某型水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制

李科亮

(中國人民解放軍91640部隊(duì), 廣東 湛江 524064)

引言

隨著水下對抗和反對抗技術(shù)的快速發(fā)展，研究智能的水下攻擊武器，實(shí)現(xiàn)對敵艦艇和艦船的準(zhǔn)確打擊，利用水下爆炸的強(qiáng)大威力，提高對敵水下目標(biāo)的攻擊強(qiáng)度[1]。某型水下航行器是實(shí)現(xiàn)對敵水下潛艇打擊的全新全數(shù)字化的智能制導(dǎo)水中兵器，集自導(dǎo)、控制系統(tǒng)及戰(zhàn)斗部為一體，采用艦艇管裝發(fā)射、空投發(fā)射和火箭助飛發(fā)射等發(fā)射平臺，實(shí)現(xiàn)反潛作戰(zhàn)。在該型水下航行器的技術(shù)準(zhǔn)備中，需要把在技術(shù)陣地準(zhǔn)備好的航行器裝載到艦上，并裝載在魚雷發(fā)射管中，實(shí)現(xiàn)水下航行器交付裝管[2]?？梢?，水下航行器的上艦吊裝是實(shí)現(xiàn)該型水下航行器發(fā)射準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究水下航行器的智能吊裝控制技術(shù)，在機(jī)械裝備控制領(lǐng)域中受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注。

當(dāng)前，對水下航行器的上艦吊裝采用人工吊裝和機(jī)械臂吊裝結(jié)合的方式，受到碼頭現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境影響因素較大，特別是受到機(jī)械臂的輸出力矩?cái)_動(dòng)影響較大，在吊裝過程中容易出現(xiàn)位姿偏移和碰撞、跌落等事故，需要研究一種智能的水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制方法，進(jìn)行機(jī)械臂的智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高水下航行器機(jī)械臂的智能控制能力和抗擾動(dòng)能力。傳統(tǒng)方法中，對吊裝機(jī)械臂的控制方法主要有模糊控制模型、PID控制模型、滑模積分控制方法、傳感融合跟蹤控制模型和壓力傳感控制模型等[2-4]，結(jié)合對機(jī)械臂的控制力學(xué)參數(shù)分析和機(jī)械臂的承重配力分析，采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)水下航行器機(jī)械臂吊裝控制。文獻(xiàn)[5]中提出一種基于氣動(dòng)阻尼耦合補(bǔ)償?shù)乃潞叫衅魃吓灥跹b機(jī)械臂承壓控制方法，采用多變量的耦合控制系統(tǒng)進(jìn)行上艦吊裝機(jī)械臂的耦合控制，提高機(jī)械臂的承重力的智能分配能力，但該控制方法的抗擾動(dòng)能力不好；文獻(xiàn)[6]中提出一種基于連續(xù)反饋驅(qū)動(dòng)和模糊PID的機(jī)械臂智能控制方法，采用連續(xù)反饋驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓參數(shù)自適應(yīng)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)承壓力學(xué)仿真分析，但該方法容易受風(fēng)阻擾動(dòng)因素的影響，控制過程的魯棒性不高。

針對上述問題，本文提出一種基于載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)加載和末端姿態(tài)力學(xué)參量調(diào)節(jié)的水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制技術(shù)。首先分析水下航行器裝艦的技術(shù)準(zhǔn)備流程和關(guān)鍵技術(shù)，建立上艦吊裝機(jī)械臂的移動(dòng)平臺和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，結(jié)合反饋補(bǔ)償方法進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓力學(xué)控制。然后采用有限元?jiǎng)恿W(xué)分析方法構(gòu)建水下航行器吊裝機(jī)械臂的控制律，實(shí)現(xiàn)水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓力矩控制，提高水下航行器上艦吊裝的位姿自動(dòng)調(diào)整能力。最后進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析，展示了本文方法在提高水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制能力方面的優(yōu)越性能。

1 水下航行器上艦吊裝技術(shù)總體設(shè)計(jì)

1.1 水下航行器上艦吊裝操作技術(shù)描述

為了實(shí)現(xiàn)該型水下航行器的上艦吊裝和裝管發(fā)射的技術(shù)指標(biāo)，首先分析水下航行器上艦吊裝的總體實(shí)現(xiàn)流程，該型水下航行器在技術(shù)陣地完成規(guī)定的準(zhǔn)備后，其各艙段、各系統(tǒng)和主要組件經(jīng)過聯(lián)調(diào)檢測，完成整個(gè)航行器艙段合成[7]，基本狀態(tài)為：

(1)水下航行器的戰(zhàn)斗部內(nèi)部引信組件裝有雷管組合件，水下航行器的殼體下部靜水壓蓋上，并內(nèi)裝防水膜片；

(2)水下航行器的動(dòng)力系統(tǒng)裝滿燃料，氣瓶裝上電爆活門，停車閥裝上電爆管。

在上述水下航行器上艦吊裝的基本狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上，將在技術(shù)陣地準(zhǔn)備好的水下航行器送往裝艦碼頭，在裝艦運(yùn)輸過程中，使用專用運(yùn)輸車，將水下航行器放在專用的包裝箱中，行車速度要適當(dāng)，不能過快。將水下航行器運(yùn)送到碼頭后，采用智能機(jī)械設(shè)備裝置進(jìn)行上艦吊裝操作，在機(jī)械臂進(jìn)行吊裝過程中，不得取下航行器頭部的保護(hù)帽和螺旋槳保護(hù)罩；在頭部和后部栓上保護(hù)繩，有專人負(fù)責(zé)保持水下航行器的兩頭處于平衡狀態(tài)，采用智能機(jī)械控制設(shè)備進(jìn)行位姿控制，防止水下航行器滑落和與其它物體碰撞，在上艦吊裝過程中不允許碰撞和劃傷。

1.2 水下航行器上艦吊裝裝管實(shí)現(xiàn)

在將水下航行器采用智能機(jī)械臂吊裝到艦上后，需要將航行器裝管，首先將發(fā)射管轉(zhuǎn)到裝填位置，將水下航行器裝載小車推到裝管位置，調(diào)整其高度，確認(rèn)航行器的中軸線與發(fā)射管軸線對準(zhǔn)，在排氣閥上裝上推航行器的專用工具，核實(shí)水下航行器的4片全動(dòng)舵對準(zhǔn)發(fā)射管相應(yīng)的凹槽，結(jié)合智能控制組件和驅(qū)動(dòng)裝置，將水下航行器體推入管中，艦上裝管的日常維護(hù)內(nèi)容見表1。

表1水下航行器艦上裝管的日常維護(hù)內(nèi)容

Tab.1Routinemaintenanceofthepipeinstalledonboardofunderwatervehicle

項(xiàng)目處理措施殼體表面檢查不影響水下航行體的裝管、卸管和繼續(xù)使用不應(yīng)有明顯的劃痕、掉漆返回技術(shù)陣地維修處理設(shè)定插座檢查如果設(shè)定插座出現(xiàn)銹蝕,用酒精擦拭,如果擦洗干凈,可繼續(xù)在管內(nèi)等待發(fā)射,否則應(yīng)卸管,退回技術(shù)陣地進(jìn)行處理功能檢查每6個(gè)月進(jìn)行一次定期檢查,采用參數(shù)設(shè)定與犬類功能檢查臺對魚雷進(jìn)行功能檢查,檢查合格,該產(chǎn)品正常使用,如果出現(xiàn)異常,將航行器返回技術(shù)陣地維修處理

2 水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及力學(xué)參量分析

2.1 水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)對水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的穩(wěn)定控制，構(gòu)建水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的慣性姿態(tài)融合空間運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，需要進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的7自由度運(yùn)動(dòng)空間規(guī)劃，設(shè)計(jì)水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的7個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度運(yùn)動(dòng)模型，采用末端位姿估計(jì)器進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的姿態(tài)特征傳感采集和控制約束參量分析[8]。對吊裝機(jī)械臂的智能控制是建立在水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂工作物理環(huán)境參量信息的采集和力學(xué)傳感信息分析基礎(chǔ)上的，通過分布式傳感陣列基陣進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的力學(xué)數(shù)據(jù)采集和測量，采用敏感元件進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的慣性承壓力學(xué)分析，本文研究的水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂為某多級的重力吊裝機(jī)械臂，采用 Numeca Fine/Turbo 軟件實(shí)現(xiàn)水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的承壓力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)字分析和力學(xué)計(jì)算[9]，建立水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂耦合多體動(dòng)力學(xué)模型，并通過求解力學(xué)特征方程得出水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的特征參量模型，得到水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓控制的基本幾何參數(shù)見表2。

表2 基本幾何參數(shù)模型

根據(jù)表2 的約束參量模型，建立水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓的承壓控制對象模型，在壓力傳感作用下，水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓的模態(tài)參量識別模型為：

X(n)=[x1(n),x2(n), ...,xm(n)]T

Wj(n)=[w1(n),w2(n),...,wm(n)]T,j

aj(n)=[a1(n),a2(n),...,am(n)]T,j

Yj-1(n)=[y1(n),y2(n),...,ym(n)]T,j

(1)

根據(jù)承壓控制的辨識參數(shù)模型，得到水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓控制的有限元分析模型。

2.2 上艦吊裝機(jī)械臂的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)承載力學(xué)分析

在構(gòu)建水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓控制的約束參量模型，進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)承載力學(xué)分析，根據(jù)水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓控制的有限元分析模型進(jìn)行特征分解，先采用6 維力傳感器進(jìn)行機(jī)械臂的承壓力和應(yīng)力屈服響應(yīng)特征數(shù)據(jù)采集[10]，得到水下航行器機(jī)械臂承壓約束控制的特征矩陣R定義為：

R=X(n)XT(n)=

(2)

基于載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓的動(dòng)態(tài)幾何特征參量排序，得到吊裝機(jī)械臂的應(yīng)力屈服響應(yīng)分布關(guān)系可以表示為：

λ1>λ2>...>λj-1>λj>...>λm

(3)

根據(jù)水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的承壓能力，得到機(jī)械臂的控制參數(shù)模型為：

(4)

根據(jù)吊裝機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)中的速度和加速度，結(jié)合柔性驅(qū)動(dòng)分析方法，構(gòu)建水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂各連桿之間的載荷分布模型，進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)承載力學(xué)模型設(shè)計(jì)，提高機(jī)械臂的智能控制能力[11]。

3 機(jī)械臂的控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)

在構(gòu)建水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓控制的約束參量模型，進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)承載力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)械臂的控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出一種基于載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)加載和末端姿態(tài)力學(xué)參量調(diào)節(jié)的水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制技術(shù)，通過自適應(yīng)調(diào)整起重臂的受力方向，進(jìn)行機(jī)械臂的承壓性能自適應(yīng)調(diào)節(jié)和反饋控制，提高水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的載荷轉(zhuǎn)移控制能力。對水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)識別，得到加載力矩的逆壓可比矩陣為：

(5)

式中,s表示載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)在角度θ的正弦，c表示取角度θ的余弦。在連續(xù)驅(qū)動(dòng)下水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的擾動(dòng)力矩為ω(k)，在6自由度空間模型中，得到水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的軸向壓力變換矩陣：

(6)

分析水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的承壓控制辨識參數(shù)為mj(j=1,2,…m)?mj∈M，結(jié)合反饋補(bǔ)償方法進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓力學(xué)控制，得到結(jié)構(gòu)分布和相關(guān)參數(shù)模型為：

ui/j(k-1/k-1)=P(mi(k-1)/mj(k),zk-1)=

(7)

引入加載力的自適應(yīng)調(diào)整系數(shù)，得到水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的承載力驅(qū)動(dòng)方程為：

(8)

(9)

忽略水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響，結(jié)合反饋補(bǔ)償方法進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓力學(xué)控制，得到機(jī)械臂的力學(xué)空間分布函數(shù)為：

(10)

采用有限元?jiǎng)恿W(xué)分析方法構(gòu)建水下航行器吊裝機(jī)械臂的控制律，加載力/力矩聯(lián)合控制項(xiàng)為{Wfinal}，控制器參數(shù)特征量為：

(11)

構(gòu)建上艦吊裝機(jī)械臂Lyapunov函數(shù)為：

(12)

對Lyapunov函數(shù)求導(dǎo)：

(13)

根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性原理，得到本文設(shè)計(jì)的控制律是穩(wěn)定的。引入機(jī)械臂的加載力向量，得到水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償項(xiàng)為：

(14)

當(dāng)?=±90°時(shí)，進(jìn)行水下航行器的吊裝位置矯正，降低位姿調(diào)整誤差，提高水下航行器的上艦吊裝的位姿調(diào)整能力。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測試本文方法在實(shí)現(xiàn)某型水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用Matlab 7 設(shè)計(jì)，采用三軸電子羅盤LSM303DLH進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂的姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)采集，對吊裝機(jī)械臂的位姿參量采集的周期為0.56 s，姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)樣本的測試集規(guī)模為2 000，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模為100，水下航行器的直徑設(shè)定為324 mm，最大轉(zhuǎn)矩設(shè)定為28 KN·m，重心下移量為2～4 mm，靜傾角設(shè)定為+10°，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行該型水下航行器的上艦吊裝機(jī)械臂控制仿真測試，得到水下航行器吊裝機(jī)械臂的傳感力學(xué)參數(shù)采集結(jié)果如圖1所示。

圖1 水下航行器吊裝機(jī)械臂的力學(xué)參數(shù)采集

Fig.1Dataacquisitionofmechanicalparametersofhoistingmanipulatorofunderwatervehicle

以圖1的采集數(shù)據(jù)為控制輸入，進(jìn)行機(jī)械臂智能控制，得到吊裝機(jī)械臂的控制輸出力矩如圖2所示。

分析圖2得知，本文設(shè)計(jì)的控制方法進(jìn)行水下航行器的吊裝的力學(xué)配置性能較好，力矩輸出的收斂性較好。采用不同方法進(jìn)行測試，得到控制收斂曲線對比結(jié)果如圖3所示，分析圖3得知，采用本文方法進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制的收斂性、穩(wěn)定性較好，對水下航行器吊裝過程的位姿跟蹤準(zhǔn)確性較高，提高了水下航行器裝艦的安全性和智能性。

圖2 吊裝機(jī)械臂的控制輸出力矩

圖3 控制性能曲線分析

5 結(jié)束語

在某型水下航行器的技術(shù)準(zhǔn)備中，需要把在技術(shù)陣地準(zhǔn)備好的航行器裝載到艦上，并裝載在魚雷發(fā)射管中，實(shí)現(xiàn)水下航行器交付裝管，上艦吊裝是實(shí)現(xiàn)該型水下航行器發(fā)射準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用智能機(jī)械臂進(jìn)行吊裝控制，本文提出一種基于載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)加載和末端姿態(tài)力學(xué)參量調(diào)節(jié)的水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制技術(shù)。建立上艦吊裝機(jī)械臂的移動(dòng)平臺和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，結(jié)合反饋補(bǔ)償方法進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓力學(xué)控制，采用有限元?jiǎng)恿W(xué)分析方法構(gòu)建水下航行器吊裝機(jī)械臂的控制律，實(shí)現(xiàn)水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂承壓力矩控制，提高水下航行器上艦吊裝的位姿自動(dòng)調(diào)整能力。研究得知，采用本文方法進(jìn)行水下航行器上艦吊裝機(jī)械臂智能控制的穩(wěn)定性較好，對水下航行器吊裝過程的位姿跟蹤準(zhǔn)確性較高，提高了水下航行器裝艦的安全性，在水中兵器的上艦吊裝和保障中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。