機場激光驅(qū)鳥器掃描系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

摘要：介紹了機場激光驅(qū)鳥器掃描系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容，即系統(tǒng)原理、功能、特點、組成及各分系統(tǒng)設(shè)計；分析了系統(tǒng)的要求和使用條件，對直流電機選型進行計算及校核，驗證了設(shè)計的正確性和可靠性。
關(guān)鍵詞：驅(qū)鳥器；直流電機；轉(zhuǎn)矩；慣量

0 引言
    近年來，隨著國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境的改善和人民保護鳥類的意識的提高，鳥類越來越多。這給世界和中國軍民用航空業(yè)卻帶來了災(zāi)難。機場采取了各種各樣的驅(qū)鳥措施，并且起到了一定的效果。但現(xiàn)在世界范圍內(nèi)還沒有一種能解決全空域、全時間段的全能手段來驅(qū)鳥。驅(qū)鳥是一個世界性難題，是一個目前亟待解決的難題。
    機場激光驅(qū)鳥器掃描系統(tǒng)主要用以控制光線在機場允許范圍內(nèi)均勻掃描，刺激恐嚇鳥類，使其不敢在機場降落、盤旋、停留，達到保護航空安全，維護乘客的財產(chǎn)和生命安全的目的。

1 技術(shù)指標
    掃描半徑：1500m(平直跑道)；
    方位掃描范圍：-120°～+120°；
    俯仰掃描范圍：-4°～+2°；
    方位在-120°～+120°范圍內(nèi)做勻速(1°／s)重復(fù)掃描；
    俯仰在-4°～+2°范圍內(nèi)做勻速(1°／s)重復(fù)掃描。

2 系統(tǒng)原理、功能、特點及組成
2．1 工作原理
    系統(tǒng)根據(jù)上位機的設(shè)定及指令，能夠自動控制轉(zhuǎn)臺進行方位、高低轉(zhuǎn)動，能夠自動控制光線掃描范圍、光斑停留位置和停留時間，原理框圖見圖1。

2．2 系統(tǒng)功能
    控制機柜內(nèi)部的激光器發(fā)射出激光，經(jīng)擴束管擴束后向上射入反射鏡，反射鏡由轉(zhuǎn)臺帶動進行高低方位運動，反射出的激光在機場允許范圍內(nèi)均勻掃描，刺激、恐嚇鳥類，使其不敢在機場停留，保護航空安全，維護乘客的財產(chǎn)和生命。
2．3 系統(tǒng)特點
    (1)連續(xù)工作時間長，可靠性要求高；
    (2)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速低，要求低速平穩(wěn)性好，回轉(zhuǎn)運動精度高；
    (3)由于采用激光系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)安全可靠性高。
2．4 系統(tǒng)組成
    該系統(tǒng)由以下幾個分組成：方位伺服系統(tǒng)、高低伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反射鏡系統(tǒng)、防護罩、回轉(zhuǎn)支撐等。系統(tǒng)組成見圖2。

    方位伺服系統(tǒng)包括方位電機、方位驅(qū)動器、方位減速器、方位傳感器、回轉(zhuǎn)主軸。
    高低伺服系統(tǒng)包括高低電機、高低驅(qū)動器、高低減速器、高低傳感器、高低軸系。
    控制系統(tǒng)由控制器、數(shù)據(jù)運算單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)通訊單元、接口單元、AD／DA轉(zhuǎn)換單元、DA轉(zhuǎn)換單元、脈沖發(fā)生單元等組成。
    反射鏡系統(tǒng)包括反射鏡和支撐。
    防護罩包括上罩體和下罩體。
2．5 使用條件
    工作環(huán)境：室外；
    工作溫度：-10℃～+40℃；
    儲存溫度：-20℃～+50℃。

3 各分系統(tǒng)設(shè)計
3．1 方位伺服系統(tǒng)、高低伺服系統(tǒng)設(shè)計
    (1)方位掃描范圍：-120°～+120°，所以無需采用回流環(huán)，可以節(jié)約生產(chǎn)成本。
    (2)因激光經(jīng)位于轉(zhuǎn)臺正下方的饑柜內(nèi)擴束器，射入反射鏡內(nèi)，所以為使光束不受線纜的影響，采用雙層壁的設(shè)計方法。
    (3)軸承的選?。焊鶕?jù)總體要求，主軸中心既要通過80～100mm光束，又要通過電纜，且電纜不允許干擾光束，同時需要承受軸向力和徑向力，選取向心推力球軸承。
    (4)傳動方式：齒輪傳動。
    齒輪傳動具有以下特點：
    ①效率高，在常用的機械傳動中，以齒輪傳動效率為最高，這對大功率傳動有很大的經(jīng)濟意義；
    ②結(jié)構(gòu)緊湊，比帶、鏈傳動所需的空間尺寸??；
    ③傳動比穩(wěn)定，傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求；
    ④工作可靠、壽命長。
    根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸要求，擬定Z1=17，Z2=403，減速比i為23．7。
    (5)電機選?。候?qū)動部分是利用電機產(chǎn)生的力矩和力，通過機械傳動裝置來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。直流電機控制性能優(yōu)越，慣性小，啟動力矩高，因此這類系統(tǒng)的動作靈敏，快速響應(yīng)特性好，能迅速跟上控制信號的變化。
    選取電機時，初步估計各運動構(gòu)件相應(yīng)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，并把所有參與運動構(gòu)件質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量都等效到電機主軸上。并把各構(gòu)件所受的外力也同樣等效到電機主軸上進行計算，動力學方程為：
   
    式中：T——折算到電機主軸的轉(zhuǎn)矩；
          JM——電機主軸及同步運動件轉(zhuǎn)動慣量；
          J1——負載轉(zhuǎn)動慣量；
          j1——從電機主軸到負載的速比；
          Tf1——摩擦轉(zhuǎn)矩；
          ω——電機角速度；
          t——時間。
    負載功率P的計算公式為：
    P=ω1·T1           (2)
    式中：T1——負載的轉(zhuǎn)矩；
          ω1——負載角速度；
    估算出負載功率P。
    以方位伺服系統(tǒng)為例計算，擬選方位電機BLM57050，具體參數(shù)見表1，電機轉(zhuǎn)子慣量JM=0．011 9 Nm。
    方位角加速度為57．3°／s2(1 rad／／s2)，摩擦力矩Tf1要求做到0．12Nm。
    經(jīng)計算J1=108．5g·m2，代入公式(1)中，
   
    根據(jù)估算結(jié)果，進行校核：
    ①負載力矩T=0．32 Nm小于電機的額定轉(zhuǎn)矩0．29 Nm；
    ②電機功率大于估算功率P=1．8 W；
    ③電機轉(zhuǎn)速0．4 rpm小于電機的額定轉(zhuǎn)速Nn；
    ④負載等效慣量限制在2．5倍的電機慣量之內(nèi)。
    經(jīng)過校驗，選定方位電機為BLM57050電動機，符合要求。同時，高低電機選為BLM57025。
    根據(jù)實際要求，距離為1500m時光斑的步長為200mm。
    伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。該電機帶有標準1000線編碼器，細分后達4000線，配以23．7倍減速器，其脈沖當量為(2π×1500／360)×(360／4000／23．7)=120mm<200mm，精度足夠高，完全符合技術(shù)要求。

    (6)傳感器的選擇與設(shè)計
    傳感器是實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié)，是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。如果沒有傳感器對原始信號進行準確可靠地采樣和轉(zhuǎn)換，那么一切的測量和控制都將是不可靠的。因此要求所選傳感器有高準確度和靈敏度，以保證儀表的測量和控制的可信度。
    行程開關(guān)采用霍爾傳感器，屬非接觸式傳感器，穩(wěn)定性好，工作安全、可靠。
    安全開關(guān)采用機械行程開關(guān)，結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，易于維修和校準，使用方便，工作安全、可靠。
3．2 控制系統(tǒng)的設(shè)計
    運動控制是一門有關(guān)如何對物體位置和速度進行精密控制的技術(shù)。典型的運動控制系統(tǒng)由三部份構(gòu)成：控制部分；驅(qū)動部分；執(zhí)行部分。如圖3所示。

    其中運動執(zhí)行部件通常為步進電機或者伺服電機。當驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，加以放大，驅(qū)動電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
    控制器具備以下功能：
    (1)控制脈沖個數(shù)來控制角位移量；
    (2)控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度；
    (3)具有A／D轉(zhuǎn)換功能，進行溫度檢測、電壓檢測、風力檢測、雨量檢測；
    (4)具有檢測限位功能，通過L／O口檢測高低、方位安全開關(guān)的狀態(tài)；
    (5)具有零點校正功能，通過I／O口對霍爾傳感器進行零點校正；
    (6)具有檢測驅(qū)動器錯誤功能；
    (7)通過串口與上位機進行通訊。
3．2．1 單片機控制電路
    單片機控制電路為控制器的核心部分，通過單片機和外圍芯片電路實現(xiàn)控制功能。單片機控制電路承擔數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸任務(wù)，同時負責接收上位機下達的命令，以及系統(tǒng)的自檢等命令，以使系統(tǒng)可靠、有序地工作。
3．2．2 電源部分設(shè)計
    該系統(tǒng)中單片機、傳感器需要5V直流電壓。市場上電源的技術(shù)比較成熟，能滿足本系統(tǒng)的要求，采用24V直流穩(wěn)壓電源一臺，通過780 5、7812得到我們需要的電壓。
3．2．3 硬件的抗干擾設(shè)計
    控制器中最容易受干擾的部位是電源、接地系統(tǒng)、輸入和輸出。在設(shè)計中采取了相應(yīng)的抗干擾措施。
    (1)采用光電隔離
    通常在數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中，發(fā)送和接收之間存在明顯的接地電位差。這種電位差隨發(fā)送與接收的距離變化而變化，一般情況下距離越遠，電位差越大。在本設(shè)計中，由于驅(qū)動器的輸入電壓為24V，屬于高壓，容易產(chǎn)生串擾信號，同時考慮到高低電壓安全隔離，所以采用光電隔離。
    (2)采用抗干擾穩(wěn)壓電源
    采用抗干擾能力很強的三端穩(wěn)壓器件7805、7812等，克服絕大部分干擾。
3．3 總體的造型設(shè)計
    造型設(shè)計也是總體設(shè)計中一個重要的問題。造型設(shè)計是與設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視覺感覺與市場關(guān)系緊密相關(guān)的重要設(shè)計工作。造型設(shè)計所采用結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟原則；還要使產(chǎn)品的外形、色彩和表面特征符合美學原則，以適應(yīng)人們的時尚要求，并從式樣、形態(tài)、風格、氣氛上體現(xiàn)時代的特點。

    本次設(shè)計中采用球體造型，該系統(tǒng)的整體各部分輕重對稱，相對和諧，減小風阻；同時，采用止口設(shè)計，可防風防雨；光線用反射鏡傳輸，有效減輕回轉(zhuǎn)體的重量；采用對稱設(shè)計法，使系統(tǒng)均衡穩(wěn)定。

4 保證該系統(tǒng)精度的措施
    (1)選用D級回轉(zhuǎn)軸承，游隙小，回轉(zhuǎn)精度高，摩擦力矩小，低速平穩(wěn)性好；
    (2)為了減小摩擦扭矩，要求回轉(zhuǎn)主軸尺寸公差等級為1T6級，形位公差(同軸度、圓柱度、垂直度)等級達到IT4級；
    (3)齒輪加工精度等級為IT5級，研磨后精度等級為IT3級；
    (4)防護罩采用球體造型，減小風阻。

5 結(jié)論
    該系統(tǒng)已交付使用，從現(xiàn)場使用情況來看，運行精度高，低速平穩(wěn)性好，安全可靠，滿足技術(shù)要求。該設(shè)計是合理的、有效的。