無人直升機(jī)著艦?zāi)M系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/張萬益

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

艦船在海上受海浪、海風(fēng)等干擾產(chǎn)生隨即的復(fù)雜運(yùn)動，如橫搖、縱搖、偏航和深沉運(yùn)動以及復(fù)合運(yùn)動。船體的不規(guī)律運(yùn)動大大增加了無人直升機(jī)著艦的困難程度。由文獻(xiàn)[1]的研究可以得出海浪譜僅由風(fēng)速決定。其次，無人直升機(jī)為全自動控制著艦，缺乏直升機(jī)飛行員的主動辨識能力和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避能力，導(dǎo)致無人直升機(jī)著艦的風(fēng)險(xiǎn)比直升機(jī)更難控制。對于自動控制的無人直升機(jī)，在風(fēng)浪中的艦船上起降要比陸地上起降復(fù)雜和危險(xiǎn)得多?；谀壳凹夹g(shù)現(xiàn)狀，只有通過著艦?zāi)M臺的方式在地面環(huán)境中完成無人直升機(jī)的艦面起降等科目飛行的驗(yàn)證測試，可以做到對艦船的運(yùn)動姿態(tài)逐步放大，運(yùn)動復(fù)雜程度也可以做到逐步增加，實(shí)現(xiàn)艦船的運(yùn)動姿態(tài)可控，文獻(xiàn)[2]確定了著艦?zāi)M系統(tǒng)的控制系統(tǒng)原理和控制方法。達(dá)到降低無人直升機(jī)著艦風(fēng)險(xiǎn)、縮短研發(fā)周期和節(jié)約試驗(yàn)成本、提高系統(tǒng)的可靠性和自動著艦成功率等目的。

1 驅(qū)動方式選擇

隨著科技進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)研究的深入，對驅(qū)動設(shè)備綜合性能要求越來越嚴(yán)格，液壓系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)成熟度較高，系統(tǒng)應(yīng)用也非常廣泛。該著艦?zāi)M系統(tǒng)運(yùn)動范圍不大，但驅(qū)動系統(tǒng)需要承載的負(fù)載較大，著艦?zāi)M臺配合陸地起降場地使用，運(yùn)行場合是室外露天場地。用于模擬艦船的運(yùn)動形式，即模擬海浪譜的運(yùn)動。本著成本可控，經(jīng)濟(jì)高效、方便耐用，維護(hù)方便等原則對液壓驅(qū)動系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行分析見表1。

綜合對比得出，驅(qū)動方式選擇電驅(qū)動。

電動缸選型計(jì)算：

根據(jù)無人直升機(jī)的常用重量、著陸載荷確定無人直升機(jī)著艦?zāi)M平臺的有效負(fù)載。根據(jù)上平臺重量和有效載荷進(jìn)行電動缸選型。

2 動平臺設(shè)計(jì)

為保證無人直升機(jī)安全起降，應(yīng)保證直升機(jī)的關(guān)鍵部件，如平尾、垂尾、尾槳榖等完全包含于動平臺平面內(nèi)。

起降平臺長度不易小于以下計(jì)算數(shù)值：

為保證直升機(jī)安全起降，旋翼應(yīng)完全工作在動平臺上方，動平臺的寬度不易小于以下計(jì)算值。

公式中c-直升機(jī)主輪與起降平臺兩舷之間的距離，c=3.0～3.5

上平臺采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主承力區(qū)和輔助承力區(qū)。既可以有效減輕上平臺整體重量，又可以保證上平臺剛度，減小變形量。桁架結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)專用甲板型材。承載區(qū)域?yàn)闊o人機(jī)降落區(qū)域，承受無人機(jī)降落時(shí)的沖擊載荷；非承載區(qū)域承受旋翼下洗氣流，平衡旋翼升力，保證無人直升機(jī)受力平衡。

3 虎克鉸設(shè)計(jì)及系統(tǒng)干涉檢查

球鉸鏈提供繞某一中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動并承受運(yùn)動過程中產(chǎn)生的作用力，從運(yùn)動學(xué)的角度看，球鉸副約束了3各移動自由度，具有3個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，傳統(tǒng)的球鉸鏈采用的結(jié)構(gòu)是由空心球和內(nèi)實(shí)心球配合而成，兩球心重合，運(yùn)動空間大。萬向鉸鏈（虎克鉸）實(shí)質(zhì)上是約束了4個(gè)移動自有度（三個(gè)移動自有度和一個(gè)轉(zhuǎn)動自有度），具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動自由度。

精密虎克鉸兩個(gè)方向最大擺動角度應(yīng)滿足上平臺的各向大位移和大旋轉(zhuǎn)角度；軸承采用關(guān)節(jié)軸承，安裝方式為背對背結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足了軸向徑向的受力。軸承潤滑采用外部強(qiáng)制潤滑，定期往軸承油槽中注入潤滑脂，保證摩擦力均勻順滑，同時(shí)最大限度保證軸承的正常使用壽命。同時(shí)精密虎克鉸外部采用全封閉結(jié)構(gòu)，防止外部水份，灰塵等雜物進(jìn)入軸承，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的精度及壽命.受力軸的設(shè)計(jì)采用結(jié)合部圓弧過渡，最大限度減少加工應(yīng)力，將材料性能發(fā)揮到最大限度，保證結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性及安全性。

4 動平臺強(qiáng)度校核

為了使動平臺的固有頻率盡可能遠(yuǎn)的避開無人機(jī)直升機(jī)的共振頻率。在設(shè)計(jì)中應(yīng)對動平臺的強(qiáng)度進(jìn)行校核。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺，適用工作范圍不大但負(fù)載較大的工作場合，利用Kane方法建立平臺的動力學(xué)方程，基于該模型求出平臺的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，并進(jìn)一步得到平臺的固有頻率方程，最后并進(jìn)行虛擬樣機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行仿制分析，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，為下一步振動研究提供理論依據(jù)。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在海浪譜研究過程中，通過普通六自由度運(yùn)動模擬器將海浪作為規(guī)則波形或規(guī)則波形的疊加波形進(jìn)行處理，在艦船實(shí)際運(yùn)動過程中是不規(guī)則的、并且是隨機(jī)波形。海浪譜為描述海浪運(yùn)動的重要特征，表示了海浪的能量分布信息等。由于海浪的生成非常復(fù)雜，目前的海浪譜模型只是半經(jīng)驗(yàn)、半理論的。皮爾遜一莫斯柯維奇譜簡稱P—M譜對北大西洋的海洋觀察資料進(jìn)行譜分析[4]。P—M譜如下式所示：

表1：液壓平臺與電動平臺方案對比

其中：v為海面上19.5m高度處的平均風(fēng)速；g為重力加速度。

由公式可以得出，P—M譜僅由風(fēng)速決定，能較好地代表實(shí)際的隨機(jī)海浪譜。

想要?jiǎng)悠脚_的運(yùn)動盡可能真實(shí)模擬艦船的運(yùn)動形式，就必須盡可能準(zhǔn)確的模擬海浪譜。目前無人直升機(jī)著艦?zāi)M系統(tǒng)的控制方法有兩種：一種是集中控制方式，用一臺計(jì)算機(jī)實(shí)行全部控制功能，這對計(jì)算機(jī)和控制軟件要求比較高，控制集中，系統(tǒng)難以擴(kuò)充；另一種是分布式控制方式，由幾臺計(jì)算機(jī)來承擔(dān)模擬器的控制功能。隨著分布式控制方式控制技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的推廣使用，使得分布式控制方式可靠性、易于功能擴(kuò)充、控制反應(yīng)迅速，技術(shù)日趨完善。

6 控制系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以控制計(jì)算機(jī)為控制中心，控制計(jì)算機(jī)能實(shí)時(shí)采集電動缸的運(yùn)動參數(shù)，并將其傳送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。運(yùn)動平臺的各個(gè)缸為相對獨(dú)立的伺服控制回路。通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件界面輸入有關(guān)模擬平臺的運(yùn)動參數(shù)，控制計(jì)算機(jī)接收到監(jiān)控計(jì)算機(jī)的信息后，經(jīng)過空間運(yùn)動模型變換，反解算出驅(qū)動桿的伸長量，控制計(jì)算發(fā)出的指令電壓信號指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換卡后變成模擬量，再由伺服放大器轉(zhuǎn)換成電流信號，從而控制驅(qū)動桿的伸長量和位移變化速度；在機(jī)構(gòu)運(yùn)動的過程中，反饋單元（位移和力傳感器）進(jìn)行信號的采集，將位移和力信號反饋給控制計(jì)算機(jī)，構(gòu)成閉環(huán)控制，從而隨時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動桿的位置，以此實(shí)現(xiàn)達(dá)到動平臺的精確控制。

PID 控制具有控制模型簡單，控制效果穩(wěn)定，對于控制對象數(shù)學(xué)模型依賴小。各電動缸的控制系統(tǒng)采用基于數(shù)字PID控制律的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制模型。電機(jī)控制具有良好的線性調(diào)速性能與力矩特性。同步電機(jī)控制，采用位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制?？刂浦噶顓?shù)與反饋參數(shù)的差作為 PID 控制器的輸入量，實(shí)現(xiàn)改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出。

控制系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成。內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動桿的速度運(yùn)動控制，內(nèi)環(huán)根據(jù)控制計(jì)算機(jī)的控制指令和位置傳感器反饋信號，進(jìn)行數(shù)字PID控制算法計(jì)算后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換卡發(fā)送信號給伺服放大器，控制驅(qū)動桿的伸縮運(yùn)動；外環(huán)實(shí)現(xiàn)對動平臺的位置運(yùn)動控制，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)位置傳感器的反饋信號，進(jìn)行數(shù)字PID控制算法計(jì)算后，給出內(nèi)回路的運(yùn)動指令，實(shí)現(xiàn)動平臺的運(yùn)動?？刂葡到y(tǒng)的外環(huán)主要是通過磁電編碼器的位置信號與控制指令輸入信號的差值作為位置環(huán)的輸入，位置環(huán)的輸出為速度指令，與磁電編碼器返回?cái)?shù)值進(jìn)行微分后的差值給速度環(huán)，作為速度環(huán)指令，速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的指令，輸出 d 軸電流和q 軸電流，d 軸電流指令直接給為 0，與電機(jī)采樣三相電流反饋電流做差作為電流環(huán)的指令如圖2為電流控制原理圖，直流系統(tǒng)經(jīng)過帶載特性為轉(zhuǎn)動慣量的改變，所以對直流系統(tǒng)的控制特性可以通過轉(zhuǎn)動慣量來調(diào)節(jié)。

圖1：控制系統(tǒng)

圖2：電流控制原理圖

7 結(jié)論

通過國內(nèi)外六自由度運(yùn)動平臺技術(shù)研究現(xiàn)狀和國內(nèi)外艦載無人直升機(jī)的地面模擬試驗(yàn)信息，結(jié)合無人直升機(jī)的研制需求和陸基模擬試驗(yàn)要求，初步確定著艦?zāi)M臺的技術(shù)要求，可以滿足無人直升機(jī)的著艦、系留和起飛的陸基模擬試驗(yàn)要求。