基于ADAMS和Matlab的一对多激光跟踪天线联合仿真

马国栋，张立中，2，张雪瑶

（1.长春理工大学　机电工程学院，长春　130022；2.长春理工大学　空地激光通信国防重点学科实验室，长春　130022）

基于ADAMS和Matlab的一对多激光跟踪天线联合仿真

马国栋1，张立中1，2，张雪瑶1

（1.长春理工大学机电工程学院，长春130022；2.长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室，长春130022）

为了研究激光通信跟踪天线的跟踪性能、减小伺服传动误差、提高设计效率，采用ADAMS和Matlab对一对多激光通信跟踪天线的性能进行机-电联合仿真。利用ADAMS搭建动力学模型，Matlab搭建控制系统模型，然后利用控制系统模型和动力学模型组成联合仿真模型，对一对多激光通信跟踪天线进行联合仿真。由一对多激光通信跟踪天线的联合仿真结果可以得出：一对多激光通信跟踪天线具有良好的跟踪性能，系统稳定状态下，跟踪误差小于目标值的0.4%以下。结果表明：建立的联合仿真模型能够精确地反应跟踪天线的跟踪性能，极大地提高了设计效率，减小了伺服传动误差，为原理样机的研制提供了理论依据。

激光通信；ADAMS；Matlab；机-电联合仿真

激光通信具有通信速率高、通信容量大，抗干扰能力好、抗截获能力强、安全保密，体积小、重量轻、功耗低等优点，是未来高速率、宽带信息传输的重要模式，是最具有潜力的通信模式之一［1］。

随着激光通信的不断发展，各国对激光通信技术也越来越重视，对激光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究［2］，激光通信跟踪天线也已成为通信系统中的重要设备之一。跟踪机构是保证目标间对准、接收的重要单元。目前，国内外的激光通信研究基本还处在点对点阶段。为了建立激光通讯链路，传输网络信息，需要搭建一点对多点的激光通讯系统，一对多激光通信跟踪天线的建立具有非常好的实用价值。

一对多激光通信跟踪天线由6个相互独立的十字跟踪架机构组成，能够完成对多个目标的跟踪与探测。由于跟踪天线结构过于复杂，需要对其进行动力学仿真分析和运动学仿真分析。但单一的仿真分析又不能直观的反应机构的性能，搭建联合仿真平台，有效的解决了这一问题［3］。

本文利用ADAMS和Matlab对十字跟踪架机构进行了机-电联合仿真，通过虚拟仿真，得出了十字跟踪架的跟踪精度，为跟踪天线的设计和优化提供参考建议［4］。

1　一对多激光通信跟踪天线

1.1跟踪天线结构设计

为了实现多个目标的探测与跟踪，采用N个（本方案设定为六个）相互独立的十字跟踪架，以60°均布的形式进行组合，其中每个十字跟踪架可实现方位±32°，俯仰±10°转动，从而形成一定口径的反射镜锥面，每个反射镜可将其法线附近一定范围内的光发射到光学口径内，通过后面的通光光路，实现对不同目标的通信。一对多激光通信跟踪天线三维模型图如图1所示。

图1　一对多激光通信跟踪天线三维模型

一对多激光通信系统的技术指标如下所示：

（1）跟踪精度：250μrad；

（2）保精度最大角速度：10mrad/s；

（3）单个反射镜方位回转范围：±32°；俯仰回转范围：±10°；

（4）多点通信终端个数：6个；

（5）卡式系统口径：320mm。

1.2十字跟踪架机构设计

十字跟踪架机构由方位运动和俯仰运动两部分组成。方位轴系主要元器件有方位轴、角接触球轴承、分装式直流力矩电机、光栅安装锥板、Renishaw圆光栅、方位轴系外壳等。俯仰轴系主要元器件有U型架、角接触球轴承、反射镜、光栅和音圈电机等。方位轴调整十字跟踪架机构的方位角度调整，俯仰轴调整十字跟踪架机构的俯仰角度调整。通过对方位和俯仰角度的调整来完成对目标的探测、捕获和跟踪。十字跟踪架机构如图2所示。

图2　十字跟踪架机构示意图

2　控制仿真模型的建立

2.1模型简化

由于利用ADAMS进行运动学、动力学仿真分析计算时，只需要考虑结构构件的质量和质心位置，各个构件的外部形状不予考虑［3］，因此把三维模型整体导入不仅无实在意义，而且会导致多出许多不必要的约束关系。所以在导入模型之前需对模型进行简化，去除多余的约束关系，导入ADAMS中的简易模型应遵循以下要求［5］：

（1）导入的模型应该能够清晰的表达各个构件之间的连接关系。

（2）多个构件固连在一起时，在不改变质量和质心位置的情况下，将多个构件看做一个整体。

（3）简化的模型在外观上应与三维模型大致相近，减少在外观上的差异。

简化后的模型大致分为四个部分：方位轴系、俯仰轴系、光栅和反射镜。简化后的模型如图3所示。

图3　简化模型

2.2设定仿真参数

（1）通过对简化模型每一个部件材料属性的定义，能够得出十字跟踪架机构的整体质量为3.538kg。

（2）十字跟踪架机构的阻尼主要来源于轴承内部的摩擦，轴承内部的摩擦属于润滑钢和润滑钢之间的摩擦，根据表1可以得出十字跟踪架的阻尼系数为0.16。

表1　常用材料之间的摩擦系数表

（3）其他设置均采用ADAMS的默认设置。

2.3约束关系定义

所有零件均定义为刚性，并定义每个构件的材料、转动惯量和密度等属性。确定各部件间的约束关系，主要零部件间的约束关系如表1所示。

表2　模型约束关系

2.4输入输出变量

设定输入变量为力矩，输出变量为速度，以此来验证所选用电机力矩输出是否满足要求。输入状态变量包括方位轴力矩，俯仰轴力矩，输出状态变量包括俯仰轴转动速度、方位轴转动速度、方位轴转动角度、俯仰轴转动角度［6］。

利用ADAMS中的control模块设置输入、输出对象，选择Matlab为目标文件，点击确定生成ADAMS和Matlab的接口文件［6］。在ADAMS的工作目录下将出现3个接口文件。

3　ADAMS和Matlab联合仿真

3.1将接口文件导入Matlab

启动Matlab，将MMatlab的工作路径指向ADAMS的工作路径，在工作路径下找到Matlab所需的后缀为.m的配置文件。打开后运行此文件，在Matlab的命令窗口下输入adams_sys，将弹出一个命令窗口，其中的S-Function方框表示ADAMS模型的非线性模型，也就是进行动力学计算的模型，State-Space表示ADAMS模型的线性化模型，在adams_sub包含有非线性方程，也包含许多有用的变量［7］。

3.2搭建控制系统模型

利用Matlab/Simlink模块搭建控制系统模型，将接口模块和控制系统模型连接在一起。搭建联合仿真模型，联合仿真模型由方位驱动单元、俯仰驱动单元和接口模块组成。控制系统模型如图4、5所示。由控制系统模型可知，方位轴与俯仰轴具有相同的控制结构，以方位轴为例分析控制系统的基本特性，表3为方位轴控制系统参数。通过改变控制系统模型中的比例、积分环节进而确定十字跟踪架机构的响应速度和粗跟踪性能。

图4　阶跃响应联合仿真控制模型

图5　正弦响应联合仿真控制模型

表3　方位轴控制系统参数

双击控制系统中adams_sub模块，进入参数设置对话框，将Animation mode设置成interactive，这样就可以在ADAMS和Matlab进行数据交换时观察仿真动画。通讯时间设置为0.05s，即每0.05s进行一次数据交换。其他设置使用默认设置。

3.3仿真

3.3.1测试十字跟踪架机构的速度环跟踪精度

（1）阶跃响应

对仿真模型输入阶跃信号，得到方位轴系的响应速度曲线及误差曲线如图6、7所示。

图6　方位轴系step响应曲线

图7　俯仰轴系的step响应误差曲线

对仿真模型输入阶跃响应，得到俯仰轴系的响应速度曲线和误差曲线如图8、9所示。

图8　俯仰轴系step响应曲线

图9　俯仰轴系的step响应误差曲线

从图6、7、8、9中可以得出，在跟踪的开始阶段，由于系统在跟踪时需要调整时间，导致系统的跟踪误差较大，出现较大的超调量，随后跟踪误差逐渐降低。待系统稳定后，跟踪误差曲线近似为一条直线，跟踪误差趋近于0，从跟踪曲线可得系统具有良好的指向精度。

（2）正弦响应

对仿真模型输入正弦曲线，得到方位轴系的响应速度曲线和误差曲线如图10、11所示。

图10　方位轴系正弦跟踪曲线

图11　方位轴系的正弦跟踪误差曲线

从图10和图11中可以得出，当给定角频率为0.02mrd/s，系统的跟踪误差稳定在目标值的0.335%左右，具有良好的跟踪精度。

对仿真模型输入正弦曲线，得到方位轴系的响应速度曲线和误差曲线如图12、13所示。

图12　俯仰轴系正弦跟踪曲线

图13　俯仰轴系的正弦跟踪误差曲线

从图12和图13中可以得出，当给定角频率为0.02mrd/s，系统的跟踪误差稳定在目标值的0.2%左右，具有良好的跟踪精度。

3.3.2测试十字跟踪架机构的位置环跟踪精度

根据图14和图15可以得出十字跟踪架机构的位置环跟踪误差。当给定方位转动角度为30°，俯仰转动角度为10°时，方位轴的误差值为150μrad，俯仰的误差值为180μrad，则可计算出十字跟踪架的误差为234μrad，满足技术指标中所提要求。

图14　方位轴位置环误差曲线

图15　俯仰轴位置环误差曲线

4　结论

通过对十字跟踪架机构的指向精度和跟踪精度的仿真数据得出，系统稳定状态下，系统的跟踪精度非常好，跟踪误差小于目标值的0.4%以下，能够满足技术指标所提的要求。说明建立的联合仿真模型的合理性和正确性。通过机-电联合仿真减小了伺服传动误差，提高了设计效率，模拟出了激光通信跟踪天线的跟踪性能。为原理样机的研制提供了宝贵的理论依据。

［1］孟立新.机载激光通信屮捕获与跟踪技术研究［J］.长春：吉林大学，2014.

［2］张靓，郭丽红，刘向南，等.空间激光通信技术最新进展与趋势［J］.飞行器测控学报，2013，32（4）：286-293.

［3］王晓东，毕开波，周须峰.基于ADAMS与Simulink的协同仿真技术及应用［J］.计算机仿真，2007，24（4）：271-274.

［4］马冉冉，王彤宇.基于ADAMS的二维跟踪转台动力学耦合分析［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2015，38 （1）：79-84.

［5］王会彬，赵海娜，郑华山.基于MATLAB和ADAMS的转台系统联合仿真［J］.军民两用技术与产品，2015，56 （3）：56-58.

［6］郑黎明，黄剑波.基于ADAMS和Simulink的太阳跟踪器联合仿真［J］.光学精密工程，2014，22（5）：1212-1219.

［7］郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高［M］.北京：机械工业出版社，2002.

One-to-multiple Laser Communication Tracking Antenna Co-simulation Based on ADAMS and Matlab

MA Guodong1，ZHANG Lizhong1，2，ZHANG Xueyao1

（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

To study the tracking performance of laser communication optical antenna，decrease the servodrive error，and enhance design efficiency，the paper performs the joint simulation of ADAMS and MATLAB for one-to-multiple laser communication system.In the joint simulation，soft ADAMS builds the dynamics model and soft MATLAB builds the system model.From the simulation results，we can see that the one-to-multiple laser communication optical antenna owns the nice tracking performance and in steady state of system，tracking errors are less than 0.4%of target value. The results also show that the joint simulation model is able to express tracking performance of optical antenna，increase the design efficiency sharply and minish servodrive errors，which provides theoretical foundation for studying the rationality of principled sample machine.

laser communication；ADAMS；Matlab；machine-electric co-simulation

TN929 1

A

1672-9870（2016）03-0078-05

2015-12-10

马国栋（1990-），男，硕士研究生，E-mail：718640440@qq.com

张立中（1968-），男，教授，博士生导师，E-mail：zlzcust@126.com