舰载稳定跟踪平台的设计与控制

陈立坡

(92785部队 河北 秦皇岛 066200)

0 引言

舰船在航行过程中，由于海浪不规则运动的影响，会有某一频率和幅值的运动[1]，这种不规则运动会造成舰船上武器装备性能指标的下降，有时甚至丧失作战效能。稳定跟踪平台[2-3]由于能够克服舰船的波动，通过高精度的传感器实时测量舰船的摇摆信息，能够精准的保证动态基准的精度，因此，在现代舰船武器系统中得到广泛的应用。

本文通过创新性的选用串并联机构的方式实现了稳定与跟踪功能。稳定跟踪平台[4-5]主要由并联自稳转台、串联双轴跟踪转台以及控制系统组成。串联双轴跟踪转台主要功能是方位轴、俯仰轴自动跟踪，以达到跟踪舰船目标的目的；自稳转台主要实现纵摇横摇两轴稳定的功能，为双轴跟踪转台提供稳定的基座；控制系统主要实现跟踪转台与自稳转台的运动控制，并通过借助传感检测系统与外部通讯系统，实现平台的稳定功能以及目标自动跟踪功能。

1 稳定跟踪平台结构设计

舰载稳定跟踪平台由自稳转台、双轴跟踪转台、负载、电视跟踪设备、测控柜和测控系统等六大部分组成，如图1所示。自稳转台是一个多自由度并联结构平台，用于实现纵、横摇两轴稳定的功能，主要由上平台、电动缸、球铰、下万向铰、约束分支、下平台组成，以双轴跟踪转台、用户负载和电视跟踪设备安装于上平台安装面，安装面的尺寸和安装空间可根据负载的安装要求进行确定。双轴跟踪转台采用U-U结构，台体由内环组件和外环组件组成，外环轴系绕方位轴)旋转，内环轴系绕俯仰轴旋转，用于实现设备对目标的方位与俯仰跟踪。

1.1 双轴跟踪转台结构设计

双轴跟踪转台由内环轴系、外环轴系、底座三部分组成，在两个轴系分别设置软件限位、光电限位和机械限位用于实现对轴系的保护。

1)内环组件结构

内环结构两端分别安装两个轴承，轴承内侧与传动轴相固连，传动轴左侧连接减速机，右侧连接测角传感器，结构如图2所示。

2)外环组件结构

外环结构固连在轴承上，通过螺栓与主轴固连。

主轴通过减速机驱动外环运转，并通过测角传感器实时测量外环的转动角度，结构如图3所示。

1.2 自稳转台系统

自稳转台是一个两自由度并联结构平台，具有纵、横摇两轴稳定的功能。自稳转台并联机构采用3UPS/PU机构，当每个驱动分支收缩到最短距离时，自稳转台的高度最低，因此提高平台的稳定性。

自稳转台系统由控制系统、伺服驱动系统、3UPS/PU并联机构组成。计算机控制系统通过对伺服驱动系统的实时控制，协调三个电动缸的非线性运动，实现自稳转台的两个自由度的运动，进而实现上平台纵、横摇两轴的稳定运动。在电动缸两端设置有软件、电气开关、机械行程开关三级限位，同时在电动缸两端安装有缓冲装置。其系统组成图如图4所示。

2 测控系统设计

自稳转台主要功能是克服舰船的摇摆所带来的影响，提高比较稳定的工作平面。自稳转台具有两个自由度，即横摇和纵摇。高精度测角传感器固定在转台上，能够实时准确地测量舰船摇摆的姿态信息，通过控制系统的解算，分别控制各个驱动分支伸出或者收缩，达到稳定的目的。

2.1 测控系统方案

测控系统是设备的重要组成部分，主要用于实现系统的伺服控制策略、完成系统的技术性与功能性要求、保证系统正常安全可靠地工作。测控系统主要由测控系统软件、双轴跟踪转台、自稳转台、编码器、测角模块、驱动器等结构组成，共同完成稳定跟踪功能，系统组成图如图5所示。

控制系统采用高增益带积分环节的控制系统，以保证系统的伺服刚度，提高跟踪精度；采用高速采集和实时控制方案，使整个转台具有高定位能力和高速率精度、高速率平稳度的特性。

2.2 测控系统原理

舰载稳定跟踪平台具有五个驱动分支，并且每个分支之间相互独立。为了达到高精度控制的目的，每个分支都是闭环控制，且控制策略都是相近的。控制系统通过解算实时控制每个分支准确运动，其控制策略如图6所示。

转台的控制基于误差控制理论，即指令值与反馈值的差值为误差，控制的理想目标就是要使误差为0。该误差经过PID算法后产生电压值，然后通过D/A转换卡将电压值输出，作为伺服驱动系统的输入。

3 样机实验

舰载稳定跟踪平台如图7所示。为了验证控制策略的正确性，通过具体的实验对舰载稳定跟踪平台的主要指标进行了测试。

3.1 动态跟踪精度

稳定跟踪平台通过两轴驱动来保证稳定跟踪目标，本节分别对两轴的跟踪精度分别进行了测量。测试过程中，选用0.5Hz、5.1°幅值的正弦曲线作为实际运动曲线，通过上位机实时测量出稳定跟踪转台两轴的实际输出角度。俯仰轴的期望角度曲线与实测角度曲线如图8所示，方位轴的期望角度曲线与实测角度曲线如图9所示。

由图8分析可知，俯仰轴实测运动幅值为5.09°，幅值跟踪误差为(5.1°-5.09°)/5.1°=0.2%；跟踪角度滞后0.04s，相位误差为360°×0.04s/2s=7.2°，因此俯仰轴具有较高的动态跟踪精度。

由图9分析可知，方位轴实测运动幅值为5.02°，幅值跟踪误差为1.6%；跟踪角度滞后0.09s，相位误差为16.2°，因此方位轴具有良好的动态跟踪精度，但性能略低于俯仰轴。

3.2 稳定频率

稳定跟踪平台的稳定功能主要由并联自稳转台完成，本节对并联平台系统纵摇与横摇的稳定频率进行实验测试，主要测试自稳转台能否满足1Hz的稳定频率，且幅值误差小于10%，相位移不大于10°。实验过程中对并联自稳转台的横摇稳定频率与纵摇稳定频率分别进行了测试。并联平台底座静止的情况下，通过控制软件控制并联机构动平台分别做横摇与纵摇的摇摆运动，摇摆频率为1Hz，摇摆幅值为1.5°，检测并记录保存动平台的实际摇摆角度。自稳转台系统的横摇稳定频率曲线与纵摇稳定频率曲线分别如图10和图11所示。

由图10分析可知，自稳转台横摇最大角度为1.504°，幅值最大差为0.2%；其中时间延后0.011s，相位角延后为3.96°，因此自稳转台纵摇也符合1Hz的频率要求。

由图11分析可知，自稳转台纵摇最大角度为1.504°，幅值最大差为0.2%；其中时间延后0.013s，相位角延后为4.68°，因此自稳转台纵摇也符合1Hz的频率要求。

3.3 动态稳定精度

自稳转台的自稳精度主要用来测试转台安装在摇摆舰载下的可靠性。由于舰船摆动的随机性，不便于定量测量舰载平台的性能测定，本节将自稳转台固定在摇摆台上，且倾角传感器固定在自稳转台上。实验过程中，模拟舰船摇摆的转台频率为0.1Hz，最大角度为30°，储存倾角传感器的摇摆度数。自稳转台安装平面的横摇与纵摇角度曲线如图12所示。

由图分析可知，自稳转台横摇最大角度为0.61°，稳定精度为2.0%；纵摇最大摆动角度为1.1°，摆动角度随摇摆台摆动而发生变化，稳定精度为3.7%，因此自稳转台具有较好的动态稳定精度。

4 结束语

本文针对恶劣天气下舰船对稳定跟踪平台的需要，创新性地设计了一种新型的舰载稳定跟踪平台。稳定跟踪平台采用并联自稳转台与串联双轴跟踪转台的联合形式，串联双轴跟踪转台主要功能是方位轴、俯仰轴自动跟踪，以达到跟踪舰船目标的目的；自稳转台主要实现纵摇横摇两轴稳定的功能，为双轴跟踪转台提供稳定的基座。基于RTX实时系统，设计了跟踪转台的跟踪控制系统与自稳转台的稳定定控制系统。为了验证设计方案的可行性，最终依据本文的设计思路，自主开发了稳定跟踪转台，并对其跟踪精度进行测量。测量结果显示本方案设计的舰载稳定跟踪平台具有较好的动态跟踪性能与稳定定性能。