雷达扫描架位置精度补偿方法研究

 王杰琮

 （北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京．100191）

摘要：针对大型雷达扫描架由于自重产生结构变形，单纯的机械校正无法满足要求的位置精度，并且目前常用的补偿算法存在补偿精度差、效率低的问题，根据雷达扫描架的结构形式和控制方式，提出了一种基于PMAC运动控制器的位置精度补偿算法。该算法通过分析由激光跟踪仪采集得到的位置测量数据，运用精度补偿消除系统误差，有效提高了雷达扫描架位置精度，在工程项目中得到了很好的应用。

关键词：雷达扫描架；位置精度；补偿方法中图分类号：TN953

 0引言

 雷达扫描架是天线近场测试的一个重要设备，它承载测试探头对被测雷达进行检测，所以探头的位置精度直接关系到测试结果的准确性。尺寸和行程较大的扫描架由自重引发结构变形，很难达到所需的定位精度，通过强化雷达扫描架的结构来保证高精度存在着价格高、精度提升有限的缺点。因此，实际的工程解决方案通常采用机械调整和算法补偿来减小扫描架运动的位置误差。

 机械调整适用于粗调阶段，简单快速，但无法达到较高的精度；位置精度补偿方法适用于微调阶段，在粗调的基础上利用软件算法达到最终精度。目前，软件补偿算法有两种：①利用激光跟踪仪等末端位置检测装置实时反馈实际位置进行补偿，能达到很高的精度，但由于设备复杂、价格昂贵不能得到广泛的应用；②在上位机运动流程中加入补偿代码，此方法会占用上位机与下位机的通信，补偿效果和效率有限。本文提出了一种基于PMAC运动控制器的位置精度补偿算法，能够有效地弥补这一局限。

1 常见雷达扫描架结构形式

 常见雷达扫描架的结构简图如图1所示。其中，规定水平运动为X方向，竖直运动为y方向，伸缩运动为Z方向，水平运动和垂直运动可使探头形成扫描平面。另外，为保证扫描平面的平面度，伸缩运动可使探头在扫描平面内微调。

2精度补偿原理

2.1  误差的采集

 将激光跟踪仪靶标安装在探头末端，利用激光跟踪仪检测其真实位置。将Z轴运动锁定，通过控制器控制雷达扫描架在扫描平面上的运动，激光跟踪仪测得实际位置，如图2所示。

2.2  误差的处理

 激光跟踪仪测到的数据是以自身坐标系为基准的点的位置，因此我们需要将测到的点的位置转换到雷达扫描架的坐标系中。

 设雷达扫描架坐标系为OX YZ，激光跟踪仪坐标系为O1X1Y1Z1，空间直角坐标系的相对位置关系包括坐标系的平移和旋转，其坐标系的转换如图3所示。

空间位置矩阵为：

由式(3)可将测得的数据转换到雷达扫描架自身坐标系中。

 雷达扫描架误差的补偿是由各个坐标轴上的电机运动完成的，所以需要将采集到的误差投影到X、y、Z三个轴上，得出每个坐标轴上的电机需要补偿的补偿量，如图4所示。

2.3  误差来源分析

2.3.1  X方向运动误差来源分析

 X方向运动误差来源有：X方向电机以及传动装置误差、Y方向由y轴与X轴垂直度引起的误差以及y轴在X方向直线度误差，如图5所示。

2.3.2 y方向运动误差来源分析

 y方向运动的误差来源有：Y方向电机以及传动装置误差和X方向平面度引起的误差，如图6所示。

2.3.3 Z轴运动误差来源分析

 Z轴运动的误差来源有：X轴导轨直线度误差和y轴的直线度误差，如图7所示。

2.4  误差的修正

 根据误差来源分析，每个坐标轴运动误差都有两个误差源，PMAC运动控制器可以提供二自由度的补偿功能，由二自由度补偿表实现。二自由度补偿表记录两个误差来源电机的误差数据，对要进行补偿的目标电机进行补偿。将采集到的误差数据按照行数和列数写成一个二维表格，数据将存储到PMAC控制器特定的地址，如图8所示。

 PMAC运动控制器位置补偿算法是双线性插值，其原理如图9所示。

 首先，根据一次插值得到点(x，y1)和点(x，y2)的值：

然后，根据一次插值得到点（x，y）的值：

 f(x，y)即为该位置目标电机的补偿值。目标电机补偿流程如图10所示。

3实验验证与分析

 以补偿X轴位置精度为例作补偿的有效性分析。图11为补偿前的X轴位置误差分布。

 对电机进行补偿，补偿后X轴位置误差分布如图12所示。

补偿前、后数据对比见表1。

4结论

 本文为提高雷达扫描架位置精度提出了一种基于PMAC运动控制器的位置误差补偿方法，由补偿前、后数据对比可见，补偿后雷达扫描架误差的最大值和均方根都有很大的改善，由实验验证精度补偿方法能有效修正由机械结构引起的位置误差。