艦載箱式無人機發(fā)射系統(tǒng)的設計

夏冉，朱玉川

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016)

0 前言

近年來，無人機技術飛速發(fā)展，主要涉及以下幾類關鍵技術:遠程遙控技術、自動飛行控制技術、武器智能控制技術、新材料和模塊化建造技術以及發(fā)射與回收技術等。艦載無人機的發(fā)射技術對無人機的作戰(zhàn)效能起到關鍵作用，除無人直升機以外，無人機的發(fā)射一般采用火箭助推、滑跑起飛、氣液壓彈射及箱式發(fā)射等方式。滑跑起飛需要具備一定的跑道或者滑軌，小型海基平臺往往不具備這樣的條件，而箱式發(fā)射無需跑道，可以實現(xiàn)零長發(fā)射;另外，?；脚_氣候濕熱，使用環(huán)境惡劣，無人機的貯存、維護和保養(yǎng)也是一大難題。為了實現(xiàn)艦載無人機發(fā)射的安全性、可靠性及高精度要求，以及無人機的日常維護、保養(yǎng)能力，提高使用壽命，文中針對小型艦載無人機，設計了一種集無人機貯存、運輸和發(fā)射一體化的箱式發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括機械箱體框架，電液比例控制液壓系統(tǒng)，氣動定位鎖緊系統(tǒng)，PLC 顯示控制系統(tǒng)，發(fā)射位置伺服系統(tǒng)等。平時，具備一定數(shù)量規(guī)模的箱式無人機可以長時間貯存在大型貯運箱體中，從而提高了無人機的維護性和可靠性;戰(zhàn)時，無人機箱體可由傳動系統(tǒng)迅速推入位置伺服發(fā)射平臺實現(xiàn)高精度發(fā)射，具有較強的戰(zhàn)時反應能力。另外，無人機的一種發(fā)展趨勢是與彈藥技術相結合，發(fā)展成攻擊型的巡飛彈，這種無人攻擊機形狀如同炮彈，也適宜采用這種箱式發(fā)射系統(tǒng)。

1 無人機發(fā)射系統(tǒng)結構設計

1.1 機械結構設計

無人機發(fā)射系統(tǒng)結構由大型貯運傳動箱體、發(fā)射平臺和推拉機構組成，貯運傳動箱體結構主要由側面防護板和輸送軌道組成，分為上下兩層，每層配備兩條導軌，導軌由間隔相等的滾條組成，從而使無人機箱體能以較小的阻力滾動傳送。每條導軌可串行放置兩只無人機箱體，因此，每傳動箱體共可裝載8 架箱式無人機。

圖1 無人機發(fā)射系統(tǒng)二維俯視圖

發(fā)射平臺機械結構由防護板和輸送軌道組成，分為兩層，每層配兩條軌道，每次可同時裝載4 架無人機，從而大大提高無人機的發(fā)射效率?？蚣艹叽缤耆珜趥鲃酉潴w，從而實現(xiàn)從傳動箱體到發(fā)射平臺的無障礙傳送。

推拉機構由對稱放置的兩臺液壓缸，定位氣缸以及缸體前的鎖緊氣缸組成，其作用是實現(xiàn)發(fā)射平臺在相鄰兩傳動箱體間切換，從而實現(xiàn)連續(xù)發(fā)射，提高發(fā)射效率。

圖2 發(fā)射平臺及推拉機構

1.2 氣動及液壓系統(tǒng)

傳動箱體分為前后兩部分，依靠傳動箱體上的氣液壓系統(tǒng)，后部的4 架無人機可同時傳送至前部，再由前部傳送至發(fā)射平臺，從而完成發(fā)射前的無人機就位。液壓系統(tǒng)由安裝于箱體中間的4 部液壓缸組成，每部液壓缸前端安裝有兩部鎖緊氣缸，可同時鎖緊兩只無人機箱體并完成無人機箱體的傳送，對應于無人機箱體的位置，每只無人機箱體兩側分別有兩個定位氣缸孔，分別對應于安裝在箱體兩側的4 部定位氣缸。定位氣缸之間的距離等于液壓缸的行程。這樣，無人機箱體需要兩個液壓缸行程完成一次傳輸。

無人機箱體從貯運及傳動箱體中后部輸送至前部，完成一次傳輸過程的工作流程，如圖3所示。

圖3 無人機箱體傳動流程示意圖

貯運及傳動箱體后部的無人機箱體處于(Ⅰ號位及Ⅱ號位)定位氣缸定位鎖緊狀態(tài)，此時，液壓缸位于初始狀態(tài)，鎖緊氣缸對應于Ⅱ號位，鎖緊氣缸伸出至無人機箱體鎖緊孔中，鎖緊無人機箱體，Ⅰ、Ⅱ號位的定位氣缸縮回，釋放無人機箱體，液壓缸推動無人機箱體前進一個行程。此時，原先處于Ⅰ、Ⅱ號位的無人機箱體到達Ⅱ、Ⅲ號位，對應位置的定位氣缸伸出，固定住無人機箱體，液壓缸前端的鎖緊氣缸縮回，液壓缸退回到初始位置，鎖緊氣缸處于Ⅱ號位，完成一個行程。液壓缸退回到位后，鎖緊氣缸再次伸出，鎖緊無人機箱體，Ⅱ、Ⅲ號位的定位氣缸縮回，釋放無人機箱體，液壓缸推動無人機箱體前進一個行程。此時，原先處于Ⅱ、Ⅲ號位的無人機箱體到達Ⅲ、Ⅳ號位，對應位置的定位氣缸伸出固定住無人機箱體，液壓缸前端的鎖緊氣缸縮回，液壓缸退回到初始位置，完成一次傳輸過程。

無人機箱體從貯運箱體傳輸至發(fā)射平臺的過程可完全類比于上述流程。為了保證傳動效率和定位精度，液壓缸采用電液比例閥控制，使液壓缸先以較高速度運行，當接近終點位置時，先降低至一個較低的速度，再運行至終點位置停止。

2 PLC 電控系統(tǒng)

為實現(xiàn)無人機箱體從貯運箱體到發(fā)射平臺的自動裝載，設計采用PLC 電控系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓站、氣壓站的啟停，各液壓缸、氣缸的動作，并通過增加PLC的模擬量模塊來實現(xiàn)對電液比例閥的控制，從而實現(xiàn)液壓缸末端輸出的減速運行。系統(tǒng)使用觸摸屏作為人機交互接口(HMI)，對系統(tǒng)進行監(jiān)控，包括查看各元件工作狀態(tài)以及系統(tǒng)運行狀況，并對控制系統(tǒng)發(fā)送運行控制命令等?？刂葡到y(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3 發(fā)射平臺位置伺服系統(tǒng)

為了實現(xiàn)無人機對發(fā)射角度及發(fā)射精度的要求，以及必須克服艦船搖擺對無人機發(fā)射時的影響，發(fā)射平臺采用二自由度位置伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

圖5 位置伺服控制系統(tǒng)結構圖

伺服系統(tǒng)主要包括兩個交流永磁同步電機，兩個伺服驅動器，兩個減速器，反饋檢測模塊，微型計算機控制器，電源模塊等。

上述控制系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制，選用高精密減速器以盡量減少傳動部分的輸出誤差。由于無人機發(fā)射時射流的影響以及發(fā)射后負載的變化，該伺服系統(tǒng)是一種典型的強干擾、變參數(shù)、變負載的位置伺服系統(tǒng)。為了保證無人機發(fā)射的有效性，還必須設計一種強魯棒性的控制策略，保證無人機發(fā)射時的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結束語

無人機現(xiàn)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場上不可或缺的高技術武器之一，未來無人機的應用將更加廣泛。文中設計的艦載箱式無人機發(fā)射系統(tǒng)，集貯運發(fā)一體，充分考慮了無人機在野戰(zhàn)環(huán)境下的貯存及運輸便利性、發(fā)射前準備的快速性以及艦載運動平臺下發(fā)射的精度，實現(xiàn)全自動化操作，提高了運作效率和實戰(zhàn)能力。位置伺服系統(tǒng)的設計可保證發(fā)射時的穩(wěn)定性和發(fā)射精度。

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