CN219225067U - 一种大阵面雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大阵面雷达，所述大阵面雷达包括：天线与基座；天线，包括天线本体与连接件，连接件设置于天线本体背部中心区域；基座，包括支撑部与连接部，支撑部与连接部垂直连接，连接部远离支撑部的一端与连接件通过第一转轴转动连接；电动伸缩件，一端通过第二转轴与基座转动连接，另一端通过第三转轴与天线本体靠近基座的一侧转动连接，电动伸缩件用于通过长度变化驱动天线绕第一转轴转动。采用本方案，将驱动雷达转动的动力由旋转轴本身更改为连接雷达天线与基座的电动伸缩件，将扭矩转化为直线力矩，降低雷达转动时惯性力等干扰力矩对雷达转动控制精度的影响，可以实现对雷达旋转位置、速度及力度的更加精准控制。

Description

一种大阵面雷达

技术领域

本实用新型涉及雷达领域，尤其涉及一种大阵面雷达。

背景技术

随着科学技术的不断发展，要求雷达有更远的探测威力、更高的跟踪精度、更准的目标识别能力、更强的抗干扰能力。为满足以上要求，雷达天线的尺寸也随之变得越来越大。而天线尺寸的增加也必然带来了一系列新的技术问题，例如在雷达的转动过程中，外界的干扰力矩大，抗风要求增高等。特别是对于雷达俯仰轴而言，各种干扰力矩和风阻的增加，使得通过驱动俯仰轴的转动带动雷达俯仰运动的形式，对雷达控制的稳定性和控制性产生较大影响。

实用新型内容

本实用新型提供一种雷达，用以至少解决现有技术中雷达转动过程中的干扰力矩大的问题。

根据本实用新型实施例提出的大阵面雷达，包括：天线与基座；

所述天线，包括天线本体与连接件，所述连接件设置于所述天线本体背部中心区域；

所述基座，包括支撑部与连接部，所述支撑部与所述连接部垂直连接，所述连接部远离所述支撑部的一端与所述连接件通过第一转轴转动连接；

电动伸缩件，一端通过第二转轴与所述基座转动连接，另一端通过第三转轴与所述天线本体靠近所述基座的一侧转动连接，所述电动伸缩件用于通过长度变化驱动所述天线绕所述第一转轴转动。

根据本实用新型的一些实施例，所述支撑部的一端与所述连接部的一端垂直连接；所述基座还包括：

延展部，一端与所述支撑部的一端连接，另一端向远离所述支撑部的方向延伸；所述电动伸缩件的一端通过所述第二转轴与所述延展部的另一端转动连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述连接件设置于所述天线本体背部中心位置。

根据本实用新型的一些实施例，所述电动伸缩件为电动丝杆。

根据本实用新型的一些实施例，所述雷达还包括：

锁紧件，所述锁紧件的一端穿设所述连接件并与所述第一转轴止抵。

根据本实用新型的一些实施例，所述雷达天线还包括：

处理器，与所述电动伸缩件电连接，所述处理器用于控制所述电动伸缩件进行伸缩。

根据本实用新型的一些实施例，所述雷达天线还包括：

旋转编码器，设置于所述基座，用于获取所述天线俯仰角度的变化值；

多圈机电编码器，设置于所述电动伸缩件，用于获取所述电动伸缩件伸出的长度值；

霍尔传感器，设置于所述电动伸缩件，用于获取所述电动伸缩件的电流值；

所述处理器与所述旋转编码器、所述多圈机电编码器、所述霍尔传感器均通讯连接，所述处理器基于所述变化值、所述长度值、所述电流值对所述电动驱动件的的伸缩长度进行控制。

根据本实用新型的一些实施例，所述处理器包括：

依次通过数据/地址总线连接的存储模块、DSP模块、FPGA模块；

所述DSP模块通过A/D接口电路与所述霍尔传感器通讯连接；

所述DSP模块通过SCI接口电路与所述旋转编码器、所述多圈机电编码器通讯连接；

所述DSP模块通过驱动电路与所述电动伸缩件电连接。

采用本实用新型实施例，将驱动雷达转动的动力由旋转轴本身更改为连接雷达天线与基座的电动伸缩件，将扭矩转化为直线力矩，降低雷达转动时惯性力等干扰力矩对雷达转动控制精度的影响，可以实现对雷达旋转位置、速度及力度的更加精准控制。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型实施例中大阵面雷达的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中电动丝杆的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中三个转轴之间角度、距离变化示意图；

图4是本实用新型实施例中调整控制大阵面雷达俯仰转动的流程示意图；

图5是本实用新型实施例中处理器的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中雷达控制程序的流程示意图；

图7是本实用新型实施例中处理器的隶属度函数示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型提出一种大阵面雷达，包括：天线与基座；

所述天线，包括天线本体与连接件，所述连接件设置于所述天线背部中心区域。可以理解的是，连接件可以根据具体情况，设置在天线背部中心区域的任一位置。

所述基座，包括支撑部与连接部，所述支撑部与所述连接部垂直连接。所述连接部远离所述支撑部的一端与所述连接件通过第一转轴转动连接。

电动伸缩件，一端通过第二转轴与所述基座转动连接，另一端通过第三转轴与所述天线靠近所述基座的一侧转动连接，所述电动伸缩件用于通过长度变化驱动所述天线绕所述第一转轴转动。

采用本实用新型实施例，将驱动雷达转动的动力由旋转轴本身更改为连接雷达天线与基座的电动伸缩件，使之从旋转运动转化为直线往返运动，进而可以实现对雷达旋转位置、速度及力度的更加精准控制，同时可以降低雷达转动时风力、惯性力等干扰力矩对雷达转动控制精度的影响。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本实用新型的一些实施例，参考图1，所述支撑部22的一端与所述连接部21的一端垂直连接，即支撑部22与连接部21呈L型。所述基座2还包括：

延展部23，一端与所述支撑部22的一端连接，另一端向远离所述支撑部22的方向延伸。所述电动伸缩件3的一端通过所述第二转轴5与所述延展部23的另一端转动连接，另一端通过第三转轴6与天线本体11转动连接，连接件12通过第一转轴4与连接部21的一端转动连接。第一转轴即为天线的俯仰轴，为基座2增加了延展部23，使电动伸缩件3的力矩增长，更有利于推动天线本体11进行俯仰转动。

根据本实用新型的一些实施例，参考图1，所述连接件12设置于所述天线本体11背部中心位置。

根据本实用新型的一些实施例，参考图2，所述电动伸缩件3为电动丝杆，包括套筒33、丝杆34、伺服电机37。套筒33内设置有螺母35与轴承36，丝杆34穿设螺母35与轴承36，丝杆34设置有与螺母35适配的螺纹。伺服电机37的驱动端设置有减速器38，伺服电机37与丝杆34设置有互相配合的齿轮，以使伺服电机37可驱动丝杆34转动实现丝杆34在套筒33内的伸出与缩回。电动丝杆的两端还设置有第一连接装置31与第二连接装置32，用于分别与第二转轴5、第三转轴6转动连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述雷达还包括：

锁紧件，所述锁紧件的一端穿设所述连接件并与所述第一转轴止抵。例如，连接件设置有连通第一转轴与外部的通道，通道与锁紧件设置有适配的螺纹，当需要固定雷达的转动角度时，拧紧锁紧件，使锁紧件的一端紧密贴合第一转轴使其无法转动，从而实现对雷达天线角度的固定。

根据本实用新型的一些实施例，所述雷达天线还包括：

处理器，与所述电动伸缩件电连接，所述处理器用于控制所述电动伸缩件进行伸缩。

根据本实用新型的一些实施例，所述雷达天线还包括：

旋转编码器，设置于所述基座，用于获取所述天线俯仰角度的变化值。

多圈机电编码器，设置于所述电动丝杆，用于获取所述电动伸缩件伸出的长度值。

霍尔传感器，设置于所述电动伸缩件，用于获取所述电动伸缩件的电流值。

所述处理器与所述旋转编码器、所述多圈机电编码器、所述霍尔传感器均通讯连接，所述处理器基于所述变化值、所述长度值、所述电流值对所述电动驱动件的的伸缩长度进行控制。

根据本实用新型的一些实施例，参考图5，所述处理器包括：

依次通过数据/地址总线连接的存储模块、DSP模块、FPGA模块。具体的，DSP模块采用DSP28335作为核心设控制器模块，该芯片为32位浮点DSP控制器，指令周期为6.67ns，主频达到150MHz。具有18路PWM输出，16路12位80ns A/D，3路SCI，1路SPI，2路eCAN等接口。FPGA芯片采用的XC2V1000-4FG256，具有100万门逻辑单元，最大工作频率300MHz，工作电压1.5V，FG256封装形式。DSP与FPGA通过并行总线实现通讯，FPGA在控制器模块中完成译码，产生系统需要的各种控制信号。存储模块采用SM7C1041CV33外部静态存储，主要用于存储程序运行中的变量及数据，同时在调试模式程序可以在其中运行，不需反复擦写FLASH。

所述DSP模块通过A/D接口电路与所述霍尔传感器通讯连接。A/D模块的时钟频率最高为25MHz，最小转换时间为80ns，A/D模块接口电路由滤波电路、电压跟随器、偏置电路及限压保护电路所组成，用于接收霍尔传感器传来的电流信号并反馈给DSP模块。

所述DSP模块通过SCI接口电路与所述旋转编码器、所述多圈机电编码器通讯连接。SCI模块采用速差分转换芯片SM3096和SM3030作为SCI模块电平转换接口的收发芯片，主要用作与旋转编码器、多圈机电编码器进行串行数据通讯。

所述DSP模块通过驱动电路、驱动器与所述电动伸缩件电连接。驱动电路为PWM驱动电路，采用SM164245完成DSP输出信号3.3V与驱动模块电路5V的电平转换。电动伸缩件的驱动件采用永磁同步电机，驱动器选用永磁同步电机驱动器，驱动器单相220V/50Hz供电，根据DSP通过驱动电路传输的驱动信号大小，输出驱动永磁同步电机的三相正弦波信号。

根据本实用新型的一些实施例，处理器中内置自适应算法。不考虑丝杠和螺母之间的弹性变形和其他的非线性因素，将传动系统的模型简化，假设J_m、B_m、T_m、K_m、θ_m分别表示伺服电机的转动惯量、阻尼量、电磁转矩、转动轴的扭转刚度以及输出角位移；J_s、K_s、B_s、P_h、i、S、则分别代表丝杠的转动惯量、丝杠的扭转刚度、丝杠轴与滑枕之间的阻尼量、丝杠的导程(即为螺母旋转2π弧度时，丝杠的行程)、齿轮的传动比以及丝杠所前进的位移量。

根据传动系统各个结构之间的关系，能够得到各个变量之间的关系，假设ω_m为伺服电机轴的输出角速度，则根据电机转矩平衡的原理，能够得出：

其中，T_k为电机轴的负载转矩。

不考虑伺服电机轴的阻尼力B_m，可将以上公式简化为：

由于减速器的转动惯量在实际系统中影响不大，忽略减速器的转动惯量，假设减速器输出齿轮的角速率为ω₂，输入齿轮的角速率为ω₁，输出齿轮的转矩为T₂，输入齿轮的转矩为T₁，由齿轮传动的传动比等于转矩的反比可以得到：

其中，η为齿轮的传动效率，根据转矩之间的关系，能够得到：

其中，B_s为减速器阻尼力，ω₃为丝杠轴输出转速，T₃为丝杠的负载力矩。

不考虑减速器阻尼力B_s，可将以上公式简化为：

根据运动学关系，可以得到，

其中，

为丝杠的伸出速度，θ₃丝杠轴输出角度。

根据力矩的关系，可得到：

其中，F_m为丝杠的推力，m为丝杠推举的天线质量，

为丝杠伸出加速度。

通过以上公式联立，能够建立电动丝杠传动部分的传递函数模型。

参考图3，O₁为第二转轴，O₂为第一转轴，O₃为第三转轴。设当雷达天线垂直于地面时，第一转轴与第二转轴之间的距离为L，第一转轴与第三转轴之间的距离为H，第二转轴与第三转轴之间的距离为S，θ₀表示天线与O₁O₂之间的初始夹角，θ表示O₁O₂与O₂O₃之间的夹角，α表示雷达天线绕第一转轴转动角度。此时天线绕俯仰轴转动角度α＝0，L与H之间夹角θ＝θ₀。当丝杠推动天线绕第一转轴转动时，θ＝α+θ₀，θ与α呈线性关系，且天线俯仰轴转动角速度

和角加速度/>

分别可表示为：/>

因此，通过对丝杠的长度S进行控制，即可控制夹角θ的变化，进而直接控制雷达天线绕俯仰轴转动角度α。通过分析可以得到丝杠长度S与夹角θ的关系如下式所示：

根据上式可以看出，S与θ为非线性运动关系。同时，可以得到由丝杠长度表示的俯仰轴转动角度α、角速度

和角加速度/>

如下式所示：

因此，设状态向量

控制输入/>

则可以得到雷达俯仰轴控制系统的非线性状态方程为：

可以看出，当α为不同值时，雷达天线俯仰轴转动角速度随电动缸丝杠伸出速度变化呈非线性关系，即随着α的增大，天线绕俯仰轴转动角速度，随电动丝杠伸出速度的增大而加速增大。

根据以上分析，定义e、

和kp、ki、kd的模糊子集均为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，控制系统隶属度函数如图7所示。其中，e为误差，/>

为误差变化，kp为比例控制系数、ki为积分控制系数、kd为微分控制系数。

同时，根据控制系统设计的要求，选取e的基本论域为[-0.2，0.2]，

的基本论域为[-0.6，0.6]。kp的基本论域为[-10，10]，ki的基本论域为[-2，2]，kd的基本论域为[-3，3]。

根据分析，可以设计出如下表所示符合要求的kp、ki、kd模糊自适应整定规则表。

采用上式的加权平均法，对控制量kp、ki、kd去模糊化，其中x_i(i＝1,2,…n)为论域中元素，μ(i)为待判决输出模糊集合的隶属度函数。

最终得到控制量u如下式所示：

处理器基于以上算法即可控制电动丝杆的伸缩量程。

下面以一个具体的实施例详细描述大阵面雷达。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本实用新型的具体限制。凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。

本实施例中，参考图1，雷达包括天线1、基座2与电动伸缩件3。天线1包括天线本体11与设置于天线本体11背部中心位置的连接件12。基座包括成L型连接的支撑部22与连接部21，以及与连接部21、支撑部22的连接处连接并向远离支撑部22方向延伸的延展部23。连接件12与连接部21通过第一转轴4转动连接。电动伸缩件3的一端通过第二转轴5与延展部23远离支撑部22的一端转动连接，另一端通过第三转轴与天线本体11背部转动连接。第一转轴4即为天线的俯仰轴。

基座2设置有旋转编码器，用于获取天线本体11俯仰角度的变化值。电动伸缩件3上设置有多圈机电编码器，用于获取电动伸缩件3伸出的长度值。电动伸缩件3还设置有霍尔传感器，用于获取流经电动伸缩件3的电流值。

雷达还包括与旋转编码器、多圈机电编码器、霍尔传感器均通讯连接的处理器，用于控制电动伸缩件3的伸缩。处理器内设置有依次通过数据/地址总线连接的存储模块、DSP模块、FPGA模块。其中，DSP模块通过A/D接口电路与霍尔传感器通讯连接，DSP模块通过SCI接口电路与旋转编码器、多圈机电编码器通讯连接，DSP模块通过驱动电路与所述电动伸缩件电连接。处理器内置有自适用算法，用于通过旋转编码器、多圈机电编码器、霍尔传感器传输来的数据值计算出电动伸缩件的伸缩量，从而控制其伸出长度进行天线俯仰角度的控制。

在使用本实施例中的大阵面雷达时，参考图4与图6，采用三环控制结构调整雷达的俯仰角度，即电流环、速度环、位置环。位置环的反馈传感器为旋转编码器和多圈机电编码器，分别测量俯仰轴角度和电动丝杆的伸出长度。速度环的反馈通过旋转编码器和多圈机电编码器测量值的差分得到，分别测量俯仰轴角速度和电动丝杆的伸出速度。电流环传感器为霍尔传感器，测量电流环内的电流大小。雷达包括适配的控制软件，使用时对雷达的状态进行初始化，读取由各环路传感器传入的俯仰轴角度，并计算出角速度。读取伺服电动丝杠长度，并计算出丝杠伸出速度。读取电流环反馈的电流值。处理器依据读取的数据，判断雷达俯仰轴工作状态，并进行雷达俯仰轴转动角度和电动丝杠长度之间的换算，计算雷达俯仰轴转动误差。根据雷达俯仰轴转动误差，通过内置的自适应控制算法，得到电动缸丝杠长度控制量u。最后通过PWM驱动电路将驱动信号传输至驱动器，驱动电动丝杆的伺服电机运动，通过控制电动丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制。若控制过程未完成，则再次读取各传感器反馈的数值。若控制过程完成，则结束整个控制流程。

采用本实用新型的实施例，将雷达天线俯仰轴的转动控制转变为电动丝杠的长度控制，可以有效地降低天线风力矩、惯性力矩和摩擦力矩等干扰力矩对天线俯仰轴控制精度的影响，进而可以实现对雷达旋转位置、速度及力度的更加精准控制。

需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化，可以将各个实施例进行不同的自由组合。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本说明书的描述中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (8)

1.一种大阵面雷达，其特征在于，包括：天线与基座；

所述天线，包括天线本体与连接件，所述连接件设置于所述天线本体背部中心区域；

所述基座，包括支撑部与连接部，所述支撑部与所述连接部垂直连接，所述连接部远离所述支撑部的一端与所述连接件通过第一转轴转动连接；

电动伸缩件，一端通过第二转轴与所述基座转动连接，另一端通过第三转轴与所述天线本体靠近所述基座的一侧转动连接，所述电动伸缩件用于通过长度变化驱动所述天线绕所述第一转轴转动。

2.如权利要求1所述的大阵面雷达，其特征在于，所述支撑部的一端与所述连接部的一端垂直连接；所述基座还包括：

延展部，一端与所述支撑部的一端连接，另一端向远离所述支撑部的方向延伸；所述电动伸缩件的一端通过所述第二转轴与所述延展部的另一端转动连接。

3.如权利要求1所述的大阵面雷达，其特征在于，所述连接件设置于所述天线本体背部中心位置。

4.如权利要求1所述的大阵面雷达，其特征在于，所述电动伸缩件为电动丝杆。

5.如权利要求1所述的大阵面雷达，其特征在于，所述连接件还包括：

锁紧件，所述锁紧件的一端穿设所述连接件并与所述第一转轴止抵。

6.如权利要求1所述的大阵面雷达，其特征在于，所述大阵面雷达还包括：

处理器，与所述电动伸缩件电连接，所述处理器用于控制所述电动伸缩件进行伸缩。

7.如权利要求6所述的大阵面雷达，其特征在于，所述大阵面雷达还包括：

旋转编码器，设置于所述基座，用于获取所述天线俯仰角度的变化值；

多圈机电编码器，设置于所述电动伸缩件，用于获取所述电动伸缩件伸出的长度值；

霍尔传感器，设置于所述电动伸缩件，用于获取所述电动伸缩件的电流值；

所述处理器与所述旋转编码器、所述多圈机电编码器、所述霍尔传感器均通讯连接，所述处理器基于所述变化值、所述长度值、所述电流值对所述电动伸缩件的伸缩长度进行控制。

8.如权利要求7所述的大阵面雷达，其特征在于，所述处理器包括：

依次通过数据/地址总线连接的存储模块、DSP模块、FPGA模块；

所述DSP模块通过A/D接口电路与所述霍尔传感器通讯连接；

所述DSP模块通过SCI接口电路与所述旋转编码器、所述多圈机电编码器通讯连接；

所述DSP模块通过驱动电路与所述电动伸缩件电连接。

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