一种船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护方法与流程

本发明涉及船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护方法、系统及设备，涉及船载二自由度伺服系统
技术领域：
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背景技术：
：船载二自由度伺服系统，其功能就是使天线的波束对准飞行器，以便使天线能感应到来自目标的电磁波。当目标进入雷达视线范围内时，伺服分系统应能够自动搜索并捕获目标，以一定的跟踪精度连续跟踪目标，使目标始终处于天线主波束的中心线附近，从而以最大增益可靠地连续接收目标信号。二自由度伺服系统，其天线为俯仰—方位型(a-e)天线,方位能够在±360°间转动，俯仰工作范围在0～180°。二自由度伺服系统的天线结构如图1所示。与陆地布站的伺服系统不同，船载二自由度伺服系统在运行过程中不可避免会受到船摇的影响，船载二自由度伺服系统在跟踪低仰角目标时，均采用侧舷跟踪的方式来避免信号的遮挡，这样伺服系统的运动将不可避免受到船摇的影响,为了避免船载大型伺服系统在低仰角跟踪过程中遇到因天线运动导致天线结构出现损坏的事故，在跟踪低仰角目标时，一般采用机械限位以及速度限制两种手段来确保天线结构安全。机械限位分为电气限位和机械限位两部分,电气限位装置包括行程挡块、限位开关和控制保护电路。当天线转动到极限位置时，行程挡块触动限位开关，通过控制保护电路，使驱动电机断电，或者反向制动。设置两套行程挡块和限位开关：第一档为预限位，先切断控制信号，减速滑行；第二档为终限位，去掉激磁同时电磁制动，使天线停止转动。机械限位装置是当天线由于限位开关失灵，制动器发生故障或其它意外情况发生，可能使天线越过限位区域、撞到天线座架而使天线或天线座损坏，在天线极限运动位置设置机械缓冲器，起缓冲减振作用。速度限制是指为了避免低仰角跟踪时，天线出现安全问题而损坏其机械结构，在速度环路上采取了限速保护措施，目前通过在速度环路板上安装限速继电器的方式，对环路电压进行了限制，从而达到限速功能。通过限制天线俯仰支路的运动速度，能够增加伺服操作手的反应时间，降低天线因仰角过低导致结构性损伤的概率。以上两种方法是目前船载二自由度伺服系统用到的天线保护措施，两种方法都有其局限性，机械限位装置仅能在结构上起保护作用，不能提前预测天线运动趋势，而且也不能让操作员有足够的反应操作时间，而在速度环路电路上对伺服俯仰支路进行限速，限制的速度值是根据经验设定的，通常比较保守，设定的值比较低，且不可调整，在船摇或者目标运动速度大的情况下会限制了伺服系统低仰角跟踪性能，由于限速保护的存在，导致伺服系统在跟踪过程中存在较大的动态滞后，随着跟随误差的不断累积，跟踪目标出了天线波束范围，最终导致目标丢失，因而，过低的限速保护将导致伺服系统低仰角跟踪异常，造成目标跟踪丢失风险。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是：提供一种调节方便、灵活性高且能有效实现低仰角跟踪限速保护的船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护方法、系统及设备。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护方法,包括以下步骤，获取天线方位角和天线俯仰角；在天线方位角在侧舷跟踪阈值范围、且天线俯仰角在低仰角阈值范围时，获取与采集的船横摇信号对应的限速阈值；船横摇信号与限速阈值之间具有一一对应的映射关系；根据误差电压输出天线俯仰支路运动速度电压，当天线俯仰支路运动速度电压达到限速阈值所对应的电压值时，输出限速阈值对应的电压控制天线的运动速度。作为优选，设置船横摇信号与限速阈值之间的一一对应的映射关系的方法包括以下步骤：船横摇信号包括船横摇幅值和船横摇周期；根据船横摇幅值和船横摇周期获得船横摇速度；根据船载二自由度伺服系统正常跟踪状态下输出的误差电压信号与天线运动速度之间的迭代运算关系；以及侧舷跟踪状态下船横摇速度、目标速度、天线运动速度与误差电压的迭代运算关系获得映射关系计算模型；将上述计算模型中的船横摇周期、正常跟踪状态下输出的误差电压信号以及目标速度均等效为经验值，根据所述计算模型和采集的船横摇幅值获得天线运动速度作为天线速度阈值。作为优选，所述获得映射关系计算模型的步骤包括：根据船载二自由度伺服系统跟踪环路中速度环路的pi控制方式获得误差电压信号与天线运动速度之间的关系：上式(1)中，t为信号采样间隔时间；kp和ki分别为跟踪环路的比例和积分系数；v(kt)为第k时刻伺服系统输出的天线运动速度控制电压；e(kt)为第k时刻伺服系统的跟踪接收机输入的误差电压，k＝0,1,2,…,n；根据船横摇幅值和船横摇周期获得船横摇速度：上式(2)中，vs为船横摇速度，ts为船横摇周期；a为船横摇幅值；在船横摇对天线运动影响最大时，根据侧舷跟踪状态下船横摇速度、目标速度以及天线运动速度获得误差电压：e(kt+t)＝e(kt)+(vs(kt+t)-v(kt)+vt)×t×kt(3)上式(3)中，vt为目标运动速度，kt为天线波束位移量对应的误差电压转换系数；结合式(1)、(2)、(3)建立如下式(4)所示的数学模型：根据输入的误差电压、目标速度、船横摇周期、船横摇幅值获得第k时刻的天线运动速度控制电压v(kt)，天线运动速度控制电压正比于天线俯仰运动速度；根据数学模型计算不同的船横摇幅值范围下所得到的不同的天线运动速度控制电压，将获得的多个天线运动速度控制电压作为天线俯仰运动的多个限速阈值。作为优选，采集船横摇信号的步骤包括：获取多个船横摇周期内的船横摇幅值最大值的正值；对多个正值取平均值，将平均值作为船横摇幅值输入信号。作为优选，在所述船横摇幅值在第一预设范围时，将计算得到的天线运动速度控制电压的最大值作为第一档位限速阈值；在所述船横摇幅值在第二预设范围时，将计算得到的天线运动速度控制电压的最大值作为第二档位的限速阈值。一种船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护程序，在所述处理器运行所述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护程序时，执行如上述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护方法的步骤。一种船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护设备，包括如上述的船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统，以及：角度传感器，用于获取天线方位角和天线俯仰角；接收机，用于获取误差电压信号；陀螺仪，用于获取船横摇周期和船横摇幅值；所述角度传感器、接收机、陀螺仪均连接在所述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统的输入端；所述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统的输出端连接在天线俯仰电机的控制端。与现有技术相比，本发明的技术方案有益之处是：一，通过实时获取的天线方位角与侧舷跟踪阈值范围的比较能判断天线是否处于侧舷跟踪状态，通过实时获取的天线俯仰角与低仰角阈值范围的比较能判定天线是否处于低仰角状态，当处于侧舷跟踪低仰角状态时，伺服系统根据在正常跟踪目标和船摇条件下输入的误差电压，输出根据不同船横摇幅值而变化的限速阈值，由限速阈值控制天线的限速范围，因而可以根据不同的船摇条件满足天线的低仰角跟踪性能，避免跟丢的情况出现；二，由于天线俯仰支路的运动速度是通过电流控制，可以瞬间加到最大速度，因而，如果不进行限速，天线可能会很快的运动到俯仰支路的0度以下继而造成结构损伤，而操作手在此过程中却没有足够的操作反应时间来及时操作天线使其停止，而本发明中设置了系统输出的限速阈值，也即限制了天线俯仰运动的速度，在满足天线的跟踪性能的同时，限制了天线最大运行速度，可以让伺服操作手有操作反应时间去手动终止天线的运行，能够有效降低天线出现结构性损伤的风险概率；三，整个限速保护过程都是基于伺服控制系统进行，因而无需对船载二自由度伺服控制系统进行硬件改进，只需在伺服控制软件中增加相应的控制模块，减小系统开发成本，加载灵活。附图说明下面结合附图对本发明进一步说明：图1是本发明的船载二自由度伺服系统的天线结构示意图；图2是本发明的一实施例的控制流程图；图3是本发明在一个时间段内，且船横摇1～1.5°条件下，限速阈值为0.7°/s式的低仰角限速跟踪实验数据图；图4是本发明在一个时间段内，且船横摇1～2°条件下，限速阈值为1.5°/s式的低仰角限速跟踪实验数据图。具体实施方式下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围：一种船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护方法，包括以下步骤，首先获取天线方位角和天线俯仰角；在天线方位角在侧舷跟踪阈值范围、且天线俯仰角在低仰角阈值范围时，获取与采集的船横摇信号对应的限速阈值；船横摇信号与限速阈值之间具有一一对应的映射关系；根据误差电压输出天线俯仰支路运动速度电压，当天线俯仰支路运动速度电压达到限速阈值所对应的电压值时，输出限速阈值对应的电压控制天线的运动速度，在采集船横摇幅度值时，首先获取多个船横摇周期内的船横摇幅值最大值的正值；然后对多个正值取平均值，将平均值作为船横摇幅值输入信号,因而能最大程度上反应当前船摇特性，提高了获取的船摇幅值信号的准确性；然后，根据船载二自由度伺服系统跟踪环路中速度环路的pi控制方式获得误差电压信号与天线运动速度之间的关系，在伺服控制软件中，对实施输入的采样误差电压信号进行pi控制过程中，输入量是误差电压e，表征伺服天线偏离目标中心的位移量，目标偏离天线电轴中心越多，输入伺服控制软件的误差电压越大；输出量是天线俯仰运动速度电压v，该电压直接控制伺服系统的速度环路电压，与天线运动的速度成正比例关系。因而，在当前采样周期内，控制软件对输入的误差电压量进行pi控制的计算模型关系式如下式(1)所示，输出下一帧采样周期的天线运动速度电压，从而完成天线的闭环跟踪控制，上式(1)中，t为信号采样间隔时间；kp和ki分别为跟踪环路的比例和积分系数；v(kt)为第k时刻伺服系统输出的天线运动速度控制电压；e(kt)为第k时刻伺服系统的跟踪接收机输入的误差电压，k＝0,1,2,…,n；然后根据船横摇幅值和船横摇周期获得船横摇速度，根据船摇运动特性，将船横摇运动函数等效为一个正/余舷函数，则第k刻的船摇幅度计算表达式为而船横摇速度vs则为船横摇幅度的微分表达式，其中，第k时刻船横摇速度计算表达式如下式(2)所示，上式(2)中，vs为船横摇速度，ts为船横摇周期；a为船横摇幅值；在船横摇对天线运动影响最大时，再根据侧舷跟踪状态下船横摇速度、目标速度以及天线运动速度获得误差电压，由于实际跟踪过程中，在目标出地平低仰角阶段，伺服天线处于正对着船体侧舷开展跟踪的状态，因而此时天线俯仰支路运动受目标和船横摇运动的双重驱动，而在实际应用中，都会提前预先计算目标运动的理论运行轨道并计算出目标的平均运动速度，因此可以将目标运动速度在俯仰支路上反映为一个匀速运动目标的速度，而且将伺服系统的天线俯仰支路指向的误差电压表征为在一个采样周期内船横摇与目标速度叠加条件下的位移量，当船横摇运动与目标运动是正叠加时，结合式(1)可得出天线误差电压与船横摇速度、目标速度以及天线运动速度的关系，如下式(3)所示，e(kt+t)＝e(kt)+(vs(kt+t)-v(kt)+vt)×t×kt(3)上式(3)中，vt为目标运动速度，kt为天线波束位移量对应的误差电压转换系数；结合式(1)、(2)、(3)建立如下式(4)所示的数学模型：根据输入的误差电压、目标速度、船横摇周期、船横摇幅值获得第k时刻的天线运动速度控制电压v(kt)，天线运动速度控制电压正比于天线俯仰运动速度；根据数学模型计算不同的船横摇幅值范围下所得到的不同的天线运动速度控制电压，将获得的多个天线运动速度控制电压作为天线俯仰运动的多个限速阈值；在所述船横摇幅值在第一预设范围时，根据预设的目标速度和误差电压信号获得的天线运动速度中的最大值作为第一档位天线俯仰运动限速阈值；在所述船横摇幅值在第二预设范围时，根据预设的目标速度和误差电压信号获得的天线运动速度中的最大值作为第二档位天线俯仰运动限速阈值。在实际计算过程中，可以根据需要预设范围值，而且可以根据需要预设多个横摇幅度范围，继而对应多个档位的限速阈值。在本实施例中，以天线方位支路的角度设置在90°或270°附近为例，也即天线的电轴正对船体侧舷，此时，船摇对天线俯仰支路运动的影响最大，而俯仰角阈值角度范围为6度以下，若船体甲板仰角大于6度，则不再对天线进行限度保护。本发明还涉及一种船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护程序，在所述处理器运行所述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护程序时，执行所述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护方法的步骤。另外，本发明还涉及一种船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护设备，包括所述的船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统，以及角度传感器，用于获取天线方位角和天线俯仰角；接收机，用于获取误差电压信号；陀螺仪，用于获取船横摇周期和船横摇幅值；所述角度传感器、接收机、位置传感器、陀螺仪均连接在所述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统的输入端；所述船载二自由度伺服系统低仰角跟踪限速保护系统的输出端连接在天线俯仰电机的控制端。如图2所示，以实际侧舷低仰角跟踪过程为例，其限速保护的控制过程具体包括以下步骤，步骤一，船载二自由度伺服系统检测船体甲板仰角值；步骤二，若检测到的船体甲板仰角值大于系统内预先设定极限角度，则限速保护过程结束，若检测到的船体甲板仰角值小于系统内预先设定极限角度，则继续开启限速保护过程；步骤三，选择启动自动限速模式，一般通过人机交互界面选择，在本实施例中，为方便根据需要手动调节限速保护，所述船载二自由度伺服系统内设置有手动选择限速模式，所述手动限速模式与自动限速模式为两个不同且可自由切换的限速控制模式，所述手动选择限速模式的限速优先级高于自动限速模式，所述步骤三中，若选择启动手动选择限速模式，则由操作人员根据需要手动控制选择天线的限速档位也即限速阈值进行手动限速保护，而且在实际应用中，可以根据需要随时在自动限速模式下切换至手动选择限速模式，因而避免船摇突然出现较大波动时，自动限速模式无法及时计算船摇幅度而导致限速档位也即限速阈值切换不及时的问题；步骤四，在启动自动限速保护模式后，船载二自由度伺服系统根据自动采集测算的船横摇幅度，若测算出的船摇幅度在预设的其中一船横摇范围内时，船载二自由度伺服系统根据此时输入的信号获取对应的限速阈值，也即实现了限速档位的选择过程，然后即开始当前船摇幅度下的限速保护过程，若船摇幅度缓慢增加或减少，则重复上述过程，再重新获取对应档位的限速阈值，并开始在新的限速保护过程。在实际应用中，若开启限速保护后，在信号输入正常以及系统正常运行的情况下，伺服天线的俯仰速度不会达到最大值，也即限速阈值限制的速度值，而当输入信号被干扰或系统出现故障后，会造成误差电压出现异常，此时误差电压已经不能真实反映出目标与天线指向之间的位置关系，在低仰角自跟踪状态下，若误差电压异常变大，通过pi控制输出的伺服俯仰支路速度也将增大，当俯仰支路速度控制电压增大至当前限速阈值时，系统则会输出限速阈值以控制天线俯仰支路的运动速度，此时伺服俯仰支路运动速度控制电压将不会超过限速阈值，给伺服操作手足够的反应时间来停止天线运动，确保天线结构安全，避免天线出现结构性损伤，上述过程同样适用于手动限速保护过程。而由于设置了限速阈值，因而天线的俯仰速度会受到限制，因而在误差电压出现异常时，天线的俯仰速度也不会突然增加到较大的速度值，继而使得天线俯仰运动至俯仰支路的0度以下的时间会增加，从而给操作员反应时间去终止天线的继续运动，避免天线出现结构性损伤。下面对不同的船摇幅度对应的不同的天线俯仰限速保护范围进行举例说明，设目标速度为0.15°/s，船摇周期为11s，通过数学模型计算得出在正常跟踪时，不同船摇幅值对应的低仰角跟踪俯仰限速范围如下表1所示，表1船横摇幅度(°)俯仰限速范围(°/s)＜1≥0.781～2≥1.412～3≥2.033～4≥2.664～5≥3.28上表中，列举了在正常跟踪目标时，不同的船摇幅度对应不同的俯仰限速范围，在相应的船横摇范围内，天线的俯仰速度需要满足对应的俯仰限速范围，才能满足目标的正常跟踪性能，而其中的俯仰限速范围的最小值即为对应的船横摇幅度下计算得到的天线俯仰运动可能出现的最大速度，其对应的天线运动速度控制电压也即对应的限速阈值。在本实施例中，通过在海上真实船摇情况下进行跟踪模拟目标实验，验证本发明技术方案中的伺服控制软件的性能。其中，图3中，横坐标表示时间,单位为(ms/20)，纵坐标三个分量，分别是伺服俯仰支路的误差电压、船横角以及天线俯仰支路的运动速度，其中，左纵坐标轴为误差电压与船横角的公用坐标轴，右纵坐标轴为天线俯仰支路的运动速度坐标轴，整体数据曲线图表示了在船横摇1～1.5°，横摇周期为11s的条件下，设置acu软件限速阈值为0.7°/s，天线处在侧舷跟踪模拟目标情况。从图3中可以看出，在2-3横摇周期内，伺服系统出现因限速导致目标丢失的情况，说明若限速条件不匹配，跟踪过程误差会不断累积，跟踪俯仰甲板角超出6°之后，伺服系统跟踪的误差电压与天线俯仰角速度均出现了较大的跳变，最终导致跟踪目标的丢失。其中，图4中，横坐标表示时间,单位为(ms/20)，纵坐标三个分量，分别是伺服俯仰支路的误差电压、船横角以及天线俯仰支路的运动速度，其中，左纵坐标轴为误差电压与船横角的公用坐标轴，右纵坐标轴为天线俯仰支路的运动速度坐标轴，整体数据曲线图表示了在船横摇1-2°，横摇周期为11s条件下，设置伺服控制软件限速阈值为1.5°/s的伺服系统跟踪情况。从图中可以看出，在合理的船摇下，设置正确的限速阈值，可以在在保护伺服系统低仰角跟踪的同时有效规避限速对低仰角跟踪带来的影响，因而说明本发明的技术方案有效实现了低仰角跟踪限速保护过程，而且提高安全性。需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页12