一种角位置目标模拟器智能化设计与实现

刘 龙，周文佳

（1 南京艾文森电子科技有限公司，211106，江苏南京；2 南京城市职业学院，211200，江苏南京）

无线电定位接收系统是一种利用在自由空间传播的电磁波探测目标并定位的电子设备，包括雷达、导航和全球定位系统等。主要任务是对目标发射电磁波并接收其目标回波信号，由此获得目标到定点位置的速度、距离、方位等定位参数信息反馈。

目标回波信号一般采用模拟器进行模拟，模拟器接收射频基准信号，通过测频、变频、基带处理等形成反映目标速度变化的回波信号。而目标的角度变化则一般通过角位置模拟器实现[1]。角位置模拟器主要由控制电路、角位置运动机构、喇叭天线和控制计算机等组成，借用计算机远程控制功能，设置好运动目标轨迹，利用同步功能，在远程控制模式下发出同步信号，角位置模拟器按照设定的轨迹开始运动[1]，实时显示并记录目标所在的位置、运动方向和运动速度，并把上述参数传给产品的总控计算机。

目前，角位置模拟器主要有阵列式和机械式两种。阵列式角位置模拟器主要采用天线射频仿真技术实现目标角位置的模拟[2]，具有全天候、操作方便、严谨性强、保密性能好等优势，由于研发成本预算较高，一般多用于军事设备或高端电子设备等。目前，机械式角位置模拟器在设计上较为精简、制作成本不高，主要应用于无线电定位系统测试工作。

本文介绍的系机械式角位置目标模拟器，采用了传统的设计原理，研发成本较低，研制工期较短，可以满足无线电接收系统定位反馈功能的测试需求。

1 角位置目标模拟器设计架构

1.1 角位置模拟器总体结构

（1）角位置模拟器总体结构。由方位圆弧伺服移动（即水平移动）部件和俯仰伺服移动（即垂直移动）部件两部分组成。方位X 运动（水平移动）部分和俯仰Y 运动（垂直移动）部分可拆装，每部分最大质量为100 kg，方便安装和搬运。

（2）角位置模拟器目标轨迹。以半径约为6 m 的圆弧作为中心区域，在暗室的地面安装由支撑柱支撑起的基座，在基座上安装一根类似圆弧状、精密度较高的导轨，利用惯性运动，使平移小车能够在圆弧状区域内自行移动，借用螺栓将导轨与底座连接。在基座内部，靠近圆弧的侧方位方向，安装类圆弧状的大齿轮，通过减速，伺服电机推动滚轮转动，使得电机和平移小车达到螺钉锁死状态，完成平移小车在圆弧上一次的自主移动。在圆弧导轨内的小车上，垂直立柱整体做圆周运动，运动半径约为5.8 m（天线），在垂直立柱上安装天线支承座，同样通过带轮带动支撑座沿直线导轨上下做Y 方向的直线运动，移动范围0.8～2.2 m。同时为了实现天线的角度可变，在Z 轴方向设计了手动旋转机构，可进行极化调整。

经测试，为了保障整体结构的刚度，在长期使用后结构不发生由残余应力引起的变形，设计中在支撑座和基座均配置加强筋，保证角位置模拟器柱面精度长期稳定有效。

（3）走线路径流程。①所有电机、反馈电缆及客户天线射频电缆顺支撑柱而上穿过拖链托盘上的孔进入拖链，拖链竖起来用，可在拖链盘内运动；②方位电机、反馈电缆从拖链出来沿左路线进入方位电机；③俯仰电机、反馈电缆从拖链出来沿右路线进入俯仰电机；④客户天线射频电缆从拖链出来沿左下路线自然垂落。

（4）机械零位与电器零位的设计。在方位及俯仰的中心处都装有定制开关，当机构进行寻零时，沿各自导轨进行运动直至激发定制开关，同时通过屏蔽电缆给控制卡+5 V 电压信号，软件即把当前的位置记为零位。在方位和俯仰操控区装有带刻度的标尺，方便校准。

1.2 装配工艺

角位置模拟器选用高性能交流伺服电机作为驱动，方位方向的移动采用圆弧导轨加圆弧齿条的驱动方式。俯仰运动采用钢丝绳传动加精密直线导轨的方法来实现喇叭的上下移动，整个俯仰部件安装于在圆弧导轨上滑动的小车。

（1）外观设计。角位置目标模拟器底座先按零件的基本外形尺寸铸造，形成毛坯；然后把底座连接在一起，在大型加工机床上，进行主基准、副基准及重要配合面等的精加工，一次装夹成型，保证一定的同轴度及平面度。底座的主基准底座内圆面为导轨外圆配合面，副基准底座外圆面为齿条内圆配合面。

（2）安装原理。底座、齿条、导轨的拼接处错开，以增强刚性及使底座更好地约束导轨跟齿条的装配；导轨接头的拼接和圆弧齿条的拼接，则通过相应靠模来校正；底座的连接主要通过底座连接板来固定。

（3）装配程序。首先，使用靠模校准主基准的配合，保证圆弧度；其次，使用连接板衔接底座，锁紧螺母，给予正压力通过摩擦力限制底座；再次，调整螺母，通过螺栓产生的顶起力调整底座上表面的高低，使两个相邻的底座上表面配合平整；最后，调整后塞入进口精密垫片（间隙片）。上述调整操作完毕后，锁死锁紧螺母及定位螺母。

（4）组装校核设计。首先，初定位角位置模拟器位置，主要是装夹台与角位置模拟器的配合（例如圆心的重合），然后进行角位置模拟器装配；其次，设备底座的水平可通过锁紧连接板底部、调整螺母和精密垫片（在每个基座四个角）来进行微调，使用双向水平仪来校准；最后，使用电子经纬仪进行圆心的标定及修订，微调装夹台的高度或者前后位置，直至圆心的定位误差小于2 mm。

2 方位X 运动（水平移动）结构设计

方位运动结构由支撑柱、基座、圆弧导轨、圆弧齿条、伺服电机、减速器、拖链盘、拖链、寻零开关、电气限位保护装置、机械限位保护装置和立柱安装支座等几部分组成。圆弧导轨和圆弧齿条共同安装于基座上[1]。导轨选用优质结构钢精加工后拼接而成，经适当的热处理具有良好的综合性能；圆弧齿条选用无间隙齿轮齿条。

为使圆弧导轨与齿条的寿命最大化，基座采用铸造件，增强刚度；同时，一次装夹加工出圆弧导轨及齿条的安装面及安装基准，以保证二者的同心度。在导轨拼接处，采用导轨拼接头固定结构来加强两根导轨衔接的稳定及平滑。基座、支撑柱和地面则通过垫片结合仪器来调整水平。

采用加茂滚轮齿条作为传动机构，优点如下。①零背隙：滚轮正反转时都不产生齿背间隙；②高精度：进给、定位两种精度接近精密滚珠丝杆；③绿色环保：低噪音、低振动、低灰尘；④优化路径：实现长距离和高速化，可进行210 m/min 以上的高速行走。

3 俯仰Y 运动（垂直移动）结构设计

俯仰运动结构主要由安装座、直线导轨、支承座、电机及其驱动部件、惰轮、主动轮和钢丝绳等组成。支承座安装在竖直安装的直线导轨的滑块上，两者通过螺栓连接。直线导轨则通过厚10 mm 的铝板固定到移动小车上，相互增加刚性，以此来保证垂直方向的刚性。

4 Z 轴结构设计

Z 轴结构由测试天线、天线安装座、旋转盘、固定座、锁紧螺母及垂直移动工作台等组成。旋转盘可绕轴手动旋转，旋转角度为0°～90°，在旋转盘及固定座上刻有相应的刻度线，可读取旋转角度；旋转盘通过机械的轴孔配合可绕固定座旋转，通过锁紧螺母可锁死旋转盘[1]。

5 总体控制方案

5.1 电气控制系统设计

电气控制系统包括硬件和软件两方面。整个电气控制系统硬件由总控计算机、工业控制计算机（工控机）、运动控制卡及限位开关、电机驱动单元和伺服电机组成[3]。伺服电机与工控机通过运动控制卡建立联系，伺服电机接收工控机的运动指令和控制信号，控制信号经电机驱动单元功率放大后驱动电机运动。

如图1 所示，角位置模拟器工业控制计算机通过USB 数据线与运动控制卡通信，运动控制卡通过信号电缆将控制信号传递给两轴驱动器，再经过电机和码盘信号电缆驱动电机，并接收码盘反馈信号。角位置模拟器可通过本地控制，也可由总控计算机通过RS232串口发送命令远程控制，同时运动控制卡可直接接收测试产品的TTL 电平的同步信号，实现同步控制。

图1 角位置模拟器控制系统连线图

5.2 控制软件设计

角位置模拟器控制系统通过计算机搭建人机交互界面，操作者可以通过对计算机操控实现角位置模拟器的智能化操作，也可以通过串行通信接口由上位计算机对角位置模拟器控制计算机进行远程控制。经测试，计算机界面能实时显示目标所在的位置、运动方向和运动速度，在方位和俯仰方向上可独立或同时进行单次或往复运动，其位置和速度可通过计算机设置[1]，全面实现角位置模拟器的智能化运作。软件功能流程图如图2 所示。

图2 软件流程图

软件主要界面包括：

（1）手动控制模式。用户可根据界面上的按钮对X、Y 轴进行手动操作，X 分为左移和右移，Y 分为上移和下移，同时界面上有寻零操作和实时位置显示。

（2）单轴自动控制模式。可根据用户设定参数，分别对两轴进行控制，运动模式主要有单次模式、往复模式、正弦模式三种。单次和往复运动模式下，可输入两轴角度、速度；正弦模式下可输入X 轴幅度、频率。上述模式下，当设定参数超过范围时，软件会自动取范围上下限值，同时实时显示各轴的位置和速度。

（3）联动控制模式。可根据用户设定参数，实现两轴同时运动。

（4）远程模式。在远程模式下，用户可执行寻零操作，打开通信端口，可实现上位机控制，通过串口接收上位机命令，并将各轴位置、速度等参数传给上位机。串口采用全双工异步传输，推荐通信参数设置:波特率9 600 bps[4]，含校验位。

6 结语

通过运维测试，已基本达到客户需求。研制的角位置目标模拟器成本较低，运维测试效果比较理想，现已用于科研批量测试，目标客户回馈反映较好。