艦載穩定跟蹤平臺的設計與控制

陳立坡

(92785部隊 河北 秦皇島 066200)

0 引言

艦船在航行過程中，由于海浪不規則運動的影響，會有某一頻率和幅值的運動[1]，這種不規則運動會造成艦船上武器裝備性能指標的下降，有時甚至喪失作戰效能。穩定跟蹤平臺[2-3]由于能夠克服艦船的波動，通過高精度的傳感器實時測量艦船的搖擺信息，能夠精準的保證動態基準的精度，因此，在現代艦船武器系統中得到廣泛的應用。

本文通過創新性的選用串并聯機構的方式實現了穩定與跟蹤功能。穩定跟蹤平臺[4-5]主要由并聯自穩轉臺、串聯雙軸跟蹤轉臺以及控制系統組成。串聯雙軸跟蹤轉臺主要功能是方位軸、俯仰軸自動跟蹤，以達到跟蹤艦船目標的目的；自穩轉臺主要實現縱搖橫搖兩軸穩定的功能，為雙軸跟蹤轉臺提供穩定的基座；控制系統主要實現跟蹤轉臺與自穩轉臺的運動控制，并通過借助傳感檢測系統與外部通訊系統，實現平臺的穩定功能以及目標自動跟蹤功能。

1 穩定跟蹤平臺結構設計

艦載穩定跟蹤平臺由自穩轉臺、雙軸跟蹤轉臺、負載、電視跟蹤設備、測控柜和測控系統等六大部分組成，如圖1所示。自穩轉臺是一個多自由度并聯結構平臺，用于實現縱、橫搖兩軸穩定的功能，主要由上平臺、電動缸、球鉸、下萬向鉸、約束分支、下平臺組成，以雙軸跟蹤轉臺、用戶負載和電視跟蹤設備安裝于上平臺安裝面，安裝面的尺寸和安裝空間可根據負載的安裝要求進行確定。雙軸跟蹤轉臺采用U-U結構，臺體由內環組件和外環組件組成，外環軸系繞方位軸)旋轉，內環軸系繞俯仰軸旋轉，用于實現設備對目標的方位與俯仰跟蹤。

1.1 雙軸跟蹤轉臺結構設計

雙軸跟蹤轉臺由內環軸系、外環軸系、底座三部分組成，在兩個軸系分別設置軟件限位、光電限位和機械限位用于實現對軸系的保護。

1)內環組件結構

內環結構兩端分別安裝兩個軸承，軸承內側與傳動軸相固連，傳動軸左側連接減速機，右側連接測角傳感器，結構如圖2所示。

2)外環組件結構

外環結構固連在軸承上，通過螺栓與主軸固連。

主軸通過減速機驅動外環運轉，并通過測角傳感器實時測量外環的轉動角度，結構如圖3所示。

1.2 自穩轉臺系統

自穩轉臺是一個兩自由度并聯結構平臺，具有縱、橫搖兩軸穩定的功能。自穩轉臺并聯機構采用3UPS/PU機構，當每個驅動分支收縮到最短距離時，自穩轉臺的高度最低，因此提高平臺的穩定性。

自穩轉臺系統由控制系統、伺服驅動系統、3UPS/PU并聯機構組成。計算機控制系統通過對伺服驅動系統的實時控制，協調三個電動缸的非線性運動，實現自穩轉臺的兩個自由度的運動，進而實現上平臺縱、橫搖兩軸的穩定運動。在電動缸兩端設置有軟件、電氣開關、機械行程開關三級限位，同時在電動缸兩端安裝有緩沖裝置。其系統組成圖如圖4所示。

2 測控系統設計

自穩轉臺主要功能是克服艦船的搖擺所帶來的影響，提高比較穩定的工作平面。自穩轉臺具有兩個自由度，即橫搖和縱搖。高精度測角傳感器固定在轉臺上，能夠實時準確地測量艦船搖擺的姿態信息，通過控制系統的解算，分別控制各個驅動分支伸出或者收縮，達到穩定的目的。

2.1 測控系統方案

測控系統是設備的重要組成部分，主要用于實現系統的伺服控制策略、完成系統的技術性與功能性要求、保證系統正常安全可靠地工作。測控系統主要由測控系統軟件、雙軸跟蹤轉臺、自穩轉臺、編碼器、測角模塊、驅動器等結構組成，共同完成穩定跟蹤功能，系統組成圖如圖5所示。

控制系統采用高增益帶積分環節的控制系統，以保證系統的伺服剛度，提高跟蹤精度；采用高速采集和實時控制方案，使整個轉臺具有高定位能力和高速率精度、高速率平穩度的特性。

2.2 測控系統原理

艦載穩定跟蹤平臺具有五個驅動分支，并且每個分支之間相互獨立。為了達到高精度控制的目的，每個分支都是閉環控制，且控制策略都是相近的。控制系統通過解算實時控制每個分支準確運動，其控制策略如圖6所示。

轉臺的控制基于誤差控制理論，即指令值與反饋值的差值為誤差，控制的理想目標就是要使誤差為0。該誤差經過PID算法后產生電壓值，然后通過D/A轉換卡將電壓值輸出，作為伺服驅動系統的輸入。

3 樣機實驗

艦載穩定跟蹤平臺如圖7所示。為了驗證控制策略的正確性，通過具體的實驗對艦載穩定跟蹤平臺的主要指標進行了測試。

3.1 動態跟蹤精度

穩定跟蹤平臺通過兩軸驅動來保證穩定跟蹤目標，本節分別對兩軸的跟蹤精度分別進行了測量。測試過程中，選用0.5Hz、5.1°幅值的正弦曲線作為實際運動曲線，通過上位機實時測量出穩定跟蹤轉臺兩軸的實際輸出角度。俯仰軸的期望角度曲線與實測角度曲線如圖8所示，方位軸的期望角度曲線與實測角度曲線如圖9所示。

由圖8分析可知，俯仰軸實測運動幅值為5.09°，幅值跟蹤誤差為(5.1°-5.09°)/5.1°=0.2%；跟蹤角度滯后0.04s，相位誤差為360°×0.04s/2s=7.2°，因此俯仰軸具有較高的動態跟蹤精度。

由圖9分析可知，方位軸實測運動幅值為5.02°，幅值跟蹤誤差為1.6%；跟蹤角度滯后0.09s，相位誤差為16.2°，因此方位軸具有良好的動態跟蹤精度，但性能略低于俯仰軸。

3.2 穩定頻率

穩定跟蹤平臺的穩定功能主要由并聯自穩轉臺完成，本節對并聯平臺系統縱搖與橫搖的穩定頻率進行實驗測試，主要測試自穩轉臺能否滿足1Hz的穩定頻率，且幅值誤差小于10%，相位移不大于10°。實驗過程中對并聯自穩轉臺的橫搖穩定頻率與縱搖穩定頻率分別進行了測試。并聯平臺底座靜止的情況下，通過控制軟件控制并聯機構動平臺分別做橫搖與縱搖的搖擺運動，搖擺頻率為1Hz，搖擺幅值為1.5°，檢測并記錄保存動平臺的實際搖擺角度。自穩轉臺系統的橫搖穩定頻率曲線與縱搖穩定頻率曲線分別如圖10和圖11所示。

由圖10分析可知，自穩轉臺橫搖最大角度為1.504°，幅值最大差為0.2%；其中時間延后0.011s，相位角延后為3.96°，因此自穩轉臺縱搖也符合1Hz的頻率要求。

由圖11分析可知，自穩轉臺縱搖最大角度為1.504°，幅值最大差為0.2%；其中時間延后0.013s，相位角延后為4.68°，因此自穩轉臺縱搖也符合1Hz的頻率要求。

3.3 動態穩定精度

自穩轉臺的自穩精度主要用來測試轉臺安裝在搖擺艦載下的可靠性。由于艦船擺動的隨機性，不便于定量測量艦載平臺的性能測定，本節將自穩轉臺固定在搖擺臺上，且傾角傳感器固定在自穩轉臺上。實驗過程中，模擬艦船搖擺的轉臺頻率為0.1Hz，最大角度為30°，儲存傾角傳感器的搖擺度數。自穩轉臺安裝平面的橫搖與縱搖角度曲線如圖12所示。

由圖分析可知，自穩轉臺橫搖最大角度為0.61°，穩定精度為2.0%；縱搖最大擺動角度為1.1°，擺動角度隨搖擺臺擺動而發生變化，穩定精度為3.7%，因此自穩轉臺具有較好的動態穩定精度。

4 結束語

本文針對惡劣天氣下艦船對穩定跟蹤平臺的需要，創新性地設計了一種新型的艦載穩定跟蹤平臺。穩定跟蹤平臺采用并聯自穩轉臺與串聯雙軸跟蹤轉臺的聯合形式，串聯雙軸跟蹤轉臺主要功能是方位軸、俯仰軸自動跟蹤，以達到跟蹤艦船目標的目的；自穩轉臺主要實現縱搖橫搖兩軸穩定的功能，為雙軸跟蹤轉臺提供穩定的基座。基于RTX實時系統，設計了跟蹤轉臺的跟蹤控制系統與自穩轉臺的穩定定控制系統。為了驗證設計方案的可行性，最終依據本文的設計思路，自主開發了穩定跟蹤轉臺，并對其跟蹤精度進行測量。測量結果顯示本方案設計的艦載穩定跟蹤平臺具有較好的動態跟蹤性能與穩定定性能。