基于3RPS并联机构的卫星通信天线运动学仿真及实验研究

论文摘要

基于车、船、飞机等载体的移动卫星通信系统具有高的机动性,因此在国防和民用领域得到了越来越广泛的应用。移动载体的机动性使得载体的方位、俯仰和横滚不断产生变化,导致天线主波束偏离卫星,从而影响通讯的质量并可能造成通信中断。如何建立一个相对大地稳定的接收系统以保证载体移动过程中天线始终指向卫星便成为移动卫星通信的关键。因此,研究稳定性好、动态特性好的天线驱动系统具有重要的理论意义和工程实用价值。移动卫星通信旋转抛物面天线跟踪卫星的实质是天线中轴始终指向卫星,因此跟星问题可以简化为天线截面法线或者平面法线的指向性问题。根据空间三点决定一个平面的原理并结合并联机构的特点,我们提出了采用3-RPS并联机构作为天线驱动系统。该系统集成了普通转轴稳定平台和关节驱动装置的功能,具有结构简单、稳定性好、响应快速等优点。本文针对该新型天线驱动系统开展研究工作,主要内容如下:1、针对移动载体并联机构天线系统,提出了大地、载体、天线三坐标系建立的方法,推导了三坐标系变换的公式,确定了天线束波所在向量与运动载体的关系,并由此推导出机构逆解的方程。同时对机构进行了运动学分析,得到了机构的工作空间运动轨迹和杆长变化曲线;针对杆长值突变点,提出解决方案。通过分析机构的速度和加速度,获得了机构的瞬时特性。2、在ADAMS中对非稳定情况下的并联机构天线系统进行了运动学仿真,包括运动载体方位、俯仰、滚转角度变化等几种工况。仿真结果显示,并联机构杆长变化曲线连续可导,天线指向稳定,系统能够满足移动载体跟星的要求。3、利用ADAMS的仿真模型联合MATLAB编写控制程序对并联机构天线系统进行了仿真控制,得到了机构的运动轨迹和控制时连续且可导的杆长时间函数,证实了系统的可操作性。4、参与研制完成实验样机,并针对样机开展了实验研究,包括:利用MINT语言编制控制程序、控制并联机构天线进行俯仰运动、控制并联机构天线绕Z轴整周旋转的运动、控制系统搜索卫星信号等,并取得良好效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 移动卫星通讯的研究现状
• 1.2.2 并联机构的研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 基于运动载体的3-RPS 并联机构天线运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 在非稳定平台下机构运动学方程的建立
• 2.2.1 坐标系的建立
• 2.2.2 3-RPS 机构简图及其自由度的计算
• 2.2.3 坐标系变换及机构逆解
• 2.3 机构运动学分析
• 2.3.1 速度分析
• 2.3.2 加速度分析
• 2.4 本章小结
• 3 基于ADAMS 的运动学仿真
• 3.1 引言
• 3.2 SolidWorks建立模型
• 3.3 ADAMS 仿真
• 3.3.1 模型的导入
• 3.3.2 运动仿真
• 3.3.3 结果后处理
• 3.4 本章小结
• 4 基于MATLAB 中SIMULINK 的控制仿真
• 4.1 引言
• 4.2 MATLAB 控制程序
• 4.3 Simulink仿真
• 4.3.1 SIMULINK 程序设计
• 4.3.2 控制程序流程
• 4.4 程序运行
• 4.5 结果后处理
• 4.6 本章小结
• 5 样机设计试制与试验
• 5.1 引言
• 5.2 结构设计
• 5.3 动中通系统总体设计
• 5.3.1 动中通伺服系统的性能指标
• 5.3.2 动中通伺服系统的工作原理
• 5.2.3 伺服系统跟踪控制方法
• 5.4 控制程序设计
• 5.5 样机试验
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录