搭載手槍的旋翼無人平臺發(fā)射動力學(xué)研究

盧思航，莊 培，李忠新，蔡紅明

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 南京 210094)

當(dāng)今無人機等新型作戰(zhàn)裝備參與作戰(zhàn)，在戰(zhàn)爭中發(fā)揮的作用越來越重要。近年來城市作戰(zhàn)的作戰(zhàn)形式越來越常見，而小型旋翼機可由單人操控、體積小、價格低廉等優(yōu)點也較符合城市作戰(zhàn)的理念。但現(xiàn)在的小型旋翼機的最大用途為偵查，這對戰(zhàn)場瞬息萬變的形勢十分不利，即要求根據(jù)不同的任務(wù)需求，實現(xiàn)一型飛機既能執(zhí)行偵查、監(jiān)視、通信、支援等功能，又可實現(xiàn)偵查與打擊等一體化能力[1]。為了迎合“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的作戰(zhàn)理念，為小型旋翼機增加了能搭載手槍的槍架，它集偵查、攻擊能力于同一平臺上，極大地縮短了從發(fā)現(xiàn)到摧毀目標(biāo)的時間。搭載了槍械的小型旋翼機與其他無人機平臺相比有以下優(yōu)點：(1)小型旋翼機價格低廉、操作簡單，遂可以使用集群戰(zhàn)術(shù)。在城市作戰(zhàn)中，能迅速偵查到更多的敵方目標(biāo)并可以進行打擊，在數(shù)量上取得更大的優(yōu)勢。(2)與以往炸彈、火箭等殺傷源相比，槍械具有效率高、精度高、打擊速度快等特點。

Adams 軟件是美國MDI 公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，更具有開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，方便進行二次開發(fā)。但是對于控制系統(tǒng)的設(shè)計，Adams 只能處理一般的簡單控制環(huán)節(jié)。相比之下，Matlab 能夠處理各種復(fù)雜的高級控制環(huán)節(jié)，如智能控制系統(tǒng)。倘充分發(fā)揮兩者的特點，將兩者結(jié)合在一起使用，則給復(fù)雜機電系統(tǒng)的設(shè)計提供一種新方法[2-3]。

旋翼機在空中飛行時，其受力情況較為復(fù)雜。在其受到?jīng)_擊載荷時，旋翼和機身所受到的空氣阻尼在阻擋旋翼機翻轉(zhuǎn)中起到了非常重要的作用，所以使用Adams軟件進行動力學(xué)仿真不能模擬飛機真實的飛行狀態(tài)，本文為旋翼機的六個旋翼設(shè)置了由Matlab編程的含有阻尼的可根據(jù)旋翼機不同飛行姿態(tài)進行改變的升力以及后向力，從而達到更加真實的仿真目的。

1 整體結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)主要有3大部分組成，分別是：旋翼機、云臺、武器系統(tǒng)。旋翼機為六旋翼無人機，機重4.1 kg，電池重2 kg，旋翼總距為13 m，槳距為0.96 m，旋翼半徑為0.45 m。旋翼機是整體系統(tǒng)運行的平臺，負(fù)責(zé)提供動力、調(diào)整姿態(tài)等。武器系統(tǒng)為手槍，重1 kg。云臺是連接武器與平臺的接口，其中包含了緩沖系統(tǒng)、俯仰機構(gòu)以及擊發(fā)機構(gòu)，其中俯仰機構(gòu)由一個直推電機提供動力，可在0～30°內(nèi)變速調(diào)控，擊發(fā)機構(gòu)由一個舵機帶動齒輪齒條推動扳機。為了不影響各個系統(tǒng)電壓電流的穩(wěn)定性，飛機、直推電機以及舵機分別由三個鋰電池供電。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 虛擬樣機

2.1 虛擬樣機飛行控制系統(tǒng)

六旋翼無人平臺的每個旋翼都由一個直流無刷電機驅(qū)動，電機由配套的直流調(diào)速器控制，直流調(diào)速器的指令由姿態(tài)控制器輸出。整個控制系統(tǒng)就是一個多輸入多輸出的、強耦合的復(fù)雜機電系統(tǒng)[4]。

每個旋翼提供的升力、后向力根據(jù)不同的飛行姿態(tài)和旋翼轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)方式如圖2所示。

2.2 聯(lián)合仿真機械子系統(tǒng)

本文主要研究手槍發(fā)射時旋翼機姿態(tài)的變化規(guī)律，提出如下假設(shè)[5]：

1) 手槍發(fā)射時，槍架僅受過槍膛軸線、豎直向下的平面力系的影響；

2) 忽略射擊時由手槍套筒后座所引起的質(zhì)心后移的影響；

3) 無人平臺所處環(huán)境為無風(fēng)環(huán)境。

根據(jù)以上假設(shè)，將簡化后的無人平臺模型導(dǎo)入Adams軟件中建立動力學(xué)模型如圖3所示。添加各個運動部件的約束。為六個旋翼添加升力和后向力，由Matlab控制。將手槍看作為一個整體零件，受到射擊時的后坐力，后坐力由手槍內(nèi)彈道確定。本文中以射角為30°討論分析無人平臺姿態(tài)變化。

使用Adams中的Adams/control模塊，設(shè)置參數(shù)后自動生成相關(guān)文件，通過該模塊可實現(xiàn)Adams與Matlab之間的數(shù)據(jù)傳遞。在Adams中定義輸入量與輸出量，分別為：6個旋翼的升力和后向力共12個變量為輸入量，存放Matlab中旋翼模塊計算出的輸出值；6個旋翼水平方向和豎直方向的速度分量、飛機俯仰角速度以及飛機俯仰角共14個變量為輸出量，作為飛機姿態(tài)反饋輸入Matlab。在Matlab的命令行中調(diào)用Adams/control模塊(如圖4所示)，之后再命令行中輸入命令：adams_sys，即可產(chǎn)生旋翼機的機械子系統(tǒng)模塊[6]。

由于無人平臺模型在Adams中處于完全自由的狀態(tài)，其俯仰角和俯仰角速度不可由軟件自帶測量函數(shù)直接得出，需要對測量值進行計算，俯仰角和俯仰角速度的計算函數(shù)如下：

機身俯仰角函數(shù)為：

真正意外的是，一向爭強好勝的母親并未因為父親離家而崩潰，也從不在我面前數(shù)落父親的不是；雖然，她的情緒變得更為喜怒無常，陰晴難料，對我的挑剔也日漸嚴(yán)苛起來。父親并沒有變成一個罪惡的形象，他只是在我和母親目光相接的時刻里，變成了一個空白的輪廓。

ASIN(-DY(MARKER_63,MARKER_59)/891.14)

機身俯仰角速度函數(shù)為：

0.001122*(VZ(MARKER_59)-VZ(MARKER_63))/COS(ATAN((VY(MARKER_59)-VY(MARKER_63))/(VZ(MARKER_59)-VZ(MARKER_63))))

2.3 聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)

對無人平臺的俯仰角和豎直方向與水平方向的線速度分量采用PID控制策略進行控制。通過控制六個旋翼的升力以及后向力，實現(xiàn)對無人平臺的姿態(tài)控制。先使飛機處于水平飛行狀態(tài)，然后加載槍械射擊載荷，之后使用PID控制調(diào)整無人平臺飛行姿態(tài)，要求平臺達到平穩(wěn)飛行狀態(tài)，所以只對其俯仰角進行調(diào)控，即調(diào)整飛機前方兩旋翼以及后方兩旋翼的轉(zhuǎn)速。

聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)如圖5所示。

其中adams_sub為Adams軟件的機械子系統(tǒng)，機械子系統(tǒng)輸出飛機的俯仰角速度、水平線速度以及豎直線速度給xuanyi模塊，輸出俯仰角供PID調(diào)控旋翼轉(zhuǎn)速，xuanyi模塊通過旋翼轉(zhuǎn)速、俯仰角速度、水平線線速度以及豎直線速度計算出旋翼提供的升力以及后向力，再反饋給飛機，調(diào)整飛機的姿態(tài)。

其中xuanyi模塊中的升力和后向力的計算公式分別為式(1)和式(2)[7]：

(1)

(2)

在PID控制環(huán)節(jié)中，由于無人平臺俯仰角變化曲線比較復(fù)雜，用階躍信號難以描述俯仰角的目標(biāo)曲線，且目標(biāo)曲線與實際曲線的相差不能過大，所以目標(biāo)曲線需要根據(jù)實際曲線的變化規(guī)律來進行擬合。在這里使用singal builder模塊產(chǎn)生目標(biāo)曲線信號供PID參考。圖6為無控有阻尼平臺俯仰角曲線。

在Matlab中使用signal builder模塊通過描點法確定目標(biāo)曲線。目標(biāo)曲線如圖7所示。

3 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

無人平臺在未考慮空氣動力的作用下，由于沒有阻尼，其翻轉(zhuǎn)角速度會保持不變，與實際情況不符。在有無阻尼情況下平臺俯仰角變化如圖8所示。

在PID控制環(huán)節(jié)中，signal builder模塊作為目標(biāo)曲線的輸出，輸出給PID控制器和實際曲線對比，進行PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。整定的PID參數(shù)如下：

kp=10.47，ki=0.58，kd=0.3

在有PID控制的情況下，無人平臺的俯仰角如圖9所示。

由圖9可看出：在0.2 s時，無人平臺受到武器后坐力的作用開始翻滾，在旋翼空氣阻尼的作用下，翻滾速度漸漸變慢。在0.28 s時，整個后坐體后坐到位并撞擊緩沖架后端，對無人平臺產(chǎn)生了一個后座沖量，無人平臺繼續(xù)加速翻轉(zhuǎn)，在阻尼的作用下，無人平臺翻轉(zhuǎn)速度再次漸漸變慢，同時后坐體開始復(fù)進。在0.34 s時，后坐體復(fù)進到位并撞擊緩沖架前端，又對無人平臺產(chǎn)生了一個前沖沖量，無人平臺翻轉(zhuǎn)速度驟然下降，俯仰角漸漸趨于平衡。在0.6 s時PID開始控制，0.7 s時無人平臺俯仰角開始變小，于1.15 s時到達第一個超調(diào)點，最終完成調(diào)控時間為1.55 s。

通過高速攝影機拍攝無人平臺射擊，并使用圖像處理軟件進行后處理，得到無人平臺射擊時俯仰角曲線。實驗設(shè)備如圖10所示。試驗曲線與仿真曲線對比，如圖11所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種以手槍為武器的六旋翼無人平臺槍架，使用ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真模擬了槍械射擊時無人平臺的飛行姿態(tài)變化，并使用PID控制對旋翼轉(zhuǎn)速進行控制，使無人平臺恢復(fù)穩(wěn)定。所得結(jié)論如下：

無人平臺在射擊時受到的沖擊載荷較大，瞬時翻轉(zhuǎn)角加速度較大，但時間較短。在PID控制的作用下，無人平臺可以在短時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，小型旋翼無人平臺搭載沖擊載荷武器是可行的。

本文建立的空中無人平臺發(fā)射動力學(xué)模型正確，能夠作為仿真的有效方法，對今后空中無人平臺搭載沖擊載荷武器的研究和設(shè)計有參考價值。

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