础上，根据辐射点源在Y轴的辐射距离R对空间频谱进行相位变换，通过算子

将采样面的原始EMI电磁波相位分布反演到辐射点位，然后使用逆傅里叶变换获得初始点位的电场分布，即受测设备表面的EMI辐射强度分布，如公式(6)所示，

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