一種剪叉式車(chē)載無(wú)人機(jī)升降調(diào)平裝置的研究

張延芝

（江蘇無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)有限公司，江蘇南京210022）

0 引言

在軍用和民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用中，車(chē)載無(wú)人機(jī)可根據(jù)環(huán)境態(tài)勢(shì)靈活選擇多種作業(yè)模式，從而開(kāi)展通信距離擴(kuò)展及全天候、全天時(shí)、多目標(biāo)、多任務(wù)的偵察監(jiān)視，戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)收集和輻射源探測(cè)等作戰(zhàn)任務(wù)，必要時(shí)可拓展載荷，承擔(dān)低空預(yù)警、電子對(duì)抗等任務(wù)[1]。車(chē)載無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)起降、跟車(chē)伴飛和斜坡起降成為衡量整車(chē)系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo)，因而整車(chē)集成的無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)需具備動(dòng)態(tài)升降、任意高度滯留自鎖及斜坡調(diào)平等功能。常見(jiàn)的剪叉式升降平臺(tái)一般采用液壓驅(qū)動(dòng)升降方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)固、載重量大、升降平穩(wěn)、耐用可靠等特點(diǎn)。當(dāng)精度要求不高時(shí)，在升降類(lèi)機(jī)構(gòu)中其具有閉合高度小、升降行程大、占用空間小的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。剪叉式升降平臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)配套系統(tǒng)復(fù)雜，且較難對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的位置控制，單獨(dú)配置液壓動(dòng)力單元占用空間較大，系統(tǒng)集成龐大。在使用方面，剪叉式升降平臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)配套系統(tǒng)易污染環(huán)境，維護(hù)保養(yǎng)較復(fù)雜，且對(duì)溫度比較敏感，尤其在軍用裝備工作的-40 ℃低溫環(huán)境條件下，采用液壓傳動(dòng)有一定的困難。

本文設(shè)計(jì)的剪叉式升降調(diào)平裝置，綜合考慮整車(chē)系統(tǒng)集成的空間限制及性能可達(dá)性，采用了簡(jiǎn)單可靠的機(jī)電伺服驅(qū)動(dòng)方式，易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自鎖，綜合安全性高，便于增配手動(dòng)操作功能，在斷電時(shí)可手動(dòng)應(yīng)急使用與維護(hù)。

1 總體結(jié)構(gòu)方案

該升降調(diào)平裝置總體結(jié)構(gòu)主要由剪刀叉升降機(jī)構(gòu)和調(diào)平平臺(tái)組件組成，其總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。在車(chē)輛底盤(pán)上前后布置兩組獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的剪刀叉升降機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)調(diào)平平臺(tái)組件進(jìn)行升降和傾斜運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)輛在縱向坡度α上時(shí)，其中一組剪刀叉升降機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，可以調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)傾斜α角度至水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)平功能。

剪刀叉升降機(jī)構(gòu)作為調(diào)平平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)，其主要由伺服電機(jī)和減速機(jī)、雙導(dǎo)軌滑移底座、單軸鉸鏈座、絲桿驅(qū)動(dòng)組件和嵌套式剪叉桿組件等組成。剪刀叉升降機(jī)構(gòu)通過(guò)單輸入雙輸出T型減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿，轉(zhuǎn)化為絲母的直線(xiàn)移動(dòng)后，帶動(dòng)一側(cè)剪叉桿進(jìn)行變角度升降運(yùn)動(dòng)。減速機(jī)雙輸出空心軸使用同軸自鎖梯形絲桿，其能在任意位置停滯并滯留自鎖，且可增配應(yīng)急手動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸入端，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)或手動(dòng)搖把帶動(dòng)剪叉桿運(yùn)動(dòng)。調(diào)平平臺(tái)組件作為車(chē)載無(wú)人機(jī)的起降平臺(tái)，主要由直線(xiàn)導(dǎo)軌、導(dǎo)向滑移組件、虎克鉸以及頂部平臺(tái)組成。其配合剪叉桿的變角度移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，連接兩組獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的剪刀叉升降機(jī)構(gòu)，傾斜平臺(tái)時(shí)角度可達(dá)17°，車(chē)輛在30%縱坡上能調(diào)平起降平臺(tái)。

升降調(diào)平裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，其主要性能指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)方案

圖2 升降調(diào)平裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1 主要性能指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)

2 電氣系統(tǒng)原理

升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)主要由傾角調(diào)平控制單元、平臺(tái)位置控制單元、限位檢測(cè)組件和升降運(yùn)動(dòng)控制模塊等組成，其電氣系統(tǒng)原理如圖3所示。

傾角調(diào)平控制單元實(shí)時(shí)采集調(diào)平平臺(tái)上傾角傳感器的縱向傾角值，通過(guò)傾角的正負(fù)判斷平臺(tái)處于縱向上坡或下坡?tīng)顟B(tài)。當(dāng)調(diào)平平臺(tái)平行于車(chē)輛底盤(pán)升起到指定高度后，由運(yùn)動(dòng)控制模塊閉環(huán)控制單側(cè)剪刀叉升降機(jī)構(gòu)繼續(xù)執(zhí)行上升動(dòng)作，使調(diào)平平臺(tái)相對(duì)地面水平后停止運(yùn)動(dòng)。

平臺(tái)位置控制單元實(shí)時(shí)采集拉繩式編碼器值，通過(guò)置零運(yùn)算與零位標(biāo)定，將編碼器讀取值解算并轉(zhuǎn)換為當(dāng)前調(diào)平平臺(tái)的位置高度值，主要用于判斷并控制與平臺(tái)高度參數(shù)相關(guān)的升起到開(kāi)始調(diào)平、復(fù)位后開(kāi)始下降閉合、非調(diào)平水平升起結(jié)束、下降閉合后停止等動(dòng)作與狀態(tài)。當(dāng)調(diào)平平臺(tái)到達(dá)指定高度值后，根據(jù)上位機(jī)指令控制伺服電機(jī)，完成升降平臺(tái)的升起調(diào)平或復(fù)位下降動(dòng)作。

圖3 升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)原理

限位檢測(cè)組件作為升降平臺(tái)的極限位置電氣限位保護(hù)，當(dāng)拉繩式編碼器發(fā)生故障時(shí)，限位檢測(cè)組件用于控制調(diào)平平臺(tái)在設(shè)定的上、下極限位置處停止剪刀叉升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

升降運(yùn)動(dòng)控制模塊作為升降調(diào)平裝置的主控制器，具有剪刀叉升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制、調(diào)平平臺(tái)位置控制、工作流程控制、數(shù)據(jù)采集與處理、CAN通信、任務(wù)處理與故障報(bào)警等功能。

3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由檢測(cè)組件和運(yùn)動(dòng)控制模塊兩部分組成，其控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)

檢測(cè)組件由傾角傳感器、拉繩式編碼器及限位開(kāi)關(guān)等組成。傾角傳感器采用由雙軸加速度計(jì)和MEMS陀螺儀組合的動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量水平雙軸X、Y方向的傾角。X方向傾角作為車(chē)輛縱向傾角，用于車(chē)輛在縱坡上調(diào)平無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)；Y軸方向傾角作為車(chē)輛縱向傾角，用于監(jiān)測(cè)車(chē)輛縱傾角，判斷無(wú)人機(jī)起降條件。拉繩式編碼器采用絕對(duì)值編碼器，用于測(cè)量調(diào)平平臺(tái)的當(dāng)前位置，具備斷電位置記憶功能，可自由選擇手動(dòng)或電動(dòng)方式操控調(diào)平平臺(tái)，無(wú)需反復(fù)標(biāo)定與校零。限位開(kāi)關(guān)由4個(gè)接近開(kāi)關(guān)組成，分別在兩組剪刀叉升降機(jī)構(gòu)的絲桿軸向兩端各使用一個(gè)，對(duì)兩組獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的剪刀叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行極限位置電氣安全保護(hù)。

運(yùn)動(dòng)控制模塊由STM32系列主控制器、CTM8251系列CAN通信模塊、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、嵌入式控制板硬件與外圍電路、嵌入式控制程序及上位機(jī)操作軟件等組成，可滿(mǎn)足通信與控制功能要求，完成升降調(diào)平裝置的操控任務(wù)與狀態(tài)監(jiān)控。

4 軟件設(shè)計(jì)

升降調(diào)平裝置的通信與控制軟件采用嵌入式控制程序，主要完成的功能包括BIT自檢、任務(wù)控制、動(dòng)作控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控、CAN通信控制、故障報(bào)警等，能按任務(wù)優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)度控制，可滿(mǎn)足單機(jī)調(diào)控及整車(chē)系統(tǒng)聯(lián)控要求。

BIT自檢可對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢和定期監(jiān)控，通過(guò)功能檢測(cè)和使用檢查，在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)隔離故障并發(fā)出預(yù)警信息。任務(wù)控制是通過(guò)時(shí)序和邏輯控制方式完成一整套完整的動(dòng)作流程，如能一鍵上升至最高點(diǎn)并調(diào)平，一鍵復(fù)位并下降閉合。動(dòng)作控制用于單步運(yùn)動(dòng)控制與調(diào)試，可單獨(dú)執(zhí)行上升、下降、調(diào)平、復(fù)位、停止等動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制可進(jìn)行初始升降和閉合結(jié)束時(shí)的調(diào)速控制，穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和位置。狀態(tài)監(jiān)控用于采集調(diào)平平臺(tái)當(dāng)前傾角值和高度值，監(jiān)測(cè)編碼器、傳感器、電機(jī)等的正常與故障狀態(tài)，上報(bào)設(shè)備工作狀態(tài)，并記錄升降調(diào)平次數(shù)。通信控制采用CAN總線(xiàn)接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)指令和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等的信息交互。

5 控制策略設(shè)計(jì)

升降調(diào)平裝置的控制策略主要分為升降、調(diào)平、復(fù)位等過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

升降過(guò)程控制策略：在執(zhí)行上升或下降任務(wù)時(shí)，主控板控制驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)同步帶動(dòng)兩個(gè)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速2 s后勻速驅(qū)動(dòng)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)接近上升展開(kāi)或下降閉合位置時(shí)，做減速運(yùn)動(dòng)2 s后速度為零，完成平臺(tái)上升展開(kāi)或下降閉合功能。

在升降過(guò)程中，采用驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)控制兩個(gè)電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)。一路電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)關(guān)斷另一路輸出；在出現(xiàn)失速、堵轉(zhuǎn)等故障時(shí)，可及時(shí)關(guān)斷輸出并上報(bào)故障；當(dāng)拉繩式編碼器檢測(cè)到兩組剪刀叉高度值相差超過(guò)100 mm，或傾角傳感器檢測(cè)到縱傾角度變化大于4°時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)升降存在同步故障，可及時(shí)關(guān)斷輸出并上報(bào)故障。

調(diào)平過(guò)程控制策略：當(dāng)平臺(tái)上升展開(kāi)完成并上報(bào)位置狀態(tài)，上位機(jī)發(fā)送調(diào)平指令后，主控板控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入獨(dú)立工作模式，并判斷當(dāng)前縱傾角的正負(fù)，控制其中一個(gè)電機(jī)繼續(xù)上升，當(dāng)縱傾角減小并接近2°時(shí)進(jìn)入低速調(diào)控，到達(dá)0°時(shí)調(diào)平完成。

復(fù)位控制策略：主控板收到復(fù)位指令后，判斷兩組剪刀叉位置，并控制位置較高一組下降，至兩組剪刀叉高度位置一致時(shí)，再控制平臺(tái)同步上升到展開(kāi)位置，并上報(bào)復(fù)位完成。復(fù)位控制主要用于手動(dòng)操作后自動(dòng)控制的切換與校準(zhǔn)，在單步調(diào)平復(fù)位及任意位置調(diào)試時(shí)使用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研制的剪叉式升降調(diào)平裝置已成功應(yīng)用于車(chē)載無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，可在車(chē)輛縱坡17°傾角內(nèi)，靜態(tài)升降并調(diào)平平臺(tái)；可在平坦路面上動(dòng)態(tài)升降平臺(tái)，滿(mǎn)足車(chē)載無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)起降和跟車(chē)伴飛要求。此外，機(jī)電驅(qū)動(dòng)、兩組剪刀叉機(jī)構(gòu)的獨(dú)立升降設(shè)計(jì)以及可傾斜平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制，在剪刀叉升降機(jī)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)和特殊應(yīng)用方面具有參考意義。