一种用于舰载无人机通信的天线伺服系统设计

孙雪云，李兵强，刘冬利，李 玄，唐 坤

(西北工业大学 自动化学院，西安 710129)

一种用于舰载无人机通信的天线伺服系统设计

孙雪云，李兵强，刘冬利，李 玄，唐 坤

(西北工业大学 自动化学院，西安 710129)

为克服舰载设备使用稳定平台的可靠性问题，提出并设计了一种脱离稳定平台用于舰载无人机通信的天线伺服系统；该天线伺服系统用于舰艇对舰载无人机的实时跟踪，具有自动跟踪和手动跟踪两种工作模式，并且结构简单、工作稳定、响应速度快；从系统设计原理出发，阐述了系统的机电作动机构、角度跟踪算法、系统硬件电路设计以及伺服电机控制策略；实验表明，该伺服系统能够实时对舰载无人机进行精确跟踪，从而保障舰艇与无人机的有效通信。

舰载；无人机；天线伺服；稳定平台

0 引言

随着无人机技术的不断进步，无人机在军事作用上起到越来越大的作用，目前无人机已经装备在舰艇上。舰载无人机利用机载照相、光电、红外、电子侦察等先进传感器，实施空中监视、侦察、炮火校正、目标指示、充当诱饵、电子对抗、毁伤评估，以及配备机载导弹等武器，完成封锁、反舰或对陆攻击等作战任务。舰载无人机以成本低、体积小、作战使用灵活、费效比高、可避免人员伤亡等优势，得到世界各国海军的广泛认可[1]。

对于遥控设备，舰载无人机利用舰艇上的天线设备对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。目前，国内大部分舰载通信天线伺服系统都安装在稳定平台上，稳定平台的使用，不仅增加了舰艇的设备量，而且增加了一些不可靠因素。为克服上述问题，本文提出一种脱离稳定平台的舰载无人机通信天线伺服系统，并设计了总体结构，阐述了基本工作原理，研制了机电作动机构，分析了转动角结算算法，完成了硬件电路设计和伺服控制算法的设计与调试，可有效保证舰艇与无人机的有效通信。

1 系统总体组成和原理

舰载无人机通讯天线伺服控制系统主要由伺服电机控制器、上位机和机电作动机构组成。其系统原理如图1所示。

图1 伺服系统总体原理图

上位机把接收到GPS数据转换成船体、无人机的航姿信息，通过RS422串口将航姿信息发送给伺服电机控制器，控制器根据当前接收到的航姿信息解算出需要转动的方位角度和俯仰角度，通过永磁同步电机、光电编码器等构成的位置闭环控制回路，带动减速机同时驱动方位控制转台和俯仰控制转台旋转，完成对无人机的实时跟踪。伺服电机控制器也通过RS422串口将当前转动的角度值发送给遥控计算机，供操作人员参考。本系统具备自动跟踪和手动跟踪两种工作模式，控制软件在上位机上运行。正常情况下，系统工作在自动跟踪模式下，上位机周期性的向伺服电机控制器发送航姿信息，控制器解算出天线需要转动的方位角度和俯仰角度，驱动伺服电机控制回路执行转动。当出现跟踪丢失，上位机接收不到GPS信号，系统工作在手动跟踪模式下。上位机根据无人机飞行轨迹，预测无人机出现的位置，伺服电机控制回路带动天线转动到上位机给定的预测位置等待无人机的出现。

2 机电作动机构

机电作动机构主要由永磁同步电机、减速机、旋转变压器、光电编码器、滑环、转台、套筒、转动轴、底座等组成。

本系统使用的两台永磁同步电机均为50 W，额定转3 000 r/min，额定转矩为0.16 N·M。在方位角控制和俯仰角控制均使用两级行星减速机，减速比分别为80:1和120:1，永磁同步电机转速传感器采用的是Singlysn系列的旋转变压器，转台位置传感器采用的是分辨率为14位的光电编码器。

3 转动角解算

由于该舰载天线伺服系统脱离稳定平台，直接安装在船体表面，所以船体的航姿影响到转动角的计算，需要船体实时的航姿信息来解算转动角。上位机给伺服电机控制器发送的航姿信息包括船体的经度L1、纬度B1、航向角H、横滚角R、纵摇角P、船体海拔A1和无人机的经度L2、纬度B2、无人机海拔A2[2]。

1)根据船体经纬度和无人机经纬度、海拔，将船体和无人机转换到地心坐标系中。船体坐标为(X1,Y1,Z1)，无人机坐标为(X2,Y2,Z2):

(1)

(2)

(3)

其中：

(4)

3)根据船体航向角、横滚角和纵摇角，将无人机转换到以船体甲板和天线底座接触中心为原点，甲板平面内垂直指向右侧船舷为X轴，垂直于X轴并且指向船头方向为Y轴，垂直于甲板平面为Z轴的船体坐标系中[3]。转移后的坐标为：

(X″2,Y″2,Z″2)

(5)

其中:

(6)

4)根据公式(3)中得到的无人机在考虑航向角、横滚角和纵摇角船体坐标系的坐标(X″2,Y″2,Z″2)，即可计算得到此时无人机相对于船体的方位角A和俯仰角E。

(7)

4 系统硬件电路设计

系统硬件电路主要包括DSP控制电路、通信接口电路、电源变换电路、驱动隔离电路、相电流采样电路以及位置、速度信号调理电路等组成。系统硬件电路结构如图2所示。

图2 系统硬件电路结构图

DSP控制芯片选择的TMS320F28335，该芯片为TI公司生产的最高时钟频率为150 MHz，且具备32位浮点处理单元的高新能数字信号处理芯片。得益于其自带的32位浮点处理单元，使得转换航姿信息和解算转动角更加方便、精确。

电源供电采用的是220 V两相交流电，通过电源变换电路得到直流24 V控制器供电和直流300 V三相逆变桥供电。相电流采样采集的是永磁同步电机三相电流，经过二阶滤波后送入DSP的AD引脚。光电编码器输出的信号经过电平转换后送入DSP的QEP管脚。

4.1 速度信号调理电路

旋转变压器作为电机的速度传感器相比于霍尔传感器更加精确，相比于光电编码器更加可靠。旋转变压器安装在电机内部，使用方便。选择AD2S1210芯片对旋转变压器输出的相互正交的两组正弦信号进行解码。根据转速测量的不同需求，可通过外部电路将AD2S1210配置分辨率在10、12、14、16bit四种工作模式，本系统选择AD2S1210工作在12bit分辨率工作模式下。AD2S1210具体外围配置电路如图3所示。

图3 AD2S1210外围配置电路

4.2 隔离驱动电路

控制器需控制两台永磁同步电机， 要同时输出2组12路PWM信号。为防止功率变换电路对DSP控制电路的干扰，PWM信号经过隔离芯片ADUM1401进行隔离后，送入逆变桥驱动芯片IR2136S。由于IR2136S具有反向的作用，为保证在系统不工作状态下逆变桥处于关断状态，12路PWM信号在进入隔离芯片ADUM1401前通过上拉电阻拉至3.3 V状态。IR2136S具体外围配置电路如图4所示。

图4 IR2136S外围配置电路

5 伺服电机控制策略

该舰载天线伺服系统是一种位置伺服控制，系统结构图如图5所示。系统采用三闭环控制结构[4]。位置外环：控制天线转动角与给定值一致，实现精确控制；速度中环：消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响；电流内环:控制逆变器在电机定子绕组中产生准确的电流[5]。控制策略上，位置环、速度环和电流环采用经典PID控制。

图5 伺服电机控制系统结构图

6 试验结果与分析

1)伺服系统控制精度实验：伺服系统通电后回归零位，即方位角指向正北和俯仰角为水平0度，将两个电子罗盘固定在方位转台和俯仰转台上，通过上位机把航姿信息发送给伺服电机控制器，等达到稳态时，比较电子罗盘运动前后的角度值和通过人工计算得到的角度信号来判断伺服系统的控制精度。表1为控制精度测试实验的数据。

表1 控制精度测试实验的数据

2)伺服系统响应速度实验：通过上位机给定方位角为90°和俯仰角为30°的航姿信息，实验结果如图6和图7所示。

图6 方位角转动曲线

图7 俯仰角转动曲线

通过实验(1)可见，伺服系统在方位角和俯仰角的控制误差均小于0.2°，通过实验(2)可见，方位角转动90°和俯仰角转动30°所用的时间均小于1 s，并且对于阶跃信号的响应几乎没有超调。总体来看，系统的性能可以满足技术指标。

7 结论

设计了一种用于舰载无人机通信的天线伺服系统，控制精度实验和响应速度实验表明，本文所设计的双轴舰载无人机通信伺服系统完全可以满足舰艇对无人机的跟踪要求，且性能稳定，结构简单，可靠性高。

[1] 赵 涛. 舰载无人机的发展[J]. 船舶电子工程, 2010 (4): 21-24.

[2] 魏英杰. AXY天线座在船用卫星通信天线中的应用[J]. 无线电工程,2014,09:45-47.

[3] 薛乐堂,刘廷霞,陈 涛. 舰载跟踪设备自稳定建模坐标旋转变换顺序研究[J]. 长春理工大学学报(自然科学版),2008, 31(2):27-29.

[4] 李兵强,林 辉. 新型永磁同步电机高精度调速系统[J]. 中国电机工程学报,2009,15:61-66.

[5] 吴 春,齐 蓉,李兵强,等. 永磁同步电动机在电动舵机伺服系统中的应用[J]. 微特电机,2012,05:10-12.

Design of an Antenna Servo System for Ship-borne UAV Communications

Sun Xueyun, Li Bingqiang,Liu Dongli, Li Xuan, Tang Kun

(College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China)

In order to overcome the reliability problem of stabilized platform used for shipboard equipment,a kind of out of stabilized platform antenna servo system for the communication between ships and ship-borne UAV is put forward and designed. This antenna servo system，with two kinds of working mode: automatic tracking and manual，is used for vessels of ship-borne UAV real-time tracking. This paper also expounds the system of electromechanical actuation mechanism，tracking algorithm，the design of system hardware circuit and servo motor control system. Experiments show that the servo system can track of ship-borne UAV accurately，thus the effective communication between ships and UAV can be ensured.

ship-borne；UAV；antenna servo；stable platform

2016-06-02；

2016-07-05。

国家自然科学基金(51407143)；高等学校博士学科点专项科研基金(20136102120049)；陕西省自然科学基础研究计划(2014JQ7264，2015JM5227)；中央高校基本科研业务费(3102014JCQ01066)。

孙雪云(1992-)，男，安徽亳州人，硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动方向的研究。

李兵强(1981-)，男，河北石家庄人，工学博士，副教授，主要从事现代电力电子工程和现代电机控制技术等方向的研究。

1671-4598(2016)12-0127-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.036

TP273

A