大型雷达天线自动对接关键技术研究进展

彭高亮，薛 渊，刘世伟

(哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

雷达被喻为 “国防千里眼”，是实现战场感知和远距离精确打击的必要手段，在预警、扫描、警戒、火控等多方面有着重要应用，直接影响到现代战争的制信息权，已成为现代电子战和信息战的核心装备。随着反隐形飞机、反导防御等武器装备发展需求的牵引，现代战争对武器装备的机动性能和快速反应能力提出了越来越高的要求，地面雷达也正朝着阵面大型化、单元密集化、高机动性和高可靠性的趋势发展。美、俄、法等国均已把大型雷达列入国防关键技术。我国目前研制的新一代大型预警雷达很多性能指标国际领先，图1(a)所示为某型机动式预警相控阵雷达，凭借其大型天线阵面，具备探测目标类型多样、反隐身能力强、分辨率高、扫描范围大、抗干扰能力强等特点；图1(b)所示为某型对空警戒雷达，是一种全新米波段三坐标对空监视雷达，具备很高的测量精度和反隐探测能力。

(a) 某型机动式预警相控阵雷达

(b) 某型对空警戒雷达

地面雷达的机动性主要体现在雷达天线架设和撤收的快速性以及良好的机动性能，它是有效掌握战争主动权，使得雷达免遭敌方的攻击和杀伤，并充分发挥作战效能的保障。为满足运输需求，需要首先对大型雷达进行分块或折叠处理，待进入阵地后再进行组装，在完成任务后进行撤收分解并转移。大型雷达天线通常尺寸超过100 m2，重达几十吨甚至上百吨。如何实现大型雷达的快速部署，是适应当前高机动作战需求的保障。

由于技术的封锁，关于国外大型雷达自动对接领域的原理技术尚未找到相关文献佐证，而国内在大型雷达自动对接方面技术积累较少。因而，借鉴空间对接和飞机装配等领域中广泛应用的大部件自动对接关键技术，将其移植应用于大型雷达自动对接中，能够为解决这一关键问题提供有效思路和解决方案。本文根据大型雷达自动对接的流程和难题，提炼对接过程中的关键技术，并对相关领域的研究现状进行分析，总结展望今后雷达天线自动对接技术的趋势和启示。

1 雷达天线自动对接特点

目前我国大型机动雷达天线组装过程主要采用吊车吊装、人工辅助对接的方式，安装效率低、精度和质量难以保证，已不能满足现代雷达高机动、高精度、高作战效能等要求。分块天线自动对接过程成为制约雷达机动性能的重要因素。鉴于国外技术的封锁，在国内雷达自动对接技术尚不成熟的现状下，结合雷达天线的特殊要求，借鉴大部件自动对接技术的成功经验，开展雷达天线自动对接技术的相关研究成为一条行之有效的途径，雷达天线自动对接系统组成如图2所示。

图2 大型雷达天线自动对接系统组成Fig.2 Composition of large radar antenna automatic docking system

空间对接环境中没有重力，可实现完全柔顺对接，与地面上大部件对接差别很大。飞机等大部件对接技术通过高精度设备测量大部件关键特征点位置，使用计算机控制柔性定位工装自动调整大部件位姿，实现“测量-调姿”全闭环控制，属于室内环境下数字化装配的范畴。大型雷达天线自动对接技术，是在上述基础上提出的新应用领域，在技术要求、使用环境、对接任务上有本质的区别，具有以下新的技术特点。

1) 复杂服役环境下的精确调姿问题：雷达天线的大尺寸、重载荷特性所造成的机构变形不可忽略，并且对接过程中容易受到载体、风力等外部干扰影响，加上战争条件下的恶劣阵地环境，如何实现雷达天线对接位姿的快速、精确调节一直是自动对接过程中的一大难题。

2) 长期服役条件下的多次重复对接问题：不同于飞行器对接和飞机总装等，雷达天线需要满足长期服役的作战需求，如何保证雷达天线多次重复对接精度同样是一个难点。

3) 地面室外环境下的精确测量问题：雷达天线对接的复杂环境极大影响了位姿的精确测量，解决大尺寸与高精度间的矛盾，并且能够适应室外高低温、光照、雨雾等环境条件，是一个挑战性问题。

雷达天线自动对接按照其工作流程及涉及的关键技术，主要可分为雷达天线自动调姿、雷达天线位姿测量、雷达天线对接三大部分，下面分别详细介绍这3个关键技术和难点的研究进展。

2 自动调姿系统

雷达天线自动调姿系统，即在脱离人工干预的情况下，自动调节雷达天线的相对位姿，对于复杂服役环境的雷达而言，绝大多数情况下需要调整6个自由度位姿。自动调姿机构核心在于调姿机构的设计，按照组合形式的不同，调姿机构可分为串联调姿机构、并联调姿机构和混联调姿机构。

2.1 串联调姿机构

串联调姿机构通过关节串联的形式实现自由度调节，其结构简单、运动空间大、易于控制，但难以承受大载荷限制了其在动对接中的应用。文献[1]中提出一种微小卫星在轨自动对接技术，采用串联式调姿机构实现调姿，仅有绕垂直对接轴转动和轴向进给两个自由度，模仿卫星的空间自动交会对接任务，此工况不考虑结构在重力状态下的变形。文献[2]中提出一种基于连杆机构的串联型自动吊装设备，通过连杆结构和缆绳，对货轮集装箱进行吊装码垛。

2.2 并联调姿机构

相比于串联机构，并联机构具有承载能力强、刚度高、精度高和动态性能好的优势，特别是对于大尺寸、重载荷部件装配或对接，工程上广泛采用并联机构进行位姿调节。空间对接试验台、飞行模拟器等基本采用并联机构进行位姿调节。燕山大学宜亚丽等[3]采用Stewart并联调姿平台，实现了某型舱段的六自由度调姿和柔顺装配。

在飞机自动装配中，主要有分布支点式位姿调整和整体托架式位姿调整。分布支点式位姿调整系统中各定位器相互独立，采用分布式布局，每台定位器都与对接部件单独相连。浙江大学柯映林等设计的分布支点式位姿调整系统成功应用于多项国家重点型号工程，大幅提高了飞机装配的质量和效率[4]。整体托架式位姿调整系统避免了定位器与机体直接连接，通过一个连在机体外表面的固定托架参与对接，固定托架具有一定的保型功能，以此增大了接触面积，能够有效控制大部件的受力变形[5]。波音787率先使用整体托架式系统进行位姿调整，并进行广泛应用和推广，取得了极大的成功。

值得指出的是，在调姿机构的设计中，可以将分布支点式位姿调整系统和整体托架式位姿调整系统同并联机构关联起来。将前者理解成为一种全离散的并联调姿机构，将后者理解成为一种半离散的并联调姿机构，对于调姿机构的理解和整个调姿系统的设计更有研究意义。

目前，对于并联调姿机构的研究主要涉及运动空间分析、奇异点分析、运动学和动力学建模、控制策略和冗余并联机构设计等几个方面。但并联机构作为一个多输入多输出的复杂系统，具有高度非线性和多参数强耦合的特性，对其精确的动力学建模带来了极大的困难，因而也严重制约了控制策略的工程实现。

2.3 混联调姿机构

串联调姿机构工作空间大、末端执行器灵活，并联机构在刚度、精度和动态性能上具有极大的优势，因此将串联机构和并联机构结合起来，形成混联调姿机构，两者优势互补，兼具串联、并联机构的优点。

混联机构按照连接形式可分为两类，一类是由串联机构和并联机构串联而成，另一类是由并联机构串联而成。在大部件对接调姿机构中，后者应用更为广泛。燕山大学胡波[6]针对2个少自由度并联机构串联组成的混联机构，开展了其基础理论模型的研究，建立了这类机构的运动学、静力学和刚度模型，对于混联调姿机构的分析与综合具有一定指导作用。哈尔滨工业大学彭高亮等[7]采用一个3自由度冗余并联机构和一个3自由度平面并联机构串联组合成混联机构，对重载雷达天线进行调姿，机构原理如图3所示，并在雷达装备中进行了验证。

图3 6自由度混联调姿机构原理图及其应用Fig.3 6-DOF hybrid serial-parallel pose adjustment mechanism and its application

综上所述，混联机构兼具串联、并联机构的特点，具有运动空间大、承载能力高、动态性能好等优点，在雷达天线等大尺寸重载荷部件对接中有极大的应用优势和发展前景。但由于结构复杂，其动力学求解和运动控制更加困难。目前这方面的研究相对较少，亟待开展进一步深层次的基础理论研究。

3 大尺寸测量技术

工业生产中大尺寸测量(large -scale metrology，LSM)主要解决几米至上百米范围内的几何量精密测量问题，广泛应用于以飞机、导弹、桥梁、卫星天线等大型装备为代表的大型复杂结构产品的制造及装配过程中。当前，LSM技术面临着测量尺寸大、相对精度要求高、被测特征结构复杂、测量条件环境恶劣等问题[8]。为克服这些问题，国内外学者应用了不同的测量仪器并研发出了各种大尺寸测量系统，主要涉及激光跟踪仪、电子经纬仪、iGPS和视觉传感器等。

激光跟踪仪采用激光干涉法在球面极坐标内进行测量，可以测量6自由度大尺寸组件，且具有较高的测量精度，在飞机等大型复杂产品的测量中广泛应用。南京航空航天大学韩锋等[9]提出了一种智能三坐标辅助测量技术，该技术通过激光跟踪仪实现飞机大部件型面的高精度、高效率和自动化三维测量。

经纬仪测量系统作为一种全局测量控制手段，其测角精度高，测量范围大。视觉引导激光经纬仪坐标测量系统以角度空间交会测量原理为基础，引入视觉处理机制和激光准直瞄准方法，配合多分辨率成像技术，可实现测量过程目标的自动识别、瞄准和跟踪。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室邾继贵教授[10]在相关方面已取得预期成果，其研发的制造空间精密测量定位系统在10 m的测量空间内达到了0.2 mm的测量精度。

iGPS测量系统是由多台红外脉冲激光发射器和接收器组成，在大距离情况下的测量精度高于激光跟踪仪测量系统。林雪竹等[11]提出了基于iGPS测量系统的大部件对接位姿测量优化设计方法，建立了对接测量网络并对其网络测量精度进行了仿真分析。但是，iGPS的缺点在于在测量过程中发射器与接收器的位置必须保持固定，故只适用于固定环境。

近年来通过多个视觉传感器实现的大尺寸空间内物体位姿的全自动测量技术已广泛应用于工业机器人、装配线等[12]。这种视觉测量系统采用非接触式测量，成本低，不会对被测对象造成干扰，且对被测对象的外形和运动状态没有要求。但室外条件下容易受光照等环境条件影响，精度较低。

综上所述，目前大尺寸测量技术种类繁多，并且多采用光学手段，由多台高精度测量设备组成，主要应用于室内环境，需要构建复杂的测量场，对环境干扰适应性较差，成本高。哈尔滨工业大学彭高亮等[13]采用激光传感器阵列的布置形式，在大尺寸雷达天线(12 m×2.5 m)自动对接中，实现了6自由度分步测量，测量精度达到0.5 mm，如图4所示。这种基于多个低成本一维传感器的阵列组合测量方案，为雷达天线对接中的大尺寸测量问题提供了一种新思路。

图4 基于激光传感器阵列的测量系统Fig.4 Measurement system based on integrated laser sensors

4 柔顺对接技术

在机器人、空间对接和大部件装配等领域，运动机构与环境相接触，但由于机构模型的非理想化以及位置控制误差的存在，往往需要运动机构对环境有一定的适应性，机构对环境的顺从能力被称为柔顺性。柔顺对接技术可通过柔顺对接机构和柔顺控制策略两方面实现。

4.1 柔顺对接机构

目前对接机构更多应用于空间交会对接，通过它可以实现两个航天器机械、电气、液路的连接。对接机构可分为被动缓冲式对接机构、抓捕式对接机构和弱撞击式对接机构3类。相对前两者，弱撞击式对接机构更易于实现柔顺对接。

弱撞击对接是指通过结构设计或者柔顺控制，降低对接过程中的撞击力，主要有“抓手-碰撞锁”式对接机构和空间弱撞击对接机构[14]。欧洲空间局研制的十字形对接装置与日本研制的3点式对接装置均属于“抓手-碰撞锁”式，二者只在布局上有差别，这类机构通常结构复杂。空间弱撞击对接系统最早是由美国航空航天局于20世纪 80年代提出，用于实现弱撞击空间对接，采用周边式对接机构构型，能够最大限度地降低对接过程中的接触力。目前我国部分航天院所和高校也都在进行弱撞击空间对接机构的研究，但基本处于样机研制阶段，在实际应用方面和国外先进水平相比还有一定差距，还需在碰撞动力学、力测量系统和高精度传感器等方面进行完善。

4.2 柔顺控制策略

柔顺控制的概念最早来源于机器人研究领域，主要包含被动柔顺控制和主动柔顺控制。前者通过被动柔顺机构来实现，在致动器和操作器之间增加弹簧等柔性环节，通过弹性元件的变形来引导操作器的顺应运动。被动柔顺控制一般不需要通过传感器来检测接触力，而是通过机械柔顺装置来提高柔顺性。孙立宁等[15]为了实现抛磨系统机器人末端的位置控制和接触力控制，提出一种基于被动柔顺装置的机器人抛磨系统力/位混合控制策略。被动柔顺控制实现简单，但在机械结构中增加的柔顺装置会给控制带来极大的困难。

主动柔顺控制也就是力反馈控制，通过在操作器末端或关节加入力传感器，在位置控制的基础上引入力信号的反馈，得到位置环的修正量，使执行机构表现出对环境的适应性。常用的主动柔顺控制方法主要有：阻抗控制、力/位混合控制和先进控制方法[16]。

阻抗控制不直接控制机器人与环境之间的作用力，而是用一个质量-弹簧-阻尼系统代替机器人与环境之间的接触，根据机器人末端与环境之间的接触力得到机器人末端位姿的调整量，从而将机器人末端与环境之间的刚性接触变为柔性接触，主要应用于自动装配、人机协作等场合。

力/位混合控制是利用力传感器作为反馈装置，将力反馈信号与位置控制(或速度控制)输入信号相结合，通过相关混合算法实现机构控制[17]。但是由于位置闭环和力控制闭环存在耦合，并且控制过程中要对控制方式进行切换，这就导致控制系统设计比较困难，稳定性分析也比较复杂。

上述两种柔顺控制方法的应用在环境刚度变化时有较大的局限性，这促使很多学者对柔顺控制进行改进研究，将自适应控制、鲁棒控制、模糊控制等先进控制方法引入到力控制当中，以提高控制性能和环境适应能力。

哈尔滨工业大学高海波等[18]提出一种主被动混合柔顺控制理念，综合主动柔顺和被动柔顺，两者优势互补。考虑到被动柔顺专用性强、范围限制大，而主动柔顺存在的状态转换、时间延迟容易产生较大的接触冲击和损伤，将位置、力和视觉等反馈信息集成，同时在末端设计被动柔顺对接接口，形成主被动混合柔顺控制，既可进行实时的主动控制，又可以降低接触冲击。

综上所述，借鉴空间柔顺对接机构的原理，结合雷达天线的特点，设计一种结构简单、便于操作和实现的对接机构，通过主被动混合柔顺控制技术，对雷达天线自动对接过程具有较大的借鉴意义。

5 总结与展望

雷达天线自动对接是提高地面大型雷达机动性能的重要途径，我国目前在雷达天线自动对接、柔顺对接方面相比于国际先进水平还有不小的差距，进行大尺寸、重载荷的地面雷达自动对接技术的研究具有极大的研究价值和军事价值。本文针对雷达天线自动对接的技术需求，提炼出关键技术和亟待攻克的难点问题，综合分析了自动调姿系统、大尺寸测量技术和柔顺对接技术三个方面的研究现状。

借鉴其他大型装备自动装配/对接的成功案例，结合雷达天线面临的实际问题和迫切需求，提出以下建议，作为今后雷达天线自动对接需要关注的重点问题。

1) 采用串、并联结合的混联调姿机构，能在一定程度上将两者优势互补，提供较大的运动空间和较好的刚度、精度和动态性能，但仍需要对其基础理论开展更进一步深入的研究。

2) 对于复杂服役环境下的大尺寸雷达位姿测量技术，采用可靠性高、实用性强的一维传感器阵列组合测量方案能够为雷达位姿测量提供新思路。

3) 结合被动柔顺对接机构和主动柔顺控制策略是将来实现雷达天线自动柔顺对接的有效途径，可持续开展相关理论研究。

4) 实现雷达天线快速对接，满足多次重复对接精度要求，需要综合考虑调姿机构和测量方案的耦合因素，开展针对性的研究。