CN112379343A - 一种雷达目标模拟器运动平台设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达目标模拟器运动平台设备及控制方法。该设备包括一台遥控装置和多个摇臂站，其中每个摇臂站包括一台本控装置和一个摇臂本体。控制方法为：首先遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，并实时发送给本控设备，作为5轴电机的引导信号；本控设备收到引导信号后，根据5轴运动的实际位置进行相应控制算法解算，并分别发送给摇臂本体上5轴电机；最后摇臂本体上5轴电机根据控制指令执行运动，使安放在摇臂本体上的雷达目标模拟器天线的法线方向在模拟飞行器运动的同时始终指向测试雷达。本发明具有成本低、工作范围广泛、使用灵活方便、准确性高的优点。

Description

一种雷达目标模拟器运动平台设备及其控制方法

技术领域

本发明属于雷达仿真环境模拟控制技术领域，特别是一种雷达目标模拟器运动平台设备及控制方法。

背景技术

随着雷达技术的发展和雷达仿真实验要求的不断提高，需要在暗室内场条件下或者外场条件下实现雷达运动目标的模拟。根据新的需求，为了实现从雷达角度看到在方位和俯仰上能运动的运动目标，通常采用移动信号源的方法。按照这样的模拟原理，传统采用喇叭阵列、矩形扫描架等实现方案来实现信号源运动的模拟。传统方法造价昂贵，往往需要上千万元以上，且都为固定装置无法灵活移动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、工作范围广泛、使用灵活方便、准确性高的雷达目标模拟器运动平台设备及控制方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种雷达目标模拟器运动平台设备，包括一台遥控装置和多个摇臂站，其中每个摇臂站包括一台本控装置和一个摇臂本体；

所述遥控装置，用于获取飞行器航路数据，并根据摇臂本体相对于测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度；

所述本控装置，用于解算摇臂本体5轴运动控制指令；

所述摇臂本体，包括摇臂大俯仰驱动器、摇臂大方位驱动器、云台横滚一体电机、云台俯仰一体电机和云台方位一体电机，用于安放雷达目标模拟器天线，并执行运动功能。

进一步地，所述遥控装置，通过扩展通讯模块的数量，实现对多台本控设备和摇臂本体的联合控制，增加目标模拟器天线的运动范围。

进一步地，所述遥控装置通过POWERLINK协议，以光纤为载体与本控装置连接。

进一步地，所述本控装置通过POWERLINK协议，与摇臂大俯仰驱动器和摇臂大方位驱动器连接。

进一步地，所述本控装置通过CAN协议，与云台横滚一体电机、云台俯仰一体电机和云台方位一体电机连接。

一种雷达目标模拟器运动平台设备的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，并实时发送给本控设备，作为5轴电机的引导信号；

步骤2、本控设备收到引导信号后，根据5轴运动的实际位置进行相应控制算法解算，并分别发送给摇臂本体上5轴电机；

步骤3、摇臂本体上5轴电机根据控制指令执行运动，使安放在摇臂本体上的雷达目标模拟器天线的法线方向在模拟飞行器运动的同时始终指向测试雷达。

进一步地，步骤1中所述的遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，并根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，具体如下：

设定O点和P点分别为测试雷达和摇臂本体所在位置，O点为坐标原点，OP方向为x轴正方向，P点坐标为[x₀ 0 0]，z轴垂直地面向上，y轴由x轴绕z轴逆时针旋转90°得到；设定h₁为摇臂高度，l₂为摇臂长度，h₃为云台高度，q₁～q₅分别为5自由度转轴的转角，F点为飞机所在位置，Q点为摇臂方位、俯仰轴的交点，R点为摇臂远端云台的横滚、俯仰轴的交点，T点为云台顶端天线的安装位置，

为由O点指向F点的单位向量[n_x n_y n_z]^T，在天线安装位置T点定义坐标系t_xt_yt_z，其中t_z轴为云台的方位轴，t_x轴为天线的指向，t_x轴与t_z轴垂直，t_x轴绕t_z轴逆时针旋转90°得到t_y轴；

根据使用背景，系统中T点坐标与t_x、t_y轴指向应满足如下要求：

(1)天线始终在测试雷达与飞机的连线上，且指向测试雷达，即要求T点在直线OF上，且t_x轴与

向量平行；

(2)天线横滚角始终为零，即保持t_y轴平行于XOY平面雷达指向虚拟飞机的方位、俯仰角分别为：

则以T点为零点定义的坐标系t_xt_yt_z由xyz坐标系经上述的方位、俯仰旋转后得到，如式(2)所示，式中c_z表示cos(θ_z)：

由上述定义知，T点坐标表示为

即[kn_x kn_y kn_z]^T，其中k为待求的比例系数，结合式(2)，得R点坐标为：

同时，从P点出发，经q₁、q₂的摇臂方位、俯仰变换后，得到R点坐标为：

式中c₁表示cos(q₁)；

由式(3)与式(4)的右侧相等，得关于k、q₁和q₂三个未知数的三个方程，解方程得：

其中，p、q分别为：

同理，以T点为零点定义的坐标系t_xt_yt_z由xyz坐标系经q1～q5的变换得到，同时考虑云台末端天线指向引入的90°旋转，得：

由式(2)与式(7)的右侧相等，得关于q3、q4和q5三个未知数的方程，结合系统中定义的各轴朝向，解方程得：

由式(5)和式(8)即解出系统中五个自由度的转角q₁～q₅。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过方位-俯仰-横滚-俯仰-方位5轴的摇臂形式构成雷达运动目标模拟平台，能够满足雷达信号在空间运动的各种需求；(2)设备成本低廉，且可通过多台摇臂站联合工作，增加模拟工作的范围；(3)体积小，重量轻，可装备在可移动载体上，增加其灵活性和移动性；(4)5轴的旋转角度通过严格的数学解耦的方法得出解析解，提高了控制的精度和模拟跟踪的准确度。

附图说明

图1是本发明一种雷达目标模拟器运动平台设备的结构框图。

图2是本发明中遥控设备与单摇臂站的伺服原理框图。

图3是本发明中被测雷达、喇叭天线、飞机雷达的关系原理示意图。

图4是本发明中遥控装置的结构示意图。

图5是本发明中摇臂站的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

结合图1、图2，本发明一种雷达目标模拟器运动平台设备，包括一台遥控装置和多个摇臂站，其中每个摇臂站包括一台本控装置和一个摇臂本体；

所述遥控装置，用于获取飞行器航路数据，并根据摇臂本体相对于测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度；

所述本控装置，用于解算摇臂本体5轴运动控制指令；

所述摇臂本体，包括摇臂大俯仰驱动器、摇臂大方位驱动器、云台横滚一体电机、云台俯仰一体电机和云台方位一体电机，用于安放雷达目标模拟器天线，并执行运动功能。

进一步地，所述遥控装置，可通过扩展通讯模块的数量，实现对多台本控设备和摇臂本体的联合控制，增加目标模拟器天线的运动范围。

进一步地，所述遥控装置通过POWERLINK协议，以光纤为载体与本控装置连接。

进一步地，所述本控装置通过POWERLINK协议，与摇臂大俯仰驱动器和摇臂大方位驱动器连接。

进一步地，所述本控装置通过CAN协议，与云台横滚一体电机、云台俯仰一体电机和云台方位一体电机连接。

结合图3，一种雷达目标模拟器运动平台设备的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，并实时发送给本控设备，作为5轴电机的引导信号；

步骤2、本控设备收到引导信号后，根据5轴运动的实际位置进行相应控制算法解算，并分别发送给摇臂本体上5轴电机；

步骤3、摇臂本体上5轴电机根据控制指令执行运动，使安放在摇臂本体上的雷达目标模拟器天线的法线方向在模拟飞行器运动的同时始终指向测试雷达。

进一步地，步骤1中所述的遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，并根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，具体如下：

设定O点和P点分别为测试雷达和摇臂本体所在位置，O点为坐标原点，OP方向为x轴正方向，P点坐标为[x₀ 0 0]，z轴垂直地面向上，y轴由x轴绕z轴逆时针旋转90°得到；设定h₁为摇臂高度，l₂为摇臂长度，h₃为云台高度，q₁～q₅分别为5自由度转轴的转角，F点为飞机所在位置，Q点为摇臂方位、俯仰轴的交点，R点为摇臂远端云台的横滚、俯仰轴的交点，T点为云台顶端天线的安装位置，

为由O点指向F点的单位向量[n_x n_y n_z]^T，在天线安装位置T点定义坐标系t_xt_yt_z，其中t_z轴为云台的方位轴，t_x轴为天线的指向，t_x轴与t_z轴垂直，t_x轴绕t_z轴逆时针旋转90°得到t_y轴；

根据使用背景，系统中T点坐标与t_x、t_y轴指向应满足如下要求：

(1)天线始终在测试雷达与飞机的连线上，且指向测试雷达，即要求T点在直线OF上，且t_x轴与

向量平行；

(2)天线横滚角始终为零，即保持t_y轴平行于XOY平面雷达指向虚拟飞机的方位、俯仰角分别为：

则以T点为零点定义的坐标系t_xt_yt_z由xyz坐标系经上述的方位、俯仰旋转后得到，如式(2)所示，式中c_z表示cos(θ_z)：

由上述定义知，T点坐标表示为

即[kn_x kn_y kn_z]^T，其中k为待求的比例系数，结合式(2)，得R点坐标为：

同时，从P点出发，经q₁、q₂的摇臂方位、俯仰变换后，得到R点坐标为：

式中c₁表示cos(q₁)；

由式(3)与式(4)的右侧相等，得关于k、q₁和q₂三个未知数的三个方程，解方程得：

其中，p、q分别为：

同理，以T点为零点定义的坐标系t_xt_yt_z由xyz坐标系经q1～q5的变换得到，同时考虑云台末端天线指向引入的90°旋转，得：

由式(2)与式(7)的右侧相等，得关于q3、q4和q5三个未知数的方程，结合系统中定义的各轴朝向，解方程得：

由式(5)和式(8)即解出系统中五个自由度的转角q₁～q₅。

实施例1

本实施例一种雷达目标模拟器运动平台设备，包括一台遥控装置和一个摇臂站，其中摇臂站包括一台本控装置和一个摇臂本体。

如附图2所示，遥控装置与主控计算机之间有网络通讯和同步脉冲。远程遥控设备接收主控计算机发来的网络命令和航迹文件，通过光纤网络回告摇臂站的各种状态，并接收主控计算机通过RS422接口发来的同步脉冲，对发给本控装置的指令进行同步。

本控装置接收遥控装置通过光纤发来的各轴位置运动指令，经过相应算法得到各轴速度指令，通过POWERLINK和CAN发给相应轴的驱动器，并根据主控计算机通过RS422口发来的同步脉冲进行各轴的数据采集，并打上时戳，通过光纤发给遥控装置。

摇臂本体上各轴均有位置编码器，采集各轴位置发给本控装置，方位、俯仰和行程开关做电限位。

如附图4所示，遥控装置内部含有触摸屏、I/O从站和电源，触摸屏作为主控输入端通过X2X总线读写I/O站；触摸屏利用I/O从站中的光纤接口与本控装置通信，发送角度指令，及接收摇臂实时的位置信息反馈信号并做对应的显示；I/O站中包含DI、DO、DC、光纤模块，DI用于遥控装置面板上按键及指示灯控制，DC为计数模块，采集由上位机发的同步脉冲信号(差分422)；触摸屏采用ESPP1120.1043-002-T3-M1：Automation Panel 1120，10.4",640x480 TFT 18位真彩色，电阻触摸屏，Intel Atom 1.33GHz，1GB DRAM，1xUSB2.0+1xUS3.0+2x以太网10/100/1000BASE-RJ45，1xPowerLink+1xRS232+1xCAN+1xX2X主站接口，512KB nvSRAM，横式面板，三防处理，-40～70℃宽温操作，集成连接附件，冲振加固；I/O站：ES20DI9371/ES20DO9322/ES20DC模块。

如附图5所示，一种雷达目标模拟器运动平台设备的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，并实时发送给本控设备，作为5轴电机的引导信号，具体如下：

本控装置核心基于一台PCC主控控制器，遥控装置将解算好的航路轨迹通过光纤发送至PCC主控控制器，PCC主控控制器根据接收到的各轴的轨迹以及速度加速度信息，通过相应的算法生成对各轴的速度控制指令，通过powerlink总线把摇臂方位电机和俯仰电机的速度指令传送给本控驱动箱内的方位驱动器和俯仰驱动器。

步骤2、本控设备收到引导信号后，根据5轴运动的实际位置进行相应控制算法解算，并分别发送给摇臂本体上5轴电机，具体如下：

方位驱动器和俯仰驱动器接收到相应的速度指令后，再利用方位电机和俯仰电机内部的旋转变压器传来的速度信息进行速度环的解算，最终以三相电流的形式驱动各自电机进行相应旋转。

步骤3、摇臂本体上5轴电机根据控制指令执行运动，使安放在摇臂本体上的雷达目标模拟器天线的法线方向在模拟飞行器运动的同时始终指向测试雷达，具体如下：

摇臂云台端采用三台一体化伺服同步电机，三台电机通过CAN总线接收PCC主控控制器传来的相应的速度指令，在一体化电机内部实现速度环和电流环的控制，控制电机运动。5轴电机按要求转动后，使摇臂“画”出设定的轨迹航线。其中摇臂方位俯仰角度通过二台编码器接与PCC主控控制器的接收模块，获取实时的角度信息，云台端采用三台一体化伺服同步电机，直接将角度编码器接入驱动器内，在通过CAN总线送至PCC主控控制器，从而实现云台的角度信息的读取。PCC主控控制器通过监控伺服状态，实时了解每个伺服电机的状态，PCC主控控制器获取的角度信息和轨迹航线，通过光纤发送至远程遥控设备上，从而使上位机通过远程遥控设备获取所要的信息。

Claims (7)

1.一种雷达目标模拟器运动平台设备，其特征在于，包括一台遥控装置和多个摇臂站，其中每个摇臂站包括一台本控装置和一个摇臂本体；

所述遥控装置，用于获取飞行器航路数据，并根据摇臂本体相对于测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度；

所述本控装置，用于解算摇臂本体5轴运动控制指令；

所述摇臂本体，包括摇臂大俯仰驱动器、摇臂大方位驱动器、云台横滚一体电机、云台俯仰一体电机和云台方位一体电机，用于安放雷达目标模拟器天线，并执行运动功能。

2.根据权利要求1所述的雷达目标模拟器运动平台设备，其特征在于，所述遥控装置，通过扩展通讯模块的数量，实现对多台本控设备和摇臂本体的联合控制，增加目标模拟器天线的运动范围。

3.根据权利要求1所述的雷达目标模拟器运动平台设备，其特征在于，所述遥控装置通过POWERLINK协议，以光纤为载体与本控装置连接。

4.根据权利要求1所述的雷达目标模拟器运动平台设备，其特征在于，所述本控装置通过POWERLINK协议，与摇臂大俯仰驱动器和摇臂大方位驱动器连接。

5.根据权利要求1所述的雷达目标模拟器运动平台设备，其特征在于，所述本控装置通过CAN协议，与云台横滚一体电机、云台俯仰一体电机和云台方位一体电机连接。

6.一种雷达目标模拟器运动平台设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，并实时发送给本控设备，作为5轴电机的引导信号；

步骤2、本控设备收到引导信号后，根据5轴运动的实际位置进行相应控制算法解算，并分别发送给摇臂本体上5轴电机；

步骤3、摇臂本体上5轴电机根据控制指令执行运动，使安放在摇臂本体上的雷达目标模拟器天线的法线方向在模拟飞行器运动的同时始终指向测试雷达。

7.根据权利要求3所述的雷达目标模拟器运动平台设备的控制方法，其特征在于，步骤1中所述的遥控设备读取飞行器飞行航路文件数据，并根据摇臂本体相对测试雷达的位置，解算出摇臂本体上5轴对应的角度，具体如下：

设定O点和P点分别为测试雷达和摇臂本体所在位置，O点为坐标原点，OP方向为x轴正方向，P点坐标为[x₀ 0 0]，z轴垂直地面向上，y轴由x轴绕z轴逆时针旋转90°得到；设定h₁为摇臂高度，l₂为摇臂长度，h₃为云台高度，q₁～q₅分别为5自由度转轴的转角，F点为飞机所在位置，Q点为摇臂方位、俯仰轴的交点，R点为摇臂远端云台的横滚、俯仰轴的交点，T点为云台顶端天线的安装位置，

为由O点指向F点的单位向量[n_x n_y n_z]^T，在天线安装位置T点定义坐标系t_xt_yt_z，其中t_z轴为云台的方位轴，t_x轴为天线的指向，t_x轴与t_z轴垂直，t_x轴绕t_z轴逆时针旋转90°得到t_y轴；

根据使用背景，系统中T点坐标与t_x、t_y轴指向应满足如下要求：

(1)天线始终在测试雷达与飞机的连线上，且指向测试雷达，即要求T点在直线OF上，且t_x轴与

向量平行；

(2)天线横滚角始终为零，即保持t_y轴平行于XOY平面雷达指向虚拟飞机的方位、俯仰角分别为：

则以T点为零点定义的坐标系t_xt_yt_z由xyz坐标系经上述的方位、俯仰旋转后得到，如式(2)所示，式中c_z表示cos(θ_z)：

由上述定义知，T点坐标表示为

即[kn_x kn_y kn_z]^T，其中k为待求的比例系数，结合式(2)，得R点坐标为：

同时，从P点出发，经q₁、q₂的摇臂方位、俯仰变换后，得到R点坐标为：

式中c₁表示cos(q₁)；

由式(3)与式(4)的右侧相等，得关于k、q₁和q₂三个未知数的三个方程，解方程得：

其中，p、q分别为：

同理，以T点为零点定义的坐标系t_xt_yt_z由xyz坐标系经q1～q5的变换得到，同时考虑云台末端天线指向引入的90°旋转，得：

由式(2)与式(7)的右侧相等，得关于q3、q4和q5三个未知数的方程，结合系统中定义的各轴朝向，解方程得：

由式(5)和式(8)即解出系统中五个自由度的转角q₁～q₅。

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