適用于城市作戰(zhàn)的柔性充氣式偵察系統(tǒng)設(shè)計

李沫寧，肖致行，李文光，孟軍輝,2，劉 莉,2

（1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081；2.飛行器動力學(xué)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引 言

隨著人類文明進(jìn)程的推進(jìn)，世界人口將進(jìn)一步向城市集中，根據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，到2030年將有2/3的人口生活在城市地區(qū)[1]。城市越來越成為戰(zhàn)爭的重心和局部戰(zhàn)爭的焦點(diǎn)。城市是由人造自然地形、相當(dāng)數(shù)量和密度的人口以及大量的基礎(chǔ)設(shè)施互相融合構(gòu)成的綜合體。戰(zhàn)時需要的地下防空設(shè)施、制高點(diǎn)建筑、有線無線通信都會納入新城市的規(guī)劃建設(shè)，因此新型城市也是易守難攻、明暗分明的軍事防御城堡[2]。

城市高層建筑物林立，裝甲車、坦克等重火器難以機(jī)動，頂甲易受到來自上方的攻擊。城市軍民目標(biāo)混雜，作戰(zhàn)時也要考慮避免傷害居民和基礎(chǔ)設(shè)施，因此傳統(tǒng)地毯式轟炸難以為繼，攻方兵力和技術(shù)裝備優(yōu)勢難以發(fā)揮，易于守方保存隱蔽有生力量。掌握己方與敵方分布及在陣地之間轉(zhuǎn)移情況，提高對戰(zhàn)場的感知能力，獲取信息優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)精確作戰(zhàn)和快速打擊是未來城市作戰(zhàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1]。

在城市作戰(zhàn)中，行動編隊在空間上常被房屋墻體分割成數(shù)個獨(dú)立的作戰(zhàn)單位，空間狹小、視野受限，不利于偵查，因此封閉空間和地下空間是城市作戰(zhàn)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。封閉空間內(nèi)的通信無論是無線電通信還是衛(wèi)星通信都會受到墻壁、建筑物的影響[3]。因此需要一種能克服通信困難，加強(qiáng)電子戰(zhàn)防護(hù)，確保信息完整性、安全性[4]，更加小型化、靈活性更高的可深入封閉空間內(nèi)部的偵察系統(tǒng)，與無人機(jī)等外部偵察系統(tǒng)配合，多平臺協(xié)同交互[5]，進(jìn)行精確偵查打擊，實(shí)現(xiàn)外科手術(shù)式的定點(diǎn)摘除。

近年來出現(xiàn)的具有代表性的偵查機(jī)器人有以色列ODF光學(xué)有限公司的“眼球”R1監(jiān)視偵察器、美國機(jī)器人公司IROBOT生產(chǎn)投入實(shí)戰(zhàn)取得理想效果的PACKBOT機(jī)器人[6]、明尼蘇達(dá)大學(xué)研制的Recon Scout偵查機(jī)器人等[7]。PACKBOT與Recon Scout偵查機(jī)器人均具有抗摔打能力，從窗口投入室內(nèi)仍可正常工作，Recon Scout甚至可以用迫擊炮或無人機(jī)發(fā)送落地進(jìn)行偵察，如圖1所示。但也都存在隱蔽性不強(qiáng)、能源不持久、通信系統(tǒng)易被屏蔽、行進(jìn)路徑易被阻隔等問題。

圖1 小型偵查機(jī)器人Fig.1 The small-sized scout robot

因此，亟需設(shè)計新型無人移動平臺，在街區(qū)道路、建筑物臺階、地下隧道等易于行進(jìn)的路徑被敵軍設(shè)置障礙或被戰(zhàn)爭廢墟阻隔后，充分利用建筑物門窗縫隙、通風(fēng)管道、地下排污口等厘米級尺寸范圍內(nèi)的微小狹窄通道，真正實(shí)現(xiàn)“無孔不入”的全方位滲透，同時兼顧通信的有效性。

自然界的生物經(jīng)過數(shù)億年的發(fā)展演化，其結(jié)構(gòu)、行為、原理，具有完美的生物合理性和對外界環(huán)境的適應(yīng)性，可為科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提供靈感[8]。藤蔓及菌絲等生物根據(jù)環(huán)境刺激從它們身體頂端向前生長，長度可以增加數(shù)百倍，生長時已伸展部分不會與外界環(huán)境產(chǎn)生相對滑動[9]。斯坦福大學(xué)將其應(yīng)用于天線[10]、手術(shù)內(nèi)窺鏡的設(shè)計中[11]。

基于類似的仿生原理，本文將偵察平臺與尖端自生長概念相結(jié)合，開展可單兵攜帶的氣壓驅(qū)動柔性仿生尖端生長移動偵察平臺的設(shè)計論證，擬利用氣囊的頂端生長通過排水通風(fēng)管道、門窗縫隙或廢墟深入建筑內(nèi)部，且頂部搭載相機(jī)等傳感器與平臺有線連接解決通信障礙及供電問題，實(shí)現(xiàn)長時精確偵察。

2 柔性充氣式無人偵察系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的柔性充氣式無人偵查移動平臺由平臺本體、尖端外翻生長氣囊、尖端載荷三部分協(xié)同實(shí)現(xiàn)通過地面建筑物門窗縫隙、通風(fēng)管道、地下排污口等狹窄通道對敵方進(jìn)行全方位滲透偵查、破壞打擊，如圖2所示。

圖2 可尖端自生長壓力驅(qū)動軟體運(yùn)動平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of the airbag movement platform driven by self-growing pressure at the tip

移動平臺本體是可生長軟體的收納空間，也為該裝置提供能源、氣壓、控制信號，在氣囊尖端快速生長過程中始終保持位置固定。尖端載荷可根據(jù)任務(wù)需求，裝載微型攝像機(jī)、紅外探測器、電子干擾器等。以微型攝像機(jī)為例，軟體移動裝置尖端自生長過程中，連接尖端載荷和本體部分的光電線纜隨之不斷伸長，保證偵察探測到的信息可實(shí)時傳輸至本體部分，亦可得到持續(xù)供給的能源，實(shí)現(xiàn)信息的有線傳輸及長時監(jiān)測，并通過圖像識別和自主導(dǎo)航控制氣囊轉(zhuǎn)向。

尖端外翻生長氣囊未充氣前整體纏繞于卷軸上，置于移動平臺內(nèi)部，外翻后通過夾持裝置固定在本體前端，與本體氣室形成壓力控制回路，氣囊端部隨著氣體充入不斷外翻，實(shí)現(xiàn)尖端向前生長，同時已展開部分與外界無相對滑動，避免摩擦、刮傷損毀。為實(shí)現(xiàn)氣囊空間上的轉(zhuǎn)向，沿氣囊周向布置了4個小氣室用于方向控制，通過電磁閥控制小氣室進(jìn)氣口開關(guān)，差動控制4個小氣室的充氣速率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行軟體前行、收回，如圖3所示。

圖3 含方向控制氣室氣囊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the airbag with directional con-trol chamber

3 無人偵察系統(tǒng)動力學(xué)建模與仿真

氣囊充氣過程涉及氣體高速流動、氣體與氣囊相互作用、氣囊與外界物體相互作用等復(fù)雜物理現(xiàn)象，描述氣囊充氣展開的方法經(jīng)過了長時間的發(fā)展，正逐漸完善。主要方法有控制體積法、ALE法、粒子法?？刂企w積法將氣囊視為一個可控制的體積，充氣過程為絕熱過程，充氣氣體視為具有恒定比熱的理想氣體，在控制體積內(nèi)溫度和壓強(qiáng)是均勻一致的，能很好地描述展開后期與環(huán)境相互作用的效果，計算效率高。因此選用控制體積法進(jìn)行本文描述的尖端生長氣囊前進(jìn)時的仿真，在概念設(shè)計階段為設(shè)計及實(shí)驗(yàn)提供參考。

選用Belytschko-Tsay薄膜單元算法，適合織物大變形分析的fabric氣囊材料模型。氣囊數(shù)值模擬分析中接觸問題主要集中在氣囊折疊展開這一部分上，折疊后氣囊的面與面之間會產(chǎn)生重疊，展開時需要處理其相互之間的接觸。罰函數(shù)法已發(fā)展為一種常用的接觸界面算法，在數(shù)值計算中廣泛應(yīng)用。展開時的接觸算法選擇氣囊單面接觸。通過設(shè)置黏性阻尼系數(shù)，降低氣囊展開速度，用以減小由于氣體充入氣囊時強(qiáng)大的動能引起的過大變形[12]，設(shè)置從面罰剛度比例因子，防止柔軟的囊體材料展開過程中發(fā)生穿透。當(dāng)氣囊與外界環(huán)境接觸時，材料剛度差距較大，選擇基于段的罰函數(shù)接觸算法獲得更好的穩(wěn)定性。

為驗(yàn)證氣囊尖端外翻生長、通過障礙、主被動轉(zhuǎn)向的能力，建立含4個小氣室平鋪且內(nèi)部含尚未展開平鋪折疊狀態(tài)的如圖4所示氣囊模型，進(jìn)行充氣及前進(jìn)過程的動力學(xué)仿真分析。氣囊外部長5200 mm，內(nèi)部未展開氣囊長度為4200 mm，單個小氣囊平鋪寬度為400 mm。

圖4 氣囊有限元仿真模型Fig.4 Finite element simulation model of the airbag

4 仿真結(jié)果及分析

通過給主氣室和4個小氣室不同的充氣速率，驗(yàn)證尖端外翻生長氣囊設(shè)計及完成越障、轉(zhuǎn)向等任務(wù)的可行性并研究充氣速率對行進(jìn)過程的影響。尖端生長氣囊行進(jìn)時的狀態(tài)及剖視圖如圖5所示，所設(shè)計氣囊布局能按照設(shè)計思路實(shí)現(xiàn)前進(jìn)。

圖5 尖端外翻生長氣囊生長過程示意圖Fig.5 The growth process of the tip valgus airbag

在氣囊前進(jìn)方向前端放置迫使氣囊改變方向的外部障礙，由圖6可見，氣囊在與擋板接觸后，可自行改變前進(jìn)方向。因此該尖端生長氣囊在封閉管道內(nèi)部可在外界的位移約束下被動改變方向。

圖6 軟體被動改變方向Fig.6 Airbag passively changes direction

在氣囊前行方向放置兩個間距為氣囊直徑三分之一的剛性擋板，驗(yàn)證氣囊在狹小縫隙中前進(jìn)的能力。圖7顯示氣囊也具有改變自身截面形狀的柔性，能順利通行，所設(shè)計的氣囊具有穿越廢墟瓦礫、門窗縫隙實(shí)現(xiàn)前進(jìn)的能力。

圖7 軟體通過縫隙的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of airbag passing through the gap

通過改變各氣室充氣氣體質(zhì)量、流量，研究充氣速率對腔體生長速度、膜面壓力的影響，以及氣室不同步充氣對腔體行進(jìn)方向的影響。首先進(jìn)行三組仿真，研究小氣室充氣速率對行進(jìn)的影響。主氣室充氣速率相同均為V，改變小氣室充氣個數(shù)與充氣速率進(jìn)行對比，仿真1：4個小氣室充氣速率V/10；仿真2：4個小氣室充氣速率V/5；仿真3：只有一個小氣室充氣，充氣速率為V/10。所充入的混合氣體摩爾質(zhì)量為0.0225 kg/mol，速率V對應(yīng)的氣體質(zhì)量流量為0.005 kg/ms。

繼而進(jìn)行兩種仿真，研究主氣室充氣速率對氣囊行進(jìn)的影響。4個小氣室充氣速率均為V/10，分別改變主氣室充氣速率，仿真4主氣室2V；仿真5主氣室V/2。

僅對主氣室和某一方向上的控制氣室的仿真3結(jié)果如圖8所示，氣囊會有三維空間內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，四周小氣室差動充氣，會對氣囊行進(jìn)方向起控制作用。

圖8 方向控制氣室作用效果圖Fig.8 The effect diagram of directional control chamber

取氣囊展開后頂端某點(diǎn)，研究充氣速率對該點(diǎn)行進(jìn)速度的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 生長過程氣囊某點(diǎn)速度曲線Fig.9 Airbag velocity curve during growth

仿真3速度曲線表明只有單一氣室充氣，對加速度影響不大，因?yàn)樾枰獙⑵戒伒臍饽页錆M氣之后氣囊才會前進(jìn)，所以開始前行時刻略有延遲。另外，由于控制體積法氣囊內(nèi)部壓強(qiáng)一致，體現(xiàn)不出氣體流動，外部及內(nèi)部未展開氣囊也會同時充氣膨脹，因此仿真2增加小氣室充氣速率或仿真5降低主氣室充氣速率，會導(dǎo)致內(nèi)部與外部小氣囊膨脹過快，留給未展開氣囊空間變小，腔體整體伸長困難。在實(shí)際方案設(shè)計中，需要關(guān)注中間直行腔室和周邊方向控制腔室的充氣速率匹配問題。

時間在0～100 ms氣囊處于充氣階段，當(dāng)主氣室蓄氣充足后，氣體壓力將驅(qū)動內(nèi)埋氣囊前行。100 ms后可見主氣室充氣速率對氣囊行進(jìn)速率的影響。由速度大小及曲線斜率可得，氣囊行進(jìn)速度、加速度主要由主氣室充氣速率決定，成正相關(guān)。

取圖10所示小氣室內(nèi)外表面兩個單元查看所受壓力，結(jié)果如圖11所示，在本文算例充氣速率關(guān)系下，氣囊外側(cè)材料所受壓力大于氣囊內(nèi)側(cè)。仿真1、3、4初始階段為氣囊逐漸蓄氣，展開初期所受壓力急劇增大，而后保持不變，氣囊在此期間順暢地加速向前生長直至完全展開。仿真2、5因?yàn)橹鳉馐遗c小氣室充氣速率之比減小，生長阻塞，所受壓力持續(xù)增大，生長緩慢。氣囊內(nèi)側(cè)由于與還未展開的氣囊接觸，壓力波動較大。

圖10 內(nèi)外兩單元所受壓力Fig.10 The pressure of inner and outer surface

圖11 氣囊內(nèi)外表面壓力曲線Fig.11 Pressure curve of inner and outer surface of airbag

5 柔性充氣式偵察平臺實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證運(yùn)動機(jī)理，本文對基于相同基本原理的充氣裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計并對其運(yùn)動能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。裝置包括本體與壓力囊體兩部分，其中本體主要零件由PLA材料通過3D打印制成，包括外殼、囊體導(dǎo)向與回卷裝置、保持架和囊體夾持裝置。壓力囊體由4條寬80 mm，雙層厚度0.1 mm的PVC膜管熱合制成，其一端固定于回卷裝置的輪軸處，另一端則通過夾持裝置固定于本體末端。工作時，其外翻部分形成直行腔室，四周小氣室則作為方向控制腔室，通過蓄氣實(shí)現(xiàn)對生長方向的調(diào)整。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。

圖12 柔性充氣無人系統(tǒng)詳細(xì)構(gòu)成示意圖Fig.12 Detailed composition diagram of flexible inflatable unmanned system

針對該系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)能的實(shí)驗(yàn)主要分為直行與轉(zhuǎn)向兩部分。實(shí)驗(yàn)場地為塑膠平地，驅(qū)動氣壓通過壓力可調(diào)的空氣壓縮機(jī)提供。直行實(shí)驗(yàn)主要分析壓力對軟體生長速度的影響，本系統(tǒng)直行效果如圖13所示，轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)則分別對基于方向控制腔室的主動轉(zhuǎn)向與依靠剛性障礙的被動轉(zhuǎn)向，其實(shí)驗(yàn)效果如圖14所示?？傮w而言，所設(shè)計的柔性充氣無人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動機(jī)能，雖然在本文的實(shí)驗(yàn)中尚未搭載對應(yīng)的尖端載荷與方向控制腔室內(nèi)的輔助轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍展現(xiàn)了其獨(dú)特的地形適應(yīng)能力與較大的實(shí)用潛力，可為后續(xù)機(jī)型的研發(fā)提供參考。

圖13 直行實(shí)驗(yàn)效果示意圖Fig.13 Airbag straight ahead experiment

圖14 轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)效果示意圖Fig.14 Airbag steering experiment

6 結(jié) 論

城市作戰(zhàn)是未來戰(zhàn)爭的焦點(diǎn)，克服建筑物、地下空間、廢墟帶來的偵查通信困難，獲取信息優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)精確打擊是取勝的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。首先進(jìn)行了能主被動改變方向的、尖端生長柔性充氣式無人偵察移動平臺的概念設(shè)計，并對氣囊充氣前行這一運(yùn)動過程進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析，證明了其在前行、穿越縫隙、改變方向等方面具有可行性，通過4個氣室的差動充氣可實(shí)現(xiàn)主動控制氣囊方向。主氣室與4個轉(zhuǎn)彎執(zhí)行氣室的充氣速率匹配會對行進(jìn)過程產(chǎn)生影響，可為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供參考。在本文主氣室與小氣室充氣速率的關(guān)系下，小氣室外側(cè)膜面所受壓力大于內(nèi)側(cè)膜面壓力，可作為軟體設(shè)計氣囊材料選擇的依據(jù)。亦可期待將尖端自生長軟體移動平臺應(yīng)用于未來城市作戰(zhàn)，通過門窗縫隙、通風(fēng)管道、地下排污口等狹窄通道，實(shí)現(xiàn)對建筑內(nèi)部隱藏和遮蔽目標(biāo)的偵察、監(jiān)視與打擊引導(dǎo)，提高城市戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力和作戰(zhàn)效能。