某新型武裝偵察機(jī)器人武器站機(jī)電聯(lián)合仿真

蔣華劍，郭保全，郭張霞，傅海龍，劉國志

（1.武漢高德紅外股份有限公司，武漢430200；2.中北大學(xué)，太原030051）

某新型武裝偵察機(jī)器人武器站機(jī)電聯(lián)合仿真

蔣華劍1，郭保全2，郭張霞2，傅海龍2，劉國志2

（1.武漢高德紅外股份有限公司，武漢430200；2.中北大學(xué)，太原030051）

介紹某新型地面武裝偵察機(jī)器人遙控武器站系統(tǒng)的組成，設(shè)計其PID三環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)，并運用動力學(xué)軟件ADAMS與控制仿真軟件MATLAB/SimuLink，建立機(jī)器人遙控武器站的機(jī)電聯(lián)合仿真系統(tǒng)，通過兩款軟件的交互運算，更為準(zhǔn)確、全面地實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真過程。仿真結(jié)果表明：控制系統(tǒng)的動態(tài)特性符合設(shè)計要求，可為同類無人化武器平臺的設(shè)計提供一定的理論與工程借鑒。

武裝機(jī)器人，PID控制算法，機(jī)電聯(lián)合仿真

0 引言

某六履帶輪履復(fù)合式武裝偵察機(jī)器人，是一款兼具武裝打擊、戰(zhàn)場偵察和高速機(jī)動能力的新型無人化武器裝備。其武器單元主要由一款適用于小型平臺的遙控武器站組成。武裝偵察機(jī)器人的武器站伺服系統(tǒng)主要由方向機(jī)伺服系統(tǒng)和高低機(jī)伺服系統(tǒng)組成，通過上位機(jī)發(fā)送指令實現(xiàn)自動調(diào)炮、目標(biāo)追蹤和掃描偵察等功能。為了確保機(jī)器人在實際運用中能夠具有較高的偵察效率和殺傷效能，應(yīng)當(dāng)將控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)對調(diào)炮精度的影響進(jìn)行綜合考慮［1］。

本文通過ADAMS/Controls接口，將ADAMS多體動力學(xué)模型與MATLAB/SimuLink控制模型結(jié)合起來，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)的交互運算。即SimuLink求解控制方程并向機(jī)械系統(tǒng)中的電機(jī)單元傳遞驅(qū)動控制信息，ADAMS求解系統(tǒng)方程并向控制系統(tǒng)反饋動力學(xué)輸出變量，從而調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)。通過這種方法，將兩款軟件的優(yōu)點結(jié)合起來，可以更為全面、準(zhǔn)確地對武裝偵察機(jī)器人的武器系統(tǒng)進(jìn)行運動控制研究［2］。

1 動力學(xué)模型建模

1.1 簡化實體模型

在動力學(xué)仿真過程中，為了提高計算效率，需要對樣機(jī)模型進(jìn)行必要的簡化。這個簡化過程，必須以保證外觀和質(zhì)量分布與原型機(jī)高度接近為原則，否則將會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在Pro/Engineer中重建本文所設(shè)計武裝偵察機(jī)器人的三維簡化模型，并將裝配文件以.x_t格式導(dǎo)入ADAMS中，如圖1所示。

圖1 ADAMS環(huán)境下簡化后的虛擬樣機(jī)

1.2 設(shè)定拓?fù)潢P(guān)系

研究的作戰(zhàn)情境為：移動底盤四輪制動，翻轉(zhuǎn)臂前后伸展且不著地，遙控武器站執(zhí)行捕捉固定靶、移動靶等戰(zhàn)術(shù)動作。之所以要求車輪不拆除而且翻轉(zhuǎn)臂也不能著地，是因為這樣可以充分體現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)下移動底盤與地面之間振動對武器站作業(yè)精度的影響。根據(jù)上述仿真情境，在ADAMS中對虛擬樣機(jī)的34個零件進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系定義，共設(shè)定29個固定約束、13個接觸碰撞、4個旋轉(zhuǎn)副、8個自由度和2個驅(qū)動如表1所示（由于篇幅限制，固定副關(guān)系在本表中不予列出）。

2 基于PID算法的伺服系統(tǒng)設(shè)計

采用基于PID算法的三環(huán)位置伺服系統(tǒng)對機(jī)器人武器站進(jìn)行運動控制。通過對所選用電機(jī)與電子元件參數(shù)的數(shù)學(xué)建模［3］，在SimuLink環(huán)境下對方向機(jī)和高低機(jī)的伺服系統(tǒng)分別進(jìn)行模塊化建模，并運用經(jīng)驗法對PID參數(shù)進(jìn)行整定［4］。整定后的方向機(jī)三環(huán)位置伺服系統(tǒng)如圖2所示，高低機(jī)伺服系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)與其相同。

表1 虛擬樣機(jī)各部件拓?fù)潢P(guān)系表（部分）

圖2中，APR為位置環(huán)控制器；ASR為速度環(huán)控制器；ACR為電流環(huán)控制器；PWM為可變功率放大器；MD（U-I）為電機(jī)模型中電壓與電流之間的傳遞函數(shù)；MD（I-E）為電機(jī)模型中電流與電動勢之間的傳遞函數(shù)；MD（Ce-n）為電機(jī)模型中感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)；Saturation是各環(huán)節(jié)為了保護(hù)電機(jī)而設(shè)定的限幅輸入。

圖2 某武裝偵察機(jī)器人方向機(jī)伺服控制系統(tǒng)

3 機(jī)電聯(lián)合仿真系統(tǒng)建模

3.1 設(shè)置狀態(tài)變量

選用同軸減速伺服電機(jī)，即減速器同軸安裝在伺服電機(jī)前方，兩者作為一個整體單元應(yīng)用在設(shè)備中。虛擬樣機(jī)的扭矩測試點設(shè)置在減速器的輸出軸上。后文中所提到的電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速，均是指經(jīng)過減速器后輸出的扭矩與轉(zhuǎn)速。

在ADAMS中對虛擬樣機(jī)設(shè)定狀態(tài)變量如下：

（1）輸入狀態(tài)變量：①方向機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速FXVelocity；②高低機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速GDVelocity。

（2）輸出狀態(tài)變量：①方向機(jī)轉(zhuǎn)角FXAngle；②方向機(jī)轉(zhuǎn)速FXVelocity；③方向機(jī)電機(jī)輸出扭矩FXMotorTorque；④高低機(jī)轉(zhuǎn)角GDAngle；⑤高低機(jī)轉(zhuǎn)速GDVelocity；⑥高低機(jī)電機(jī)輸出扭矩GDMotor-Torque。

3.2 輸出和設(shè)置宏文件

在ADAMS中建立輸入、輸出狀態(tài)變量集，然后通過ADAMS/Controls輸出接口軟件為MATLAB的三個宏文件，并統(tǒng)一命名為Armedrobot。在MATLAB命令窗口中，先后輸入Armedrobot和adams_sys，彈出某武裝偵察機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。雙擊adams_sub模型后，打開ADAMS Plant進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)算法設(shè)置。本文將Simulation mode選為discrete，這是對連續(xù)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行離散化，即選用差分方程建模,這將有助于計算機(jī)的快速求解。通過圖4所示虛擬樣機(jī)adams_sub模塊，還可以清晰看出本模型中輸入、輸出變量的分布情況。

3.3 建立聯(lián)合仿真模型

在SimuLink環(huán)境下新建空白文件，并命名為robot，然后分別將方向機(jī)和高低機(jī)的伺服控制系統(tǒng)復(fù)制進(jìn)來，再將adams_sys復(fù)制進(jìn)來，設(shè)置控制系統(tǒng)模型與機(jī)械系統(tǒng)模型之間的連接與反饋關(guān)系，得到某武裝偵察機(jī)器人武器站的機(jī)電聯(lián)合仿真模型，如圖5所示。

圖3 虛擬樣機(jī)adams_sys模型

圖4 虛擬樣機(jī)adams_sub模塊

圖5 機(jī)電聯(lián)合仿真系統(tǒng)動態(tài)圖

4 聯(lián)合仿真與結(jié)果分析

在SimuLink中將求解器設(shè)置為ode45（Dormand-Prince），即采用自適應(yīng)步長常微分方程數(shù)值解法，步長設(shè)置為0.005 s。

4.1 定位固定靶仿真與結(jié)果分析

采用階躍波信號模擬上位機(jī)給定的固定靶位置信息，并進(jìn)行聯(lián)合仿真。方向機(jī)最大射角為360deg，高低機(jī)射角上限為45deg、下限為-30deg。以武器站為原點，?。?180deg，45deg）空間向量作為固定靶所在位置進(jìn)行動態(tài)仿真。聯(lián)合仿真結(jié)果如圖6～圖9所示。

由圖6～圖7可知，方向機(jī)經(jīng)過0.1 2 s到達(dá)-180 deg角，0.55 s時穩(wěn)定指向-180 deg，整個過程超調(diào)量為10.14%，穩(wěn)態(tài)誤差接近0.02 deg；高低機(jī)經(jīng)過0.2 s指向45 deg角并穩(wěn)定，整個響應(yīng)過程無超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差為0.01 deg?？梢姡黜椫笜?biāo)均足以滿足武裝偵察機(jī)器人追蹤固定靶的響應(yīng)速度和精度要求。

圖6 方向機(jī)定位180°目標(biāo)響應(yīng)曲線

圖7 高低機(jī)定位45°目標(biāo)響應(yīng)曲線

圖8 方向機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩曲線

圖9 高低機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩曲線

由圖8與圖9可知，武器站啟動瞬間，電機(jī)達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩；啟動后，轉(zhuǎn)矩逐漸降低，并在指向固定靶后震蕩減速繼而處于穩(wěn)定值，方向機(jī)的穩(wěn)定值為0，高低機(jī)由于需要克服槍械等重力以維持高低角所以穩(wěn)定值為50 Nm。圖中個別突刺是齒輪瞬間嚙合碰撞所致，在進(jìn)行電機(jī)和減速器選配時可以合理忽略這些變異點。

4.2 追蹤勻速移動靶仿真與結(jié)果分析

采用斜波信號模擬勻速移動靶的位置信息，并進(jìn)行聯(lián)合仿真。由于高低機(jī)最大射角為45 deg，所以當(dāng)搖架到達(dá)該射角時應(yīng)當(dāng)結(jié)束仿真并保持在該射角上，故爾需要給斜波信號增加一個時間限制開關(guān)。為了縮短仿真時間并觀察方向機(jī)的啟停特性，同樣給方向機(jī)的斜坡信號也曾加一個時間限制開關(guān)，并定義方向機(jī)轉(zhuǎn)至90 deg角時停止仿真并保持在該射角上。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖10～圖13所示。

由圖10和圖11可知，方向機(jī)從啟動開始，經(jīng)過0.12 s達(dá)到最大速度90 deg/s，然后勻速跟隨目標(biāo)至射角接近90 deg時開始制動，并在1.15 s時電機(jī)完全停轉(zhuǎn)，最大追蹤誤差為3.7 deg；高低機(jī)從啟動開始經(jīng)過0.2 s穩(wěn)定到最大速度60 deg/s，并勻速跟隨目標(biāo)至射角接近45 deg時制動電機(jī)，整個追蹤過程用時0.88 s，最大追蹤誤差為2.75 deg。這里的追蹤誤差，主要是由于驅(qū)動電機(jī)在啟停階段實際速度小于預(yù)定追蹤轉(zhuǎn)速所致。

圖10 方向機(jī)90 deg/s追蹤靶標(biāo)響應(yīng)曲線

圖11 高低機(jī)60 deg/s追蹤靶標(biāo)響應(yīng)曲線

圖12 方向機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩曲線

圖13 高低機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩曲線

由圖12可見，方向機(jī)驅(qū)動電機(jī)扭矩變化特性表征了方向機(jī)“啟動-捕捉-隨動-制動”這一典型追蹤過程。通過圖13可見，高低機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩則呈現(xiàn)出非典型性的變化規(guī)律，主要表現(xiàn)在電機(jī)輸出力矩先增加再降低，然后呈現(xiàn)近似線性的震蕩式上漲。是由于驅(qū)動電機(jī)在快速啟動并達(dá)到預(yù)定追蹤速度后，“隨動”過程中需要不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速和扭矩來克服底盤與方向機(jī)的疊加振動干擾所導(dǎo)致。

4.3 追蹤變速移動靶仿真與結(jié)果分析

采用正弦波信號模擬復(fù)雜變速移動靶的位置信息，并進(jìn)行聯(lián)合仿真。設(shè)定水平方向上靶標(biāo)運動軌跡的幅值為A=90 deg，運動頻率為f=1.57 rad/s（即90 deg/s）；豎直方向上靶標(biāo)運動軌跡的幅值為A=30 deg，運動頻率為f=1.046 7 rad/s（即60 deg/s）。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖14～圖17所示。

通過圖14和圖15可知，方向機(jī)經(jīng)過1.04 s捕捉到目標(biāo)，追蹤過程中追蹤誤差隨靶標(biāo)的運動同樣呈現(xiàn)出正弦波變化規(guī)律，最大誤差為5.9 deg；高低機(jī)經(jīng)過0.88 s捕捉到目標(biāo)，最大誤差為2.2 deg。

圖14 方向機(jī)追蹤往變速動靶標(biāo)響應(yīng)曲線

圖15 高低機(jī)追蹤變速運動靶標(biāo)響應(yīng)曲線

圖16 方向機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩曲線

圖17 高低機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩曲線

由圖16可知，方向機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩，隨著靶標(biāo)速度大小和方向的改變呈現(xiàn)出半弦波變化規(guī)律，峰值扭矩為110 Nm（個別因齒輪瞬間嚙合產(chǎn)生的突刺，予以忽略）。由圖17可知，高低機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩，隨著靶標(biāo)速度大小和方向的改變呈現(xiàn)出近似梯形波的變化規(guī)律，最大值為35 Nm，而且在波谷均出現(xiàn)大幅度震蕩現(xiàn)象。波谷對應(yīng)著武器單元以最大速度經(jīng)過水平位置時的電機(jī)扭矩，此時電機(jī)需要通過頻繁調(diào)整轉(zhuǎn)速和扭矩來穩(wěn)定搖架在變向過程中的轉(zhuǎn)動速度，所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

本文分別建立了某武裝偵察機(jī)器人的多體動力學(xué)模型及其武器站的三環(huán)位置伺服系統(tǒng)，然后通過ADAMS與MATLAB/SimuLink的聯(lián)合仿真技術(shù)建立了機(jī)器人武器站的機(jī)電聯(lián)合仿真模型，分別對武器站追蹤固定靶、勻速移動靶和復(fù)雜變速移動靶3種情況進(jìn)行了仿真研究，并對其響應(yīng)特性和電機(jī)輸出扭矩特性進(jìn)行了總結(jié)與分析，得出了本文所設(shè)計遙控武器站的機(jī)械結(jié)構(gòu)和伺服系統(tǒng)，能夠滿足某武裝偵察機(jī)器人戰(zhàn)技指標(biāo)的結(jié)論。

［1］毛保全，劉新亮，汪凡，等.基于ADAMS和MATLAB的遙控武器站機(jī)電聯(lián)合仿真[J].兵工自動化，2011，8（30）：27-30.

［2］燕玉林，廖自力，劉春光，等.輪轂電機(jī)惰輪獨立驅(qū)動車輪機(jī)電聯(lián)合制動控制策略[J].火力與指揮控制，2015，40（5）：120-123.

［3］馮國楠.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［4］劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

Mechanical-Electronic Co-Simulation for Remote Weapon Station of an Armed Reconnaissance Robot

JIANG Hua-jian1，GUO Bao-quan2，GUO Zhang-xia2，F(xiàn)U Hai-long2，LIU Guo-zhi2
（1.Wuhan Gaode Infrared Co.,Ltd.，Wuhan 430200，China；2.North University of China，Taiyuan 030051，China）

This paper describes the composition of a new type of ground remote weapon-armed and reconnaissance robot station system,and design its PID tricyclic position servo control system, meanwhile establish the electromechanical joint simulation system of the electromechanical remote weapon stations by using the dynamics simulation software ADAMS and control simulation software MATLAB/SimuLink,through which can get a more objective and accurate implementation system simulation through.The simulation results show that the dynamic characteristics of the control system meets the design requirements and this method can provide a certain engineering and theoretical reference for the design of similar unmanned weapons platforms.

armed robot，PID control algorithm，electromechanical joint simulation

TP242.3

A

1002-0640（2015）12-0128-05

2014-11-28

2015-01-12

蔣華劍（1986-），男，安徽定遠(yuǎn)人，工程師。研究方向：無人化武器關(guān)鍵技術(shù)。