一種基于全方位底盤的小型偵查平臺(tái)設(shè)計(jì)*

張?jiān)ツ?，楊懷彬，尚穎輝，張 騫，黃 濤

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2.解放軍63983部隊(duì)，江蘇 無錫 214035）

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，準(zhǔn)確、快速的戰(zhàn)場信息偵查能夠有效地提高部隊(duì)作戰(zhàn)效能、降低我方傷亡，尤其是在戰(zhàn)場環(huán)境危險(xiǎn)性較高的情況下。小型地面無人偵察平臺(tái)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、攜帶方便、易于操控等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可搭載小型武器平臺(tái)構(gòu)成察打一體綜合平臺(tái)［1］。其中，Gladiator系列、PackBot系列都屬于該類型平臺(tái)，技術(shù)較為成熟且已經(jīng)服役。國內(nèi)的沈陽自動(dòng)化研究所、南京理工大學(xué)、北方車輛研究所等單位也針對(duì)此類平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)研究。

目前，小型地面無人平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為輪式、履帶式和輪履復(fù)合式3種［2-3］。輪式平臺(tái)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)但越野性能較弱，履帶式平臺(tái)越野性能較好但機(jī)動(dòng)性欠缺，輪履復(fù)合式平臺(tái)兼具了機(jī)動(dòng)性和越野性，但結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜。全方位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有良好的機(jī)動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)，但大多數(shù)以輪式為主，越野能力較弱，適于在平坦硬路面使用［4-5］。全方位履帶以傳統(tǒng)履帶機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合麥克納姆輪全方位運(yùn)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)而來［6］。本文基于全方位履帶結(jié)構(gòu)，利用縱向?qū)ΨQ布局形式研制一種小型全方位底盤。在該底盤上加裝攝像頭、GPS定位器、遠(yuǎn)距離傳輸電臺(tái)等偵查設(shè)備，搭建成一種小型偵查平臺(tái)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

1 全方位底盤布局分析

全方位履帶與傳統(tǒng)履帶結(jié)構(gòu)基本相同，具有驅(qū)動(dòng)輪、負(fù)重輪、托帶輪、履帶板等結(jié)構(gòu)。但其在履帶板上加裝了可自由旋轉(zhuǎn)的輥輪，使其在平面上具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。文獻(xiàn)［7］中分析了全方位履帶與平臺(tái)之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，得到其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

其中，（vyvxωz）為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度，（ωivri）為履帶驅(qū)動(dòng)輪角速度和輥輪運(yùn)動(dòng)速度，li為履帶中心點(diǎn)到平臺(tái)中心點(diǎn)的距離，αi為輥輪偏置角，r為驅(qū)動(dòng)輪半徑。

觀察式（1）可以發(fā)現(xiàn)，J為平臺(tái)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的雅克比矩陣。根據(jù)平臺(tái)全方位運(yùn)動(dòng)特性，J必須滿足條件 rank（J）≥3［8-10］。因此，由全方位履帶構(gòu)成的全方位底盤至少需要3條履帶?？紤]到履帶生產(chǎn)安裝、驅(qū)動(dòng)控制等因素，全方位底盤履帶布局有如下幾種形式，如圖1所示。

圖1 全方位底盤履帶布局形式

圖1中，圖1（a）為三履帶布局形式，圖1（b）～圖1（d）為四履帶布局形式，圖1（e）～ 圖1（g）為多履帶布局形式。每種底盤通過多履帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)均可實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)性能，但考慮到偵查平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，多以障礙路面為主。因此，底盤布局形式選擇與傳統(tǒng)履帶車輛類似的縱向?qū)ΨQ布局形式，如圖1（d）所示。

2 平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)總體方案

平臺(tái)總體方案如下頁圖2所示。48 V動(dòng)力電池組為全方位底盤提供動(dòng)力，同時(shí)也為綜合控制器、攝像頭、電臺(tái)等設(shè)備供電。驅(qū)動(dòng)部分由全方位履帶及其懸架裝置、電機(jī)及其減速器和驅(qū)動(dòng)器組成。偵查系統(tǒng)由前后攝像頭、云臺(tái)攝像頭和GPS定位器組成。云臺(tái)攝像頭在水平方向上能夠360°旋轉(zhuǎn)，在垂直方向上能夠-15°～90°旋轉(zhuǎn)，具備自動(dòng)調(diào)焦功能。前后攝像頭安裝在底盤上，對(duì)底盤前后的近距離位置進(jìn)行觀察。圖像信息由電臺(tái)實(shí)時(shí)回傳給終端控制箱，用于觀察記錄和實(shí)時(shí)操作。GPS定位器能夠?qū)刹槟繕?biāo)的地理位置數(shù)據(jù)進(jìn)行精確記錄。綜合控制器與驅(qū)動(dòng)器之間采用CAN總線模式進(jìn)行通訊，下發(fā)控制數(shù)據(jù)指令和回采電機(jī)狀態(tài)信息。同時(shí)，綜合控制器也對(duì)攝像頭等實(shí)施控制操作。終端控制箱主要通過攝像頭實(shí)時(shí)回傳的圖像信息實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤的操作控制和偵查環(huán)境的記錄。平臺(tái)采用大功率電臺(tái)進(jìn)行圖像和數(shù)據(jù)的傳輸，確保遠(yuǎn)距離情況下控制和傳輸正常。

圖2 平臺(tái)總體方案

綜合控制器是底盤部分的核心，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時(shí)控制，控制流程如圖3所示?？刂破鞒跏蓟瓿珊?，對(duì)攝像頭、電臺(tái)、電機(jī)等平臺(tái)部件進(jìn)行狀態(tài)檢測，若完成則將串口打開等待終端控制箱發(fā)送的握手信號(hào)；若未完成則進(jìn)入停機(jī)報(bào)警模塊，提示操作者平臺(tái)啟動(dòng)失敗。等待電臺(tái)握手?jǐn)?shù)據(jù)的最長時(shí)限為10 s，超時(shí)則進(jìn)入停機(jī)報(bào)警模塊，提示操作者數(shù)據(jù)連接失敗。若接收到電臺(tái)握手?jǐn)?shù)據(jù)，驗(yàn)證正確后則進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，通訊連接成功。接收控制數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，若成功則進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析計(jì)算，并將結(jié)果下發(fā)到驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)回采電機(jī)狀態(tài)信息；若匹配失敗則直接給驅(qū)動(dòng)器發(fā)送速度為0的指令同時(shí)回采電機(jī)狀態(tài)信息。電機(jī)狀態(tài)正常則繼續(xù)等待接收控制數(shù)據(jù)，進(jìn)行循環(huán)；若電機(jī)狀態(tài)異常，則進(jìn)入停機(jī)報(bào)警模塊。

根據(jù)偵查平臺(tái)的性能要求，設(shè)計(jì)平臺(tái)主要性能指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

圖3 綜合控制器控制流程

表1 平臺(tái)主要指標(biāo)參數(shù)

2.2 電驅(qū)動(dòng)方案

底盤要實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，需要分別控制4條履帶來實(shí)現(xiàn)不同速度，因此，每條履帶需要獨(dú)立驅(qū)動(dòng)來完成。傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一功能較為復(fù)雜，因此，底盤采用多履帶獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)及其減速器、驅(qū)動(dòng)器、電池等部分。其中，電機(jī)選擇性能較好、應(yīng)用成熟的直流無刷電機(jī)，采用速度控制模式。根據(jù)表1中偵查平臺(tái)主要指標(biāo)參數(shù)為依據(jù)，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部分進(jìn)行匹配計(jì)算。

電機(jī)的持續(xù)輸出功率按照底盤最大速度來計(jì)算。平臺(tái)滿載質(zhì)量m=200 kg；電機(jī)輸出效率取0.8，履帶運(yùn)行效率取0.9，則電機(jī)到地面的輸出效率η=0.8×0.9=0.72；阻力系數(shù) f=0.05；電機(jī)數(shù)為 4。則忽略風(fēng)阻情況下，電機(jī)的持續(xù)輸出功率為

電機(jī)的最大輸出功率按照底盤最大爬坡度來計(jì)算。底盤最大爬坡角度為α=25°，爬坡速度取v=4 km/h，則電機(jī)的最大功率為：

綜上，考慮到留有一定裕量，選取電機(jī)參數(shù)如下：功率400 W，最高轉(zhuǎn)速 4 000 rpm，額定扭矩1.2 Nm。

減速器減速比的選擇按照電機(jī)最高轉(zhuǎn)速與最大輸出扭矩來計(jì)算。減速比的上限由電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和底盤最大速度決定：

減速比的下限由電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大爬坡對(duì)應(yīng)的行駛阻力決定。電機(jī)按過載2倍計(jì)算，Tmax=1.2×2=2.4 Nm，可得

因此，選擇減速比為：i=10。

2.3 履帶方案

本文設(shè)計(jì)的全方位履帶如圖4所示，其與傳統(tǒng)履帶類似，具有驅(qū)動(dòng)輪、負(fù)重輪、履帶板等結(jié)構(gòu)。不同的是在履帶板上安裝有可自由滾動(dòng)的輥輪，根據(jù)其對(duì)底盤全方位運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律，將偏置角選取為該角度能夠確保底盤在實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，在縱向上具有更好的速度和加速度性能，便于縱向越野行駛。履帶板之間采用鏈條相互連接，驅(qū)動(dòng)輪采用配套的鏈輪。懸架裝置選用3個(gè)小型彈簧減震器，由于履帶較短沒有設(shè)計(jì)相應(yīng)的托帶輪。為了下一步進(jìn)行擴(kuò)展研究，將整個(gè)車體做成分體式，中間通過鉸鏈進(jìn)行連接，使用時(shí)根據(jù)需要將其固定或解鎖。

圖4 全方位履帶結(jié)構(gòu)圖

3 樣車與試驗(yàn)

根據(jù)平臺(tái)總體方案，研制了原理樣機(jī)，樣機(jī)由終端控制箱通過圖傳數(shù)傳系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如圖5所示。

圖5 原理樣機(jī)及終端控制箱

平臺(tái)各項(xiàng)性能調(diào)試完畢后，分別進(jìn)行了中心轉(zhuǎn)向、橫向移動(dòng)、草地、跨越臺(tái)階、野外遠(yuǎn)距離遙控等多種復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)地試驗(yàn)，如下頁圖6所示。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具備一定的越野能力，能夠在草地、土路、障礙等各類復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行偵查活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)野外環(huán)境下平臺(tái)的全方位性能會(huì)受到影響，同時(shí)輥輪容易磨損且有掉落現(xiàn)象，在跨越一些較高的障礙物時(shí)兩履帶中間會(huì)出現(xiàn)“卡頓”現(xiàn)象，造成履帶不能完全接地。

4 結(jié)論

本文依據(jù)全方位履帶，按照縱向?qū)ΨQ布局形式，研制了一種基于全方位底盤的小型偵察平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)總體方案、電驅(qū)動(dòng)方案和履帶方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了綜合性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)具備全方位運(yùn)動(dòng)性能，且具備一定的越野能力。但平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上還需要進(jìn)一步改進(jìn)，在重量、體積等方面需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。目前，該平臺(tái)只具備偵查能力，下一步工作中需要配備相應(yīng)的武器平臺(tái)和自主控制模塊，使其具備自主偵查打擊能力，功能更加豐富。

圖6 平臺(tái)綜合試驗(yàn)