扫描架动态测试的触发脉冲输出位置误差矫正系统及方法
【专利摘要】本发明公开了扫描架动态测试的触发脉冲输出位置误差矫正系统及方法；在平面近场天线动态测试时，利用扫描架进行平面扫描，激光跟踪仪接收扫描过程中运动控制卡发出的脉冲，记录接收到脉冲时的靶标的三维空间位置数据；对激光跟踪仪接收到的三维空间位置数据进行处理，对多个采样位置点正反向运动位置偏差值取平均位置偏差；利用平均位置偏差调整伺服电机控制器的当前的前馈增益参数；调整伺服电机控制器中惯性力矩比参数，判断测试点前设定个数个点位置是否均匀，若均匀就结束，若不均匀就返回。本发明实现动态采样，并分析动态采样过程中的误差来源，根据误差来源结合激光跟踪仪对动态测试中触发脉冲位置进行矫正，提高了动态测试的测试精度。
【专利说明】
扫描架动态测试的触发脉冲输出位置误差矫正系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及扫描架动态测试的触发脉冲输出位置误差矫正系统及方法。
【背景技术】
[0002] 在利用扫描架进行平面近场扫描过程中，需要在扫描区域内间隔均匀的位置上采 集数据。采集方式有两种，一种是一步一停，另外一种是动态测试。
[0003] 其中，一步一停指扫描架移动至一个位置后静止，完成测试后移动至下一位置，适 合每个采样点采集速度较慢耗时较长的情况。
[0004] 而动态测试指扫描架逐行运动，期间按固定间隔发出脉冲，测试装置接收到脉冲 后进行信号产生及采集，适合每个采样点采集速度快耗时可忽略的情况。动态测量中平面 扫描一般采用逐行扫描，即扫描一行后另一轴移动固定间隔，再进行下一行扫描。可分为单 向扫描以及往返扫描。最佳方式为采用往返折线运动方式的往返扫描，其扫描过程总路径 最短。
[0005] 扫描过程按行采集数据，扫描架中的运动控制卡以固定间隔发出外触发脉冲。测 试装置接收脉冲后采集数据。但在实际应用中，存在正向运动脉冲输出位置与反向运动脉 冲输出位置不一致的情况。在加减速阶段脉冲混乱。为实现脉冲位置的矫正，需要调整伺服 电机控制器参数及运动控制卡里相关设置。
[0006] 脉冲输出点位置的确定是通过激光跟踪仪进行。激光跟踪仪通过固定在被测目标 上的靶标定位目标位置，激光束跟踪靶标移动并始终指向靶标，通过触发脉冲或者判定靶 标静止获取该位置靶标角度、距离信息，之后还原至三维坐标系中得到靶标位置。在动态测 试中，将扫描架输出脉冲连接至激光跟踪仪的外触发脉冲输入上，并将激光跟踪仪触发方 式选为外触发模式，即可采集扫描架输出脉冲点的位置。
[0007] 现有扫描架校准一般只通过静态测试确定扫描架平面度，垂直度，静态定位精度 等指标，并未对动态测试时扫描架正反向前馈误差等进行校准。
[0008] 在平面近场天线测试时需要采集某一区域内间隔均匀的平面上的点。在利用扫描 架进行平面扫描过程中，利用触发脉冲实现扫描架移动过程中数据采集。扫描架移动方式 为往返折线运动方式如图3所示。但在实际测试时发现一步一停方式由于耗时过长不适用 于采样点较多的情况。而扫描架动态测试存在正向反向移动时脉冲输出位置不一致，加减 速阶段脉冲位置混乱等问题，无法满足测试需要。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种扫描架动态测试的触发脉冲输出 位置误差矫正系统及方法，它实现动态采样，并分析动态采样过程中的误差来源，根据误差 来源结合激光跟踪仪对动态测试中触发脉冲位置进行矫正，提供了使触发脉冲位置均匀的 具体调整参数及调整步骤，提高了动态测试的测试精度。
[0010] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0011] 扫描架动态测试过程中的触发脉冲输出位置误差矫正系统，包括：
[0012] 扫描架，所述扫描架包括扫描架控制器和扫描架机械装置；
[0013] 所述扫描架控制器包括运动控制卡和伺服电机控制器;所述运动控制卡与伺服电 机控制器连接，伺服电机控制器与扫描架机械装置连接;所述运动控制卡与主控计算机连 接，所述运动控制卡还与激光跟踪仪连接。
[0014] 所述扫描架机械装置包括第一电机和第二电机，其中，第一电机与伺服电机控制 器连接，第一电机与第二电机之间通过第一电机轴连接，第二电机通过第二电机轴与承载 台连接。
[0015] 所述承载台上设有待测试物体，所述待测试物体上设有靶标。
[0016] 所述运动控制卡通过触发线与激光跟踪仪连接。
[0017] 运动控制卡外触发脉冲输出与激光跟踪仪外触发脉冲输入连接。
[0018] 扫描架动态测试过程中的触发脉冲输出位置误差矫正方法，包括如下步骤：
[0019] 步骤（1):在平面近场天线动态测试时，利用扫描架进行平面扫描，激光跟踪仪接 收扫描过程中运动控制卡发出的脉冲，激光跟踪仪记录接收到脉冲时的靶标的三维空间位 置数据；
[0020] 步骤(2):对激光跟踪仪接收到的三维空间位置数据进行处理，对多个采样位置点 正反向运动位置偏差值取平均位置偏差；
[0021] 步骤(3):利用步骤(2)的平均位置偏差调整伺服电机控制器的当前的前馈增益参 数；
[0022]若步骤(3)得到的正反向平均位置偏差大于误差，返回步骤(1);
[0023] 若步骤(3)得到的正反向平均位置偏差小于或等于误差，调整伺服电机控制器中 调谐模式从自动模式为手动模式;进入步骤(4);
[0024] 步骤(4):调整伺服电机控制器中惯性力矩比参数，判断测试点前设定个数个点位 置是否均匀，若均匀就结束，若不均匀就返回步骤(4)。
[0025] 所述步骤(1)的利用扫描架进行平面扫描的步骤为：
[0026] 步骤(1-1):第一电机轴转动，将第二电机运行至起始位置;第二电机轴转动，将载 物台运行至第一采样位置前设定距离a处；
[0027] 步骤（1-2):第二电机轴正向运动设定距离a后，运动控制卡发出脉冲;之后每运行 一个采样间隔距离，运动控制卡发出脉冲；匀速运行至最后一个采样位置后，继续运行一个 设定距离a后停止；
[0028] 步骤(1-3):第一电机轴正向运行一个采样间隔距离；
[0029] 步骤(1-4):第二电机轴反向运行一个设定距离a后，运动控制卡发出脉冲;之后每 运行一个采样间隔距离，运动控制卡发出脉冲，匀速运行至第一采样位置后，继续运行一个 设定距离a后停止；
[0030] 步骤(1-5):第一电机轴正向运行一个采样间隔距离；
[0031] 重复步骤（1-2)-(1_5)，直至完成扫描。
[0032]所述步骤(2)的步骤为：
[0033]对采样位置点拟合直线，重新建立坐标系并使坐标系其中一轴与拟合直线的方向 相同，记录采样位置点在坐标系所述轴上的值，之后将靶标正向运动经过设定的采样位置 时激光跟踪仪所记录的位置在坐标系下对应的值与靶标反向运动经过设定的采样位置时 激光跟踪仪所记录的位置在坐标系下的值相减，获取正向运动脉冲与反向运动脉冲位置偏 差值，检测多个位置点正反向运动位置偏差值，对多个位置点正反向运动位置偏差值取平 均位置差；
[0034] 所述步骤(3)的步骤为：调整伺服电机控制器中前馈增益参数PA1_58,若正向脉冲 位置小于反向脉冲位置则将前馈增益参数PA1_58调大，反之调小。
[0035] 所述步骤(3)利用步骤(2)的平均位置偏差调整伺服电机控制器的当前的前馈增 益参数X:
[0037]其中，
[0038]平均位置偏差2:第二次测试正反向运动脉冲位置偏差平均值；
[0039]平均位置偏差1:第一次测试正反向运动脉冲位置偏差平均值；
[0040]前馈增益参数2:第二次测试电机前馈增益参数PA1_58值；
[0041 ]前馈增益参数1:第一次测试电机前馈增益参数PA1_58值；
[0042] X:电机前馈增益参数PA1_58变化与正反向运动脉冲位置偏差平均值变化比例； [0043]根据第一次调整确定X大小，之后计算最终前馈增益参数：
[0045]根据最终前馈增益参数进行前馈增益参数的调整。
[0046]所述步骤(4)的步骤为：重复步骤（1)的利用扫描架进行平面扫描工作，若运动过 程中发出碰撞声，则减小惯性力矩比参数，若得到的测试点前设定个数个点位置不均匀，则 增大惯性力矩比参数值;若不发出碰撞声且测试点前设定个数个点位置也均匀为止。
[0047]所述步骤(4)的伺服电机控制器惯性力矩比参数根据实际情况选取，为20~22。
[0048]所述测试点前设定个数个点位置均匀的判断是根据z判定，若z满足0〈z〈2,则判断 为均匀的，否则判断为不均匀的；
[0050] 其中，
[0051] 第一点位置值:激光跟踪仪采集的第一个脉冲对应位置在所建坐标系下对应值； [0052]第二点位置值:激光跟踪仪采集的第二个脉冲对应位置在所建坐标系下对应值； [0053]第三点位置值:激光跟踪仪采集的第三个脉冲对应位置在所建坐标系下对应值； [0054] z:加速阶段扫描架到位脉冲稳定程度。
[0055]本发明的有益效果：
[0056] 1本发明通过对动态采样脉冲输出位置点误差的分析和修正，提高了动态采样的 位置精度，实现了高精度的动态往返采样。取代了以往一步一停测试方式，大大提高了测试 速度。
[0057] 2本发明提供了一种基于触发脉冲的平面内动态均匀采样实现方式以及矫正脉冲 触发输出位置的方法，对动态测试中脉冲输出位置误差进行矫正。
【附图说明】
[0058]图1为本发明的硬件连接关系示意图；
[0059]图2为本发明的方法流程图；
[0060]图3为扫描架往返运动方式；
[0061]图4为正反向脉冲位置关系。
【具体实施方式】
[0062]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0063]本发明中扫描架运动控制系统为基于运动控制卡及伺服电机控制器的双轴扫描 架。将以此为基础进行说明。
[0064]如图1所示，扫描架动态测试过程中的触发脉冲输出位置误差矫正系统，包括：
[0065] 扫描架，所述扫描架包括扫描架控制器和扫描架机械装置；
[0066] 所述扫描架控制器包括运动控制卡和伺服电机控制器;所述运动控制卡与伺服电 机控制器连接，伺服电机控制器与扫描架机械装置连接;所述运动控制卡与主控计算机连 接，所述运动控制卡还与激光跟踪仪连接。
[0067] 所述扫描架机械装置包括第一电机和第二电机，其中，第一电机与伺服电机控制 器连接，第一电机与第二电机之间通过第一电机轴连接，第二电机通过第二电机轴与承载 台连接。
[0068] 所述承载台上设有待测试物体，所述待测试物体上设有靶标。
[0069] 所述运动控制卡通过触发线与激光跟踪仪连接。
[0070] 运动控制卡外触发脉冲输出与激光跟踪仪外触发脉冲输入连接。
[0071] 如图2所示，扫描架动态测试过程中的触发脉冲输出位置误差矫正方法，包括如下 步骤：
[0072] 步骤（1):在平面近场天线动态测试时，利用扫描架进行平面扫描，激光跟踪仪接 收扫描过程中运动控制卡发出的脉冲，激光跟踪仪记录接收到脉冲时的靶标的三维空间位 置数据；
[0073]步骤(2):对激光跟踪仪接收到的三维空间位置数据进行处理，对多个采样位置点 正反向运动位置偏差值取平均位置偏差；
[0074] 步骤(3):利用步骤(2)的平均位置偏差调整伺服电机控制器中前馈增益参数;若 步骤(3)得到的正反向平均位置偏差大于误差，返回步骤（1);若步骤(3)得到的正反向平均 位置偏差小于或等于误差，调整伺服电机控制器中调谐模式从自动模式为手动模式;进入 步骤(4);
[0075] 步骤(4):调整伺服电机控制器中惯性力矩比参数，判断测试点前设定个数个点位 置是否均匀，若均匀就结束，若不均匀就返回步骤(4)。
[0076] 首先需要实现均匀位置采样。之后对触发位置利用激光跟踪仪定位矫正。经研究 发现往返位置不匹配问题的误差来源主要为电机控制器前馈增益。加减速阶段脉冲位置混 乱问题的误差来源主要为电机控制器负载惯性力矩比参数。对此需首先对此参数进行调 整，调整后利用激光跟踪仪检测矫正结果，如不满足精度需继续调整直至精度满足。
[0077]下面对矫正具体步骤进行说明。
[0078]动态均匀采样实现：
[0079]步骤(1):扫描架机械装置第一电机轴运行至起始位置，第二电机轴运行至第一采 样位置前一个设定距离a。
[0080] 步骤(2):扫描架机械装置第二电机轴正向运动两个脉冲宽度后发出第一个脉冲， 之后每运行一个采样间隔距离发出一个脉冲，匀速运行至最后一个采样位置后继续运行一 个设定距离a后停止；
[0081] 步骤(3):扫描架机械装置第一电机轴正向运行一个采样间隔距离。
[0082] 步骤(4):扫描架机械装置第二电机轴反向运动两个脉冲宽度后发出脉冲，之后每 运行一个采样间隔距离发出一个脉冲，匀速运行至第一采样位置后继续运行两个脉冲宽度 后停止；
[0083]步骤(5):扫描架机械装置第一电机轴正向运行一个采样间隔距离。
[0084] 步骤(6):重复运行步骤(2)-(5)直至扫描完成。
[0085] 所述步骤(1)(2)的设定规则为：
[0086]设定距离a应大于一个脉冲宽度，小于一个采样间隔。
[0087]各误差矫正方法：
[0088]前馈误差矫正方法：
[0089] 1.控制扫描架进行单轴往返运动。并利用触发脉冲对激光跟踪仪进行触发检测正 向运动脉冲输出位置与反向运动脉冲输出位置误差大小。
[0090] 2.调节前馈增益1。电机控制器中电机控制器参数调整过程为：电机控制器中选取 参数PA1_58电机控制器前馈增益1默认值为0.000。需要调整至1.000左右。实际数值与扫描 架运行速度、载重、电机具体情况有关，需要根据激光跟踪仪数据进行调整。根据位置差平 均值2-位置差平均值1 =(前馈增益参数2-前馈增益参数1)*X，根据第一次调整确定X大小， 之后计算最终前馈增益参数=前馈增益参数2-位置差平均值2/X。
[0091] 加减速阶段脉冲混乱矫正方法：
[0092] 3.调节调谐模式
[0093] 调谐模式参数为伺服电机控制器参数PA1_13,初始参数自动调整模式，需要设置 为手动调整模式。
[0094] 4 ·调节负载惯性力矩比
[0095]负载惯性力矩比参数为伺服电机控制器参数PA1_14,具体值与实际系统有关。需 要调整至运动时既不发出碰撞声，激光跟踪仪获取的前几个点位置间隔也大致相等为止。 [0096] 误差矫正具体过程为：
[0097] 1)连接外触发脉冲输出至激光跟踪仪外触发脉冲输入。准备完成后，对需要矫正 的运动轴按实际测试所用速度进行正反向往返运动，同时输出脉冲，脉冲输出位置如图4所 示。并根据激光跟踪仪数据检测并记录脉冲输出位置。
[0098] 2)处理激光跟踪仪数据，建立坐标系，获取匀速后同一位置正向脉冲与反向脉冲 位置差。可通过检测多个位置点取平均值。
[0099] 3)调整伺服电机控制器中前馈增益参数PA1_58,如正向脉冲位置小于反向脉冲位 置则调大，反之调小。误差变化与参数变化在调整范围内基本成线性关系，可根据此关系进 行前馈增益参数调整。例如，当前馈参数为1.000时同一位置正向移动脉冲输出点比反向移 动时小0.2 mm，调整前馈参数为1.010后同一位置正向移动脉冲输出点比反向移动时小 0.1mm，则前馈参数应设置为1.020左右。
[0100] 4)调整伺服电机控制器参数调谐模式参数PA1_13为12(手动调整）。
[0101] 5)调整负载伺服电机控制器参数惯性力矩比参数PA1_14,该参数过大会导致加减 速阶段受力过大产生碰撞发出声音并损伤电机，过小会导致加减速阶段震荡使加减速阶段 脉冲点混乱。参数根据实际情况选取，为20~22左右。
[0102] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1. 扫描架动态测试过程中的触发脉冲输出位置误差矫正系统，其特征是，包括： 扫描架，所述扫描架包括扫描架控制器和扫描架机械装置； 所述扫描架控制器包括运动控制卡和伺服电机控制器;所述运动控制卡与伺服电机控 制器连接，伺服电机控制器与扫描架机械装置连接;所述运动控制卡与主控计算机连接，所 述运动控制卡还与激光跟踪仪连接。2. 如权利要求1所述的扫描架动态测试过程中的触发脉冲输出位置误差矫正系统，其 特征是，所述扫描架机械装置包括第一电机和第二电机，其中，第一电机与伺服电机控制器 连接，第一电机与第二电机之间通过第一电机轴连接，第二电机通过第二电机轴与承载台 连接;所述承载台上设有待测试物体，所述待测试物体上设有祀标。3. 扫描架动态测试过程中的触发脉冲输出位置误差矫正方法，其特征是，包括如下步 骤： 步骤（1):在平面近场天线动态测试时，利用扫描架进行平面扫描，激光跟踪仪接收扫 描过程中运动控制卡发出的脉冲，激光跟踪仪记录接收到脉冲时的祀标的Ξ维空间位置数 据； 步骤(2):对激光跟踪仪接收到的Ξ维空间位置数据进行处理，对多个采样位置点正反 向运动位置偏差值取平均位置偏差； 步骤(3):利用步骤(2)的平均位置偏差调整伺服电机控制器的当前的前馈增益参数； 若步骤(3)得到的正反向平均位置偏差大于误差，返回步骤(1); 若步骤（3)得到的正反向平均位置偏差小于或等于误差，调整伺服电机控制器中调谐 模式从自动模式为手动模式;进入步骤(4); 步骤(4):调整伺服电机控制器中惯性力矩比参数，判断测试点前设定个数个点位置是 否均匀，若均匀就结束，若不均匀就返回步骤(4)。4. 如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤（1)的利用扫描架进行平面扫描的步 骤为： 步骤（1-1):第一电机轴转动，将第二电机运行至起始位置;第二电机轴转动，将载物台 运行至第一采样位置前设定距离a处； 步骤（1-2):第二电机轴正向运动设定距离a后，运动控制卡发出脉冲;之后每运行一个 采样间隔距离，运动控制卡发出脉冲;匀速运行至最后一个采样位置后，继续运行一个设定 距离a后停止； 步骤(1-3):第一电机轴正向运行一个采样间隔距离； 步骤（1-4):第二电机轴反向运行一个设定距离a后，运动控制卡发出脉冲;之后每运行 一个采样间隔距离，运动控制卡发出脉冲，匀速运行至第一采样位置后，继续运行一个设定 距离a后停止； 步骤(1-5):第一电机轴正向运行一个采样间隔距离； 重复步骤（1-2)-(1-5),直至完成扫描。5. 如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤(2)的步骤为： 对采样位置点拟合直线，重新建立坐标系并使坐标系其中一轴与拟合直线的方向相 同，记录采样位置点在坐标系所述轴上的值，之后将祀标正向运动经过设定的采样位置时 激光跟踪仪所记录的位置在坐标系下对应的值与祀标反向运动经过设定的采样位置时激 光跟踪仪所记录的位置在坐标系下的值相减，获取正向运动脉冲与反向运动脉冲位置偏差 值，检测多个位置点正反向运动位置偏差值，对多个位置点正反向运动位置偏差值取平均 位置差。6. 如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤(3)的步骤为:调整伺服电机控制器中 前馈增益参数PA1_58,若正向脉冲位置小于反向脉冲位置则将前馈增益参数PA1_58调大， 反之调小。7. 如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤(3)利用步骤(2)的平均位置偏差调整 伺服电机控制器的当前的前馈增益参数X:其中， 平均位置偏差2:第二次测试正反向运动脉冲位置偏差平均值； 平均位置偏差1:第一次测试正反向运动脉冲位置偏差平均值； 前馈增益参数2:第二次测试电机前馈增益参数PA1_58值； 前馈增益参数1:第一次测试电机前馈增益参数PA1_58值； X:电机前馈增益参数PA1_58变化与正反向运动脉冲位置偏差平均值变化比例； 根据第一次调整确定X大小，之后计算最终前馈增益参数：根据最终前馈增益参数进行前馈增益参数的调整。8. 如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤(4)的步骤为：重复步骤（1)的利用扫 描架进行平面扫描工作，若运动过程中发出碰撞声，则减小惯性力矩比参数，若得到的测试 点前设定个数个点位置不均匀，则增大惯性力矩比参数值;若不发出碰撞声且测试点前设 定个数个点位置也均匀为止。9. 如权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤(4)的伺服电机控制器惯性力矩比参 数根据实际情况选取，为20~22。10. 如权利要求8所述的方法，其特征是，所述测试点前设定个数个点位置均匀的判断 是根据Z判定，若Z满足0<^2,则判断为均匀的，否则判断为不均匀的；其中， 第一点位置值:激光跟踪仪采集的第一个脉冲对应位置在所建坐标系下对应值； 第二点位置值:激光跟踪仪采集的第二个脉冲对应位置在所建坐标系下对应值； 第Ξ点位置值:激光跟踪仪采集的第Ξ个脉冲对应位置在所建坐标系下对应值； Z:加速阶段扫描架到位脉冲稳定程度。
【文档编号】G01S17/50GK106093918SQ201610704177
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月23日
【发明人】颜振, 周杨, 刘伟, 胡大海, 王亚海
【申请人】中国电子科技集团公司第四十研究所, 中国电子科技集团公司第四十一研究所