副翼差分驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

宋春雨 徐方舟 石小亮

摘 ?要：以RSSR空間機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)型構(gòu)建了無人機(jī)副翼差分驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過Adams建立虛擬樣機(jī)模型，對其進(jìn)行運(yùn)動特性分析，結(jié)果顯示運(yùn)動精度滿足無人機(jī)控制需求。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);副翼;RSSR;差分機(jī)構(gòu);運(yùn)動分析

中圖分類號：V224 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0082-02

Abstract： Based on RSSR spatial mechanism， design of differential mechanism for unmanned aerial vehicle（UAV） aileron， built the virtual prototype model with Adams， and the motion characteristics were analyzed， the results show that the motion precision meets the requirements of UAV control.

Keywords： unmanned aerial vehicle; aileron; RSSR; differential mechanism; kinematic analysis

引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在軍用和民用領(lǐng)域，無人機(jī)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行目標(biāo)指示、偵查、反恐、情報(bào)搜集等用途;而在民用領(lǐng)域，無人機(jī)技術(shù)則可用于數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、影視拍攝、災(zāi)后救援、物流運(yùn)輸、遙感測繪、農(nóng)業(yè)噴藥等。

固定翼無人機(jī)作為目前研究較多無人機(jī)類型，其飛行姿態(tài)的控制往往是通過控制活動舵面的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，副翼是無人機(jī)的主操作舵面，利用左、右副翼差動偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩可控制無人機(jī)橫滾機(jī)動。無人機(jī)副翼偏轉(zhuǎn)通過舵機(jī)驅(qū)動，中間通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)將舵機(jī)輸出力傳遞到舵面，而驅(qū)動機(jī)構(gòu)的傳遞特性將直接影響的無人機(jī)操縱性能。楊鋒平和孫秦對副翼平面六桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，針對其在機(jī)翼中的特殊構(gòu)造，提出解析求解該機(jī)構(gòu)的一種新算法，并建立滿足其在飛機(jī)副翼操縱系統(tǒng)中約束的優(yōu)化模型[1]。謝習(xí)華、陳志偉和歐陽星等利用RSSR空間連桿機(jī)構(gòu)作為副翼操縱系統(tǒng)的末端傳動機(jī)構(gòu)，采用方向余弦矩陣法建立RSSR機(jī)構(gòu)運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出該機(jī)構(gòu)的位移方程，并在Adams軟件中對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模[2]。文獻(xiàn)[1]和[2]的左、右副翼運(yùn)動依靠兩套獨(dú)立的機(jī)構(gòu)分別控制，雖然獨(dú)立的兩套機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)較為簡單，但其控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，存在舵面運(yùn)動不同步，成本較高的缺陷;RSSR空間機(jī)構(gòu)作為經(jīng)典構(gòu)型，利用兩套RSSR空間機(jī)構(gòu)可構(gòu)建副翼差分驅(qū)動機(jī)構(gòu)，將有效簡化控制系統(tǒng)，提高控制精度。

1 副翼差分驅(qū)動機(jī)構(gòu)構(gòu)型

根據(jù)某無人機(jī)設(shè)計(jì)要求，需利用一套舵機(jī)實(shí)現(xiàn)左、右兩側(cè)副翼差分驅(qū)動，且在舵機(jī)-20°～+20°驅(qū)動轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳動比近似為1的線性傳遞，左、右副翼最大轉(zhuǎn)角偏差小于0.1°。RSSR空間四連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)械領(lǐng)域中最常用、最基本的一種空間機(jī)構(gòu)，具有傳動精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，將RSSR連桿機(jī)構(gòu)與不同類型機(jī)構(gòu)組合可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動軌跡和規(guī)律。

以RSSR空間機(jī)構(gòu)作為基本運(yùn)動構(gòu)型，通過串連與并連的方式搭建雙正交RSSR差分機(jī)構(gòu)，構(gòu)型如圖1所示。運(yùn)動鏈ABCD控制左副翼運(yùn)動，運(yùn)動鏈AEFG控制右副翼運(yùn)動，兩運(yùn)動鏈采用相同的桿長條件和布置方式且關(guān)于驅(qū)動舵機(jī)對稱。以左側(cè)運(yùn)動鏈為例，對差分機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行說明，其中連桿1、3分別同機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副（R副），連桿2分別與連桿1、3構(gòu)成球副（S副）;驅(qū)動舵機(jī)軸與舵面轉(zhuǎn)軸為垂直布置，且初始位置時(shí)，連桿2與連桿1、3均呈垂直狀態(tài)。各連桿長度為LCD=LFG=LAE=LAB=100mm，LBC=LEF=300mm。

2 仿真分析

為分析雙RSSR副翼差分驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性，根據(jù)圖1差分機(jī)構(gòu)構(gòu)型示意圖，在多體動力學(xué)軟件ADAMS/View中建立虛擬樣機(jī)[3]，構(gòu)件1與機(jī)架通過轉(zhuǎn)動副相連，并將其設(shè)置為驅(qū)動關(guān)節(jié)，構(gòu)件2分別與構(gòu)件1、構(gòu)件3通過球副相連，構(gòu)件4分別與構(gòu)件1、構(gòu)件5通過球副相連，構(gòu)件3與構(gòu)件5分別與機(jī)加通過轉(zhuǎn)動副相連，仿真分析模型如圖2所示。

設(shè)置驅(qū)動舵機(jī)以20sin（2πt）的正弦規(guī)律運(yùn)動，對驅(qū)動機(jī)構(gòu)輸入角度及輸出角度進(jìn)行監(jiān)測，驅(qū)動舵機(jī)運(yùn)動角度曲線如圖3所示，左、右副翼角度偏轉(zhuǎn)曲線如圖4所示，從圖中可以看出，在整個(gè)運(yùn)動過程中左、右副翼偏轉(zhuǎn)角度偏差如圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，當(dāng)舵機(jī)運(yùn)動轉(zhuǎn)角在-20°～+20°范圍內(nèi)時(shí)，左副翼與右副翼的偏轉(zhuǎn)角度方向相反，且兩舵面偏轉(zhuǎn)角度與舵機(jī)轉(zhuǎn)角大小近似相等，達(dá)到了傳動比近似為1的差分運(yùn)動目的。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)角為-20°時(shí)，右副翼偏轉(zhuǎn)角為+20.074°，最大角度偏差為0.074°，左副翼偏轉(zhuǎn)角為-19.926°，最大角度偏差為0.063°;當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)角為+20°時(shí)，右副翼偏轉(zhuǎn)角為-19.927°，最大角度偏差為0.063°，左副翼偏轉(zhuǎn)角為20.074°，最大角度偏差為0.074°，滿足累計(jì)偏差小于0.1°的精度要求。

3 結(jié)論

以RSSR空間機(jī)構(gòu)為基本構(gòu)型設(shè)計(jì)了雙正交RSSR副翼差分驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在多體動力學(xué)軟件ADAMS/View中建立虛擬樣機(jī)，對差分驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動分析，分析結(jié)果顯示左、右副翼偏轉(zhuǎn)角度大小相等，方向相反，最大轉(zhuǎn)角偏差為0.074°，滿足某無人機(jī)左、右副翼差動，在舵機(jī)-20°～+20°驅(qū)動轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳動比近似為1的線性傳遞，且左、右副翼最大轉(zhuǎn)角偏差小于0.1°的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊鋒平，孫秦.副翼六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26（9）：1151-1154.

[2]謝習(xí)華，陳志偉，歐陽星，等.輕型飛機(jī)副翼操縱系統(tǒng)中改進(jìn)的RSSR機(jī)構(gòu)研究[J].航空工程進(jìn)展，2017，8（2）：213-218.

[3]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].國防工業(yè)出版社，2014：67-93.