基于Adams的飛機(jī)登機(jī)橋運(yùn)動(dòng)建模與仿真

江子旺，馮櫻，喬寶山，楊朝陽(yáng)

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋的無人駕駛及自動(dòng)對(duì)接是登機(jī)橋行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。登機(jī)橋無人駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要解決基于機(jī)器視覺的飛機(jī)艙門識(shí)別技術(shù)、實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃技術(shù)、高精度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和智能防撞技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于登機(jī)橋的無人駕駛技術(shù)已經(jīng)開展了相關(guān)研究。鄧覽提出了采用機(jī)器視覺對(duì)飛機(jī)艙門進(jìn)行識(shí)別和定位，并經(jīng)過特殊處理生成控制指令，與控制系統(tǒng)共同作用完成對(duì)接［1-2］。黃健明對(duì)智能旅客登機(jī)橋進(jìn)行了研究［3］。在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方面，周佳提出了一種可實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋自動(dòng)對(duì)接的方法［4］。鮑宏杰對(duì)自動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)的原理進(jìn)行了闡述，并提出了隱患整改措施［5］。為實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)與艙門的精確對(duì)接，運(yùn)用Adams/View 對(duì)登機(jī)橋進(jìn)行建模并進(jìn)行路徑規(guī)劃，在運(yùn)動(dòng)過程中采用傳感器技術(shù)對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成登機(jī)橋與飛機(jī)艙門的自動(dòng)對(duì)接。

1 登機(jī)橋簡(jiǎn)介

登機(jī)橋按通道個(gè)數(shù)分為兩通道式和三通道式，文中研究三通道式登機(jī)橋。登機(jī)橋結(jié)構(gòu)見圖1，從旋轉(zhuǎn)臺(tái)到飛機(jī)方向，登機(jī)橋主要由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、通道、升降裝置、行走裝置、服務(wù)梯、接機(jī)口、電纜輸送裝置、控制系統(tǒng)和安全輔助系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與機(jī)場(chǎng)航站樓（固定橋）之間的活動(dòng)聯(lián)接，供旅客及工作人員上下飛機(jī)。接機(jī)過程中，登機(jī)橋的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可在立柱上使登機(jī)橋作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通道A、B、C 在登機(jī)橋前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎過程中作伸縮運(yùn)動(dòng)，升降裝置可調(diào)整登機(jī)橋高度，滿足艙門高度不同的飛機(jī)，行走裝置實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋的運(yùn)動(dòng)，接機(jī)口是可旋轉(zhuǎn)的，在角度允許范圍內(nèi)與飛機(jī)艙門對(duì)接。在完成對(duì)接以后，旅客可從登機(jī)口經(jīng)登機(jī)橋直接登機(jī)。

圖1 三通道登機(jī)橋

登機(jī)橋應(yīng)具有自動(dòng)減速和觸機(jī)停止功能。當(dāng)?shù)菣C(jī)橋與飛機(jī)接近時(shí)，能自動(dòng)減速。當(dāng)其與飛機(jī)接觸時(shí)，能自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)［6］。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 登機(jī)橋主要技術(shù)參數(shù)

2 登機(jī)橋運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

由于登機(jī)橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高仿真效率，在保證實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋自動(dòng)對(duì)接艙門的同時(shí)，盡量簡(jiǎn)化模型。接機(jī)狀態(tài)下，登機(jī)橋應(yīng)具有伸出、旋轉(zhuǎn)及接機(jī)口旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)的鎖止功能。因此只保留了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、通道、升降裝置、行走裝置、接機(jī)口、調(diào)平機(jī)構(gòu)和限位裝置等關(guān)鍵部件且結(jié)構(gòu)性參數(shù)滿足表1 的要求，仿真控制模型如圖2所示。

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是連接候機(jī)樓與活動(dòng)通道的連接部件，主要是由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)本身和立柱組成，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與立柱之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。通道A 與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使登機(jī)橋在升降操作時(shí)通道可以上下擺動(dòng)。通道之間均采用滑動(dòng)副連接，實(shí)現(xiàn)通道在登機(jī)橋的工作過程中作伸縮運(yùn)動(dòng)，并在滑道上設(shè)有通道滑動(dòng)限位塊。升降裝置主要由升降立柱內(nèi)、外套管組成，采用滑動(dòng)副連接。其中外套管與通道C固接，使登機(jī)橋在升降運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)通道上下擺動(dòng)，并保證接機(jī)時(shí)的通道坡度不大于10%。行走裝置主要由行走橫梁、行走輪和輪軸組成。橫梁與升降裝置內(nèi)套管固接，輪軸與橫梁采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，實(shí)現(xiàn)輪軸繞橫梁中心的轉(zhuǎn)動(dòng)及實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向行駛。兩輪與輪軸之間分別采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，并建立車輪與地面間的接觸力，使行走輪在地面上實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)前進(jìn)或后退。接機(jī)口是活動(dòng)通道與飛機(jī)的連接部分。由控制室、折疊遮蓬、活動(dòng)地板、自動(dòng)調(diào)平裝置等組成?？刂剖翼敹伺c接機(jī)平臺(tái)用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，實(shí)現(xiàn)接機(jī)口的轉(zhuǎn)動(dòng)。折疊遮蓬靠V 型四桿機(jī)構(gòu)的收張動(dòng)作，使折疊遮蓬與飛機(jī)艙門完美結(jié)合和脫離?；顒?dòng)地板是用于補(bǔ)償因登機(jī)橋自身高度變化而產(chǎn)生傾斜的裝置，地板與接機(jī)口地面采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。通過調(diào)整可使其與機(jī)艙地面保持平行。自動(dòng)調(diào)平裝置是接機(jī)過程中自動(dòng)調(diào)整接機(jī)口地板與飛機(jī)艙門相對(duì)高度的裝置，使其與飛機(jī)地面保持在同一水平。位于接機(jī)口折疊遮蓬的右下方，由輪桿和調(diào)平輪組成，輪與桿之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，實(shí)現(xiàn)調(diào)平輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖3a 所示，其約束副及自由度如表2 所示。其中行走機(jī)構(gòu)構(gòu)件之間的約束關(guān)系如圖3b所示，模型驗(yàn)證結(jié)果如圖3c所示。

圖2 仿真控制模型總圖

圖3 登機(jī)橋運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

表2 模型約束副及自由度

3 登機(jī)橋的仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 創(chuàng)建傳感器

根據(jù)MH/T6028—2016 的技術(shù)要求設(shè)置參數(shù)，具體參數(shù)見表1。創(chuàng)建相應(yīng)的傳感器，當(dāng)條件達(dá)到動(dòng)作條件時(shí)停止當(dāng)前仿真。仿真中分別創(chuàng)建了登機(jī)橋相對(duì)于地面的角度傳感器、登機(jī)橋左右旋轉(zhuǎn)角度傳感器、接機(jī)口轉(zhuǎn)角傳感器以及篷布和調(diào)平輪與機(jī)身接觸力傳感器（圖4）。通過進(jìn)行相應(yīng)的角度測(cè)量，然后分別以這些測(cè)量值作為傳感器的控制變量，以極限值作為傳感器判斷動(dòng)作發(fā)生的條件。以調(diào)平輪與機(jī)身接觸力傳感器為例說明傳感器的建立方法，先建立調(diào)平輪與機(jī)身之間的接觸力的測(cè)量levelling_aircraft_contact_MEA_1，并以此作為傳感器的表達(dá)式，當(dāng)接觸力大于等于50 N時(shí)停止仿真。

圖4 調(diào)平輪—機(jī)身接觸力傳感器的創(chuàng)建

3.2 仿真試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)飛機(jī)艙門的布置見圖5。第一機(jī)位、第二機(jī)位、第三機(jī)位分別表示登機(jī)橋位于最低位、中位和最高位。登機(jī)橋停泊位與第一接機(jī)位、第二接機(jī)位、第三接機(jī)位的夾角分別為30°、75°、120°。

以第一機(jī)位進(jìn)行仿真，此時(shí)登機(jī)橋的長(zhǎng)度最短。登機(jī)橋?qū)优撻T時(shí)，軌跡規(guī)劃如圖6所示。圖6中O為旋轉(zhuǎn)臺(tái)，OD 為登機(jī)橋，先保持輪架與通道軸線垂直，使登機(jī)橋從點(diǎn)D前行1 m至通道外圓點(diǎn)E，然后調(diào)整輪架與通道軸線平行，接著沿著圓弧EF 做切線運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)F，再調(diào)整輪架使登機(jī)橋沿著FC運(yùn)動(dòng)至預(yù)靠點(diǎn)C，最后調(diào)整接機(jī)口完成對(duì)接。

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

圖6 對(duì)接軌跡規(guī)劃示意圖

3.3 驅(qū)動(dòng)函數(shù)的添加

登機(jī)橋模型共有7個(gè)驅(qū)動(dòng)，分別為兩實(shí)心輪在地面上滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)、實(shí)心輪的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)、升降機(jī)構(gòu)的升降驅(qū)動(dòng)、接機(jī)口的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、雨蓬的伸張機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，活動(dòng)地板調(diào)平時(shí)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)平機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。

圖7 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線

為了減少登機(jī)橋的沖擊，提高穩(wěn)定性，選用Adams 里的STEP（x，x0，h0，x1，h1）函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋的步進(jìn)控制。其中x 是變量，x0、x1是x的初始和終止值，h0、h1是對(duì)應(yīng)于x0和x1的函數(shù)值［7］。以轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，在輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP（time3.1，0.0d，5.0，90d）+STEP（time，11.1，0.0d，13.0，-90.0d）+STEP（time，29.5，0.0d，32.0，15.0d），函數(shù)曲線見圖7。登機(jī)橋在3.1～5 s 時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使登機(jī)橋輪軸與通道軸線平行，此時(shí)登機(jī)橋沿圓弧EF 切線方向行駛，11.1～13 s 時(shí)車輪回正，此后登機(jī)橋沿徑向FC 運(yùn)動(dòng)，29.5～32 s 時(shí)登機(jī)橋轉(zhuǎn)動(dòng)15°，緩慢靠近飛機(jī)艙門。

3.4 仿真結(jié)果分析

圖8 接機(jī)口與艙門間的距離曲線

圖9 調(diào)平輪與機(jī)身間的接觸力曲線

圖10 登機(jī)橋長(zhǎng)度變化曲線

登機(jī)橋仿真模型添加相應(yīng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)后，設(shè)置仿真時(shí)間為48 s，仿真步數(shù)為500 步。仿真結(jié)果如圖8～10所示。通過圖8可知：接機(jī)口與飛機(jī)艙門之間的距離是逐漸減小的，完成對(duì)接時(shí)接機(jī)口地板與艙門之間的距離為1.2 cm。但是接機(jī)口與艙門之間的距離出現(xiàn)了波動(dòng)，這是因?yàn)檩喖茉谧鲛D(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)地面對(duì)登機(jī)橋的反作用力使登機(jī)橋繞旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心輕微轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9 為調(diào)平輪與機(jī)身直接的接觸力曲線，由圖9可知在46 s之前調(diào)平機(jī)構(gòu)與機(jī)身未接觸，此時(shí)沒有接觸力。在接近46 s 時(shí)，調(diào)平機(jī)構(gòu)滾輪與機(jī)身接觸且接觸力瞬間增大，由于傳感器的作用，當(dāng)接觸力達(dá)到50 N時(shí)立刻停止了仿真，有效防止對(duì)機(jī)身造成損傷，說明傳感器設(shè)置合理且有效。圖10為登機(jī)橋長(zhǎng)度變化曲線，由圖10可知在對(duì)接的過程中登機(jī)橋橋身長(zhǎng)度是緩慢變化的，在轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)橋身長(zhǎng)度基本保持不變，沒有出現(xiàn)劇烈變化，在調(diào)平機(jī)構(gòu)滾輪的傳感器起作用時(shí)，登機(jī)橋立即停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了安全對(duì)接。

4 結(jié)論與展望

為了實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋的自動(dòng)對(duì)接，根據(jù)登機(jī)橋的工作原理，基于Adams/View 建立了登機(jī)橋的簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，采用Adams中的STEP函數(shù)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了登機(jī)橋與飛機(jī)艙門的安全可靠對(duì)接。為滿足登機(jī)橋完全智能化，下一步的工作是采用圖像識(shí)別技術(shù)和傳感器技術(shù)，根據(jù)登機(jī)橋設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行登機(jī)橋行走機(jī)構(gòu)的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤以及其他機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制策略研究，用Adams和Simulink聯(lián)合仿真驗(yàn)證控制方案，實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋的智能控制。