CN112909576B - 分布式大型相控阵天线的平面度控制方法、装置及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线的平面度控制技术领域，公开了一种分布式大型相控阵天线的平面度控制方法、装置及应用，将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面；通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿；进行运动轨迹规划，驱动调整机构达到目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证。相对于传统的在设计阶段将总体指标直接分解到各局部结构的方法，本发明克服了实际工况中由于天线热变形、阵面制造误差、展开机构驱动电机运动误差、运行过程中受到的振动等因素的影响等因素的不利影响，因此在实际应用中有效保证了天线阵面的平面度。

Description

分布式大型相控阵天线的平面度控制方法、装置及应用
技术领域
本发明属于天线的平面度控制技术领域，尤其涉及一种分布式大型相控阵天线的平面度控制方法、装置及应用。
背景技术
目前：有源相控阵雷达具有波束灵活可控及可靠性高的优点，在地面固定式雷达和星载雷达上的应用已日趋广泛。随着对探测距离和探测精度要求的不断提高，雷达天线正朝着大口径方向发展，尤其对于高频段的有源相控阵雷达天线，阵面结构安装精度不断提高，往往为亚毫米级。天线阵面作为相控阵雷达的核心部分，其平面度与雷达系统综合性能之间存在着紧密联系，由天线结构设计理论可知：天线阵面的平面度对天线性能有着决定性的影响，平面度误差会使天线口面上的电磁波产生相位误差，进而导致天线的增益降低，副瓣电平升高，最终使雷达系统工作性能无法满足设计要求。相同条件下，更高的天线阵面平面度往往意味着更远的探测距离、更高的探测精度。
与陆基相控阵天线相比，大尺寸的星载雷达天线，受航天运载工具有效载荷容积的限制，在发射升空前需要将天线阵面分为若干个子阵面并折叠在一起，卫星升空后通过折叠展开机构将天线子阵面展开组合成完整的天线阵面。天线在太空环境中要长期经受太阳和行星的红外辐射及空间低温热沉作用，温度环境极为恶劣。同时，天线阵面平面度还会受到阵面制造误差、展开机构驱动电机运动误差、运行过程中受到的振动等因素的影响。因此，展开后天线阵面的平面度控制成为大尺寸型面天线设计的难点。我国虽然已经拥有搭载了有源相控阵天线的卫星，但是数量较少，技术积累也相对薄弱。国内公开发表的星载有源相控阵天线文献和专利有限，难以对业内技术人员提供有效参考。
为此，针对上述问题，迫切需要在分布式大型相控阵天线的平面度控制技术上进行创新性设计，以解决大型相控阵天线的平面度难以保证，进而造成天线主瓣变宽、副瓣电平升高等电性能恶化的问题，以保证雷达系统的工作性能。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有大型相控阵天线的平面度难以保证。
解决以上问题及缺陷的难度为：首先因为大尺寸星载雷达天线往往分为多个可主动调整的子阵面，子阵面经过调整后“拼接”起来保证整体阵面的平面度，所以需综合考虑各个子阵面工作空间、最终平面度和调整所耗能量等因素，控制难度较大。此外，大型相控阵天线调整机构具有运动支链多，控制精度要求高，信号处理实时性要求高，调整机构的运动学逆解和协同控制运算量大等特点，运动控制的难度也较大，目前市场上存在的运动控制产品无法满足其工作需求。
解决以上问题及缺陷的意义为：大型阵面分布式协同控制的思想，避免了传统的在设计阶段将总体指标直接分解到各局部结构的“化整为零”技术缺陷，克服了实际工况中由于柔性铰链寄生运动、模型摄动等非线性因素的不利影响。为大型、超大型相控阵天线阵面的平面度实现提供了强有力的保障，以期满足雷达对高频、高分辨率、高功率天线的需求。而设计专用控制器，避免了目前市场上的运动控制产品存在着灵活性和扩展性差、可移植性差、自主可控性差等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分布式大型相控阵天线的平面度控制方法、装置及应用。
本发明是这样实现的，一种平面度控制方法，所述平面度控制方法包括：
将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面；
通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿；
进行运动轨迹规划，驱动调整机构达到目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证。
进一步，所述平面度控制方法以所有子阵面调整到同一平面为目标，基于蒙特卡洛法随机产生期望阵面的位姿集合，兼顾各个子阵面的工作空间和整体平面度，通过能量最优进行组合优化计算，对每个调整机构进行调整量的计算和运动规划，得出控制指令并下发执行。
进一步，所述平面度控制方法基于蒙特卡洛方法产生位姿集合，该集合内有多个待选取位姿；在多个待选取位姿中，以满足调整机构的工作空间约束条件，以所有调整机构所需的能量之和即各个运动支链调整量总和最小为优化目标，优化搜索子阵面级调整的最优目标位姿。
进一步，所述平面度控制方法建立对天线阵面调整机构运动学模型，天线调姿机构中，通过星体上的激光雷达观测到天线在星体坐标系下的当前位姿和需要调节到的目标位姿，在子阵面坐标系中控制天线的位姿变化；采用的天线阵面调整机构具三个自由度分别为Z向平移，绕x轴旋转，绕y轴旋转，该机构共有四条运动支链，其中三条主动支链在子阵面上的安装点为V0、C0、E0，从动支链安装点为E′0，每个安装点离所在子阵面坐标系原点的距离均为R,运动副中心到坐标原点的连线与长边的夹角为θ，压紧状态下，四者与天线子阵面的接触点为V1、C1、E1、E′1；其中V代表球-V型槽副，该运动副具有三个转动自由度和一个移动自由度；E代表球-平面副，该运动副具有三个转动自由度和两个移动自由度；C代表球-锥套副，该运动副具有三个转动自由度。
进一步，所述平面度控制方法的天线子阵面相对于子阵面的位姿表示为(Xp Yp Zpα β γ)，整个过程涉及到三个坐标系，故规定，子阵面坐标系为，简称0系；天线子阵面坐标系为，简称1系；星体坐标系为，简称2系；天线子阵面坐标系和子阵面坐标系都在其本身几何的中心点建立；则与其等价的天线子阵面相对于子阵面的位姿变换矩阵为：
Figure BDA0002928643750000041
天线子阵面在调姿时有如下约束关系：
Figure BDA0002928643750000042
天线位姿设为(Zp' α' β')，结合约束方程得到天线在机构约束下的完整位姿信息(Xp' Yp' Zp' α' β' γ')，由完整位姿信息将欧拉角转换成天线当前相对于子阵面的位姿变换矩阵
Figure BDA0002928643750000044
通过位姿变换矩阵得到天线当前相对于子阵面的位姿变换矩阵
Figure BDA0002928643750000045
计算得到天线子阵面所在的空间平面方程：
sinβ(x-Xp)-sinαcosβ(y-Yp)+cosαcosβ(z-Zp)＝0；
将子阵面上的安装点0V0、0C0、0E0的x、y坐标信息代入计算得到的天线子阵面平面方程，得到并联机构天线当前与主动运动支链连接点坐标0V、0C、0E，推出当前各支链的长度：
Figure BDA0002928643750000043
进一步，所述平面度控制方法采用光滑的函数描述各机构的运动，运动状态可分为三个阶段：第一阶段，速度按照设定的加速度值从零匀加速到最大速度；第二阶段，加速度为零值，速度保持已达到的最大速度值运行；第三阶段，按设定的加速度减速到零，此时达到要求的目标位置。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述平面度控制方法的平面度控制系统，所述平面度控制系统包括：
子阵面调整模块，用于将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面；
目标位姿确定模块，用于通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿；
运动轨迹规划模块，用于进行运动轨迹规划，驱动调整机构达到目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述平面度控制系统的平面度控制装置，所述平面度控制装置包括：
专用控制器，对多路运动支链进行精确的运动控制，实现多阵面的协同控制，同时通过触摸屏进行人机交互，并提供通信接口；
天线子阵面及调整机构支链，每个子阵面调整机构拥有三个自由度和四个运动支链，采用冗余驱动，用于主动调整各个子阵面的位姿保证整体阵面的平面度；
激光雷达，通过其测得天线阵面当前的位姿和平面度，通过串口发送给专用控制器。
本发明的另一目的在于提供一种分布式大型相控阵天线，所述分布式大型相控阵天线安装有所述的平面度控制装置。
本发明的另一目的在于提供一种有源相控阵雷达，所述有源相控阵雷达安装有所述的分布式大型相控阵天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明针对分布式大型天线阵面的平面度难以保证的问题，通过分布式协同控制策略，精确调整各个子阵面的位置和姿态，使它们以亚毫米级均方根精度位于同一个平面上，实现大型天线的整体平面度指标。大型阵面分布式协同控制的思想，避免了传统的在设计阶段将总体指标直接分解到各局部结构的“化整为零”技术缺陷，克服了实际工况中由于柔性铰链寄生运动、模型摄动等非线性因素的不利影响。为大型、超大型相控阵天线阵面的平面度实现提供了强有力的保障，以期满足指标更高的高频段、高分辨率和高功率天线的应用需求。
本发明针对目前市场中运动控制产品灵活性和扩展性差，可移植性差以及自主可控性差等缺点，同时针对分布式大型天线阵面调整机构运动支链多，控制精度要求高，信号处理实时性要求高，调整机构的运动学逆解和协同控制运算量大等特点，设计专用的运动控制器来对其进行精确控制，以便满足天线阵面调整机构的需求。
综上所述，本发明在大型分布式相控阵天线阵面平面度中采用协同控制策略，并且使用虚拟样机进行了模拟验证，因此对于分布式天线阵面的协同控制实现了兼顾平面度、工作空间和消耗能量的效果；并且在后续中设计专用的控制器以满足协同控制对控制器的需求。该方法可以实现通过通信接口自动控制激光雷达遥测天线阵面的平面度和位姿，随后返回测量值到控制器，从而通过协同控制策略计算出各个子阵面的目标位姿；在其基础之上进行运动支链轨迹规划和精确控制，保证大型相控阵天线的平面度控制。相对于传统的在设计阶段将总体指标直接分解到各局部结构的方法，这种方法克服了实际工况中由于天线热变形、阵面制造误差、展开机构驱动电机运动误差、运行过程中受到的振动等因素的影响等因素的不利影响，因此在实际应用中有效保证了天线阵面的平面度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的平面度控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的平面度控制系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的平面度控制装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的平面度控制技术协同控制算法的流程图。
图5是本发明实施例提供的运动支链调整过程理论速度曲线示意图。
图6是本发明实施例提供的实际测试运动支链速度曲线示意图。
图7是本发明实施例提供的专用控制器主板结构示意图。
图8是本发明实施例提供的专用控制器功能示意图。
图9是本发明实施例提供的天线阵面分布示意图。
图10是本发明实施例提供的单个子阵面控制实验流程示意图。
图11是本发明实施例提供的天线阵面平面度控制实验流程示意图。
图中：1、天线子阵面；2、调整机构支链；3、激光雷达；4、专用控制器；5、子阵面调整模块；6、目标位姿确定模块；7、运动轨迹规划模块。
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以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分布式大型相控阵天线的平面度控制方法、装置及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的平面度控制方法包括以下步骤：
S101：将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面；
S102：通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿；
S103：进行运动轨迹规划，驱动调整机构达到目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证。
本发明提供的平面度控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的平面度控制方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的平面度控制系统包括：
子阵面调整模块5，用于将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面；
目标位姿确定模块6，用于通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿；
运动轨迹规划模块7，用于进行运动轨迹规划，驱动调整机构达到目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3所示，本发明提供的平面度控制装置包括：天线子阵面1、调整机构支链2、激光雷达3、专用控制器4。
专用控制器4，对多路运动支链进行精确的运动控制，实现多阵面的协同控制，同时通过触摸屏进行人机交互，并提供通信接口。
天线子阵面1及其调整机构支链2，每个子阵面调整机构拥有三个自由度和四个运动支链，采用冗余驱动，用于主动调整各个子阵面的位姿以保证整体阵面的平面度。
激光雷达3，通过其测得天线阵面当前的位姿和平面度，通过串口发送给专用控制器。
协同控制算法，以所有子阵面调整到同一平面为目标，基于蒙特卡洛法随机产生期望阵面的位姿集合，兼顾各个子阵面的工作空间和整体平面度，通过能量(调整量)最优进行组合优化计算，对每个调整机构进行调整量的计算和运动规划，得出控制指令并下发执行，以达到完整阵面平面度控制的目标。
如图4和图5所示，本发明的提供的平面度控制技术和方法包括：将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面，通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，在保证整体平面度的前提下，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿。然后进行运动轨迹规划，并驱动调整机构达到目标位姿。
如图7和图8所示，本发明的提供的专平面度控制技术和方法还包括：基于ZynqSoC的专用控制器。克服了目前市场中运动控制产品灵活性和扩展性差，可移植性差以及自主可控性差等缺点，同时针对大型分布式天线阵面调整机构运动支链多，控制精度要求高，信号处理实时性要求高，调整机构的运动学逆解和协同控制运算量大等特点，设计专用的运动控制器来对其进行精确控制，并在控制器上实现协同控制算法，以保证对整体阵面平面度的控制。
如图9所示，将本发明所提供的平面度控制技术用于包含13个子阵面的天线阵面的平面度控制中，基于运动学仿真分析软件建立虚拟样机。为了模拟各阵面间由于某种原因出现的位姿偏差，基于蒙特卡洛方法产生位姿集合，该集合内有多个待选取位姿。在多个待选取位姿中，以满足调整机构的工作空间约束条件，以所有调整机构所需的能量之和即各个运动支链调整量总和最小为优化目标，优化搜索子阵面级调整的最优目标位姿。
本发明的平面度控制技术首先要建立对天线阵面调整机构运动学模型。天线调姿机构中，通过星体上的激光雷达观测到天线在星体坐标系下的当前位姿和需要调节到的目标位姿，然后在子阵面坐标系中控制天线的位姿变化。所采用的天线阵面调整机构具三个自由度分别为Z向平移，绕x轴旋转，绕y轴旋转。该机构共有四条运动支链，其中三条主动支链在子阵面上的安装点为V0、C0、E0，从动支链安装点为E′0，每个安装点离所在子阵面坐标系原点的距离均为R,运动副中心到坐标原点的连线与长边的夹角为θ，压紧状态下，四者与天线子阵面的接触点为V1、C1、E1、E′1。其中V代表球-V型槽副，该运动副具有三个转动自由度和一个移动自由度；E代表球-平面副，该运动副具有三个转动自由度和两个移动自由度；C代表球-锥套副(等同于球铰副)，该运动副具有三个转动自由度。
本发明的天线子阵面相对于子阵面的位姿表示为(Xp Yp Zp α β γ)，整个过程涉及到三个坐标系，故规定，子阵面坐标系为，简称0系；天线子阵面坐标系为，简称1系；星体坐标系为，简称2系。天线子阵面坐标系和子阵面坐标系都在其本身几何的中心点建立。则与其等价的天线子阵面相对于子阵面的位姿变换矩阵为：
Figure BDA0002928643750000101
本发明的天线子阵面在调姿时有如下约束关系：
Figure BDA0002928643750000102
本发明的天线位姿设为(Zp' α' β')，结合约束方程得到天线在机构约束下的完整位姿信息(Xp' Yp' Zp' α' β' γ')，由完整位姿信息将欧拉角转换成天线当前相对于子阵面的位姿变换矩阵
Figure BDA0002928643750000104
通过位姿变换矩阵得到天线当前相对于子阵面的位姿变换矩阵
Figure BDA0002928643750000105
可计算得到天线子阵面所在的空间平面方程：
sinβ(x-Xp)-sinαcosβ(y-Yp)+cosαcosβ(z-Zp)＝0；
本发明将子阵面上的安装点0V0、0C0、0E0的x、y坐标信息代入计算得到的天线子阵面平面方程，即可得到并联机构天线当前与主动运动支链连接点坐标0V、0C、0E，如此可以推出当前各支链的长度：
Figure BDA0002928643750000103
本发明的协同控制算法以所有子阵面阵面调整到同一平面为目标，通过蒙特卡洛法随机产生期望阵面的位姿集合，兼顾工作空间和整体阵面的平面度，通过能量(调整量)最优进行组合优化计算，对每个调整机构进行调整量的计算和运动轨迹规划，得出每个运动支链的运动控制指令并下发执行，以达到完整阵面平面度控制的目标。为了使机构的运动趋于平滑，采用光滑的函数来描述各机构的运动，以降低机电系统的冲击磨损，运动状态可分为三个阶段：第一阶段，速度按照设定的加速度值从零匀加速到最大速度；第二阶段，加速度为零值，速度保持已达到的最大速度值运行；第三阶段，按设定的加速度减速到零，此时达到要求的目标位置。专用控制器基于对控制器功能、性能、开发时间和成本的综合考虑，结合各种平台的特点，选择Zynq-7000 SoC平台作为专用控制器的开发平台，该平台采用异构多核芯片，计算性能强大、应用范围广，不仅拥有ASIC在能耗、性能和兼容性方面的优势，而且具有FPGA硬件可编程性的优点，称为全可编程片上系统。专用控制器实现了多个电动的控制单元、多路光栅尺信号的采集和处理，实现对天线阵面调整机构的控制。采用触摸屏实现人机交互，通过RS422串口与激光雷达通信。
如图10和图11所示，将本发明所提供的平面度控制技术及装置用于天线阵面地面样机的平面度控制实验中。通过专用控制器设置可调阵面的指向角度并驱动阵面运动到目标位姿，利用千分表测量可调阵面靶标安装处的实际位移量，并计算出实际的指向角度，测试结果表明，所设计的专用控制器可以对单个子阵面达到1角秒的控制精度。通过触摸屏操作专用控制器将阵面驱动到平面度控制测试初始位姿，初始姿态设定分布式相控阵天线阵面平面度较大，经过本发明所提供的平面度控制技术及装置进行调整后，整体阵面的平面度可以达到1.5mm以内。
本发明在分布式大型相控阵天线阵面平面度中采用协同控制策略，并且使用虚拟样机和地面样机进行了验证，对于分布式天线阵面的协同控制实现了兼顾平面度、工作空间和消耗能量的效果；并且在后续中设计专用的控制器以满足协同控制对控制器的需求。该方法可以实现通过通信接口自动控制激光雷达遥测天线阵面的平面度和位姿，随后返回测量值到控制器，从而通过协同控制策略计算出各个子阵面的目标位姿；在其基础之上进行运动支链轨迹规划和精确控制，保证大型相控阵天线的平面度控制。相对于传统的在设计阶段将总体指标直接分解到各局部结构的方法，这种方法克服了实际工况中由于天线热变形、阵面制造误差、展开机构驱动电机运动误差、运行过程中受到的振动等因素的影响等因素的不利影响，因此在实际应用中有效保证了天线阵面的平面度。
表1单条支链控制实验数据
Figure BDA0002928643750000121
表2子阵面指向精度测试数据
Figure BDA0002928643750000122
Figure BDA0002928643750000131
表3激光跟踪仪测量调整前后平面度数据
Figure BDA0002928643750000132
本发明通过协同控制方法，在保证整体平面度的前提下，以所有子阵面调整到同一平面为目标，通过蒙特卡洛法随机产生期望阵面的位姿集合，兼顾工作空间和整体阵面的平面度，确定各个子阵面的目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证。在其基础之上基于Zynq SoC设计了专用控制器，专用控制器采用触摸屏作为人机交互接口并设计软件界面，并将协同控制算法等在Zynq平台上实现。最后，通过地面原理样机对该方法进行验证，证明了该方法的有效性。本发明采用协同控制算法进行整体阵面的平面度控制，以所有子阵面调整到同一平面为目标，通过蒙特卡洛法随机产生期望阵面的位姿集合，兼顾工作空间和整体阵面的平面度，通过能量(调整量)最优进行组合优化计算，对每个调整机构进行调整量的计算和运动轨迹规划，得出每个运动支链的运动控制指令并下发执行，以达到完整阵面平面度控制的目标。
本发明为了使机构的运动趋于平滑，采用光滑的函数来描述各机构的运动，以降低机电系统的冲击磨损，运动状态可分为三个阶段：第一阶段，速度按照设定的加速度值从零匀加速到最大速度；第二阶段，加速度为零值，速度保持已达到的最大速度值运行；第三阶段，按设定的加速度减速到零，此时达到要求的目标位置。采用协同控制的思想，将大型天线阵面划分为多个可以主动调整的子阵面，通过对子阵面的协同控制，避免了传统的在设计阶段将总体指标直接分解到各局部结构的“化整为零”技术缺陷，克服了实际工况中由于柔性铰链寄生运动、模型摄动等非线性因素的不利影响。
本发明选择Zynq-7000 SoC平台开发专用控制器，该平台采用异构多核芯片，不仅拥有ASIC在能耗、性能和兼容性方面的优势，而且具有FPGA硬件可编程性的优点。所述专用控制器实现了多个电动的控制单元、多路光栅尺信号的采集和处理，实现对天线阵面调整机构的控制。专用控制器采用触摸屏实现人机交互，可通过触摸屏完成对整个系统的操作。专用控制器提供RS422串口，供与激光雷达通信使用，同时提供以太网口、USB等通信接口用于调试与通信。专用控制器提供了电机驱动接口、光栅尺信号接口等，用以实现对精确的运动控制。本发明通过激光雷达测得天线阵面的当前位姿，并传回专用控制器中进行协同控制相关计算，得出目标位姿后下发到运动支链执行，实现对天线阵面平面度的控制。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分布式大型相控阵天线的平面度控制方法，其特征在于，所述分布式大型相控阵天线的平面度控制方法包括：
将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面；
通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿；
进行运动轨迹规划，驱动调整机构达到目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证；
所述分布式大型相控阵天线的平面度控制方法以所有子阵面调整到同一平面为目标，基于蒙特卡洛法随机产生期望阵面的位姿集合，兼顾各个子阵面的工作空间和整体平面度，通过能量最优进行组合优化计算，对每个调整机构进行调整量的计算和运动规划，得出控制指令并下发执行。
2.如权利要求1所述的分布式大型相控阵天线的平面度控制方法，其特征在于，所述分布式大型相控阵天线的平面度控制方法基于蒙特卡洛方法产生位姿集合，该集合内有多个待选取位姿；在多个待选取位姿中，以满足调整机构的工作空间约束条件，以所有调整机构所需的能量之和即各个运动支链调整量总和最小为优化目标，优化搜索子阵面级调整的最优目标位姿。
3.如权利要求1所述的分布式大型相控阵天线的平面度控制方法，其特征在于，所述分布式大型相控阵天线的平面度控制方法建立对天线阵面调整机构运动学模型，天线调姿机构中，通过星体上的激光雷达观测到天线在星体坐标系下的当前位姿和需要调节到的目标位姿，在子阵面坐标系中控制天线的位姿变化；采用的天线阵面调整机构具三个自由度分别为Z向平移，绕x轴旋转，绕y轴旋转，该机构共有四条运动支链，其中三条主动支链在子阵面上的安装点为V0、C0、E0，从动支链安装点为E′0，每个安装点离所在子阵面坐标系原点的距离均为R,运动副中心到坐标原点的连线与长边的夹角为θ，压紧状态下，四者与天线子阵面的接触点为V1、C1、E1、E′1；其中V代表球-V型槽副，该运动副具有三个转动自由度和一个移动自由度；E代表球-平面副，该运动副具有三个转动自由度和两个移动自由度；C代表球-锥套副，该运动副具有三个转动自由度。
4.如权利要求1所述的分布式大型相控阵天线的平面度控制方法，其特征在于，所述分布式大型相控阵天线的平面度控制方法的天线子阵面相对于子阵面的位姿表示为(Xp YpZp α β γ)，整个过程涉及到三个坐标系，故规定，子阵面坐标系简称0系；天线子阵面坐标系简称1系；星体坐标系简称2系；天线子阵面坐标系和子阵面坐标系都在其本身几何的中心点建立；则与其对应的天线子阵面相对于子阵面的位姿变换矩阵为：
Figure FDA0003537865360000021
天线子阵面在调姿时有如下约束关系：
Figure FDA0003537865360000022
天线位姿设为(Zp'α'β')，结合约束方程得到天线在机构约束下的完整位姿信息(Xp'Yp'Zp'α'β'γ')，由完整位姿信息将欧拉角转换成天线当前相对于子阵面的位姿变换矩阵
Figure FDA0003537865360000023
计算得到天线子阵面所在的空间平面方程：
sinβ(x-Xp)-sinαcosβ(y-Yp)+cosαcosβ(z-Zp)＝0；
将子阵面上的安装点0V0、0C0、0E0的x、y坐标信息代入计算得到的天线子阵面平面方程，得到并联机构天线当前与主动运动支链连接点坐标0V、0C、0E，推出当前各支链的长度：
Figure FDA0003537865360000031
5.如权利要求1所述的分布式大型相控阵天线的平面度控制方法，其特征在于，所述分布式大型相控阵天线的平面度控制方法采用光滑的函数描述各机构的运动，运动状态可分为三个阶段：第一阶段，速度按照设定的加速度值从零匀加速到最大速度；第二阶段，加速度为零值，速度保持已达到的最大速度值运行；第三阶段，按设定的加速度减速到零，此时达到要求的目标位置。
6.一种实施权利要求1～5任意一项所述分布式大型相控阵天线的平面度控制方法的平面度控制系统，其特征在于，所述平面度控制系统包括：
子阵面调整模块，用于将大型相控阵天线分为多个可主动调整的子阵面；
目标位姿确定模块，用于通过激光雷达确定当前天线阵面的位姿和平面度，通过蒙特卡洛法寻找最优的目标位姿，以调整量最小为优化目标，在工作空间内确定各个子阵面的目标位姿；
运动轨迹规划模块，用于进行运动轨迹规划，驱动调整机构达到目标位姿，并设计分布式阵面协同控制虚拟样机模型验证。
7.一种搭载权利要求6所述平面度控制系统的平面度控制装置，其特征在于，所述平面度控制装置包括：
专用控制器，对多路运动支链进行精确的运动控制，实现多阵面的协同控制，同时通过触摸屏进行人机交互，并提供通信接口；
天线子阵面及调整机构支链，每个子阵面调整机构拥有三个自由度和四个运动支链，采用冗余驱动，用于主动调整各个子阵面的位姿保证整体阵面的平面度；
激光雷达，通过其测得天线阵面当前的位姿和平面度，通过串口发送给专用控制器。
8.一种分布式大型相控阵天线，其特征在于，所述分布式大型相控阵天线安装有权利要求7所述的平面度控制装置。
9.一种有源相控阵雷达，其特征在于，所述有源相控阵雷达安装有权利要求8所述的分布式大型相控阵天线。
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