張延芝

（江蘇無線電廠有限公司，江蘇南京210022）

0 引言

在軍用和民用無人機的發(fā)展與應(yīng)用中，車載無人機可根據(jù)環(huán)境態(tài)勢靈活選擇多種作業(yè)模式，從而開展通信距離擴展及全天候、全天時、多目標(biāo)、多任務(wù)的偵察監(jiān)視，戰(zhàn)場情報收集和輻射源探測等作戰(zhàn)任務(wù)，必要時可拓展載荷，承擔(dān)低空預(yù)警、電子對抗等任務(wù)[1]。車載無人機的動態(tài)起降、跟車伴飛和斜坡起降成為衡量整車系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo)，因而整車集成的無人機起降平臺需具備動態(tài)升降、任意高度滯留自鎖及斜坡調(diào)平等功能。常見的剪叉式升降平臺一般采用液壓驅(qū)動升降方式，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。當(dāng)精度要求不高時，在升降類機構(gòu)中其具有閉合高度小、升降行程大、占用空間小的獨特優(yōu)勢[2]。剪叉式升降平臺液壓驅(qū)動配套系統(tǒng)復(fù)雜，且較難對執(zhí)行機構(gòu)進行精確的位置控制，單獨配置液壓動力單元占用空間較大，系統(tǒng)集成龐大。在使用方面，剪叉式升降平臺液壓驅(qū)動配套系統(tǒng)易污染環(huán)境，維護保養(yǎng)較復(fù)雜，且對溫度比較敏感，尤其在軍用裝備工作的-40 ℃低溫環(huán)境條件下，采用液壓傳動有一定的困難。

本文設(shè)計的剪叉式升降調(diào)平裝置，綜合考慮整車系統(tǒng)集成的空間限制及性能可達性，采用了簡單可靠的機電伺服驅(qū)動方式，易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自鎖，綜合安全性高，便于增配手動操作功能，在斷電時可手動應(yīng)急使用與維護。

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構(gòu)和調(diào)平平臺組件組成，其總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。在車輛底盤上前后布置兩組獨立運動的剪刀叉升降機構(gòu)，帶動調(diào)平平臺組件進行升降和傾斜運動。當(dāng)車輛在縱向坡度α上時，其中一組剪刀叉升降機構(gòu)單獨運動，可以調(diào)節(jié)無人機起降平臺傾斜α角度至水平狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)平功能。

剪刀叉升降機構(gòu)作為調(diào)平平臺的升降機構(gòu)，其主要由伺服電機和減速機、雙導(dǎo)軌滑移底座、單軸鉸鏈座、絲桿驅(qū)動組件和嵌套式剪叉桿組件等組成。剪刀叉升降機構(gòu)通過單輸入雙輸出T型減速機驅(qū)動絲桿，轉(zhuǎn)化為絲母的直線移動后，帶動一側(cè)剪叉桿進行變角度升降運動。減速機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)急手動驅(qū)動輸入端，實現(xiàn)伺服電機或手動搖把帶動剪叉桿運動。調(diào)平平臺組件作為車載無人機的起降平臺，主要由直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向滑移組件、虎克鉸以及頂部平臺組成。其配合剪叉桿的變角度移動和轉(zhuǎn)動運動，連接兩組獨立運動的剪刀叉升降機構(gòu)，傾斜平臺時角度可達17°，車輛在30%縱坡上能調(diào)平起降平臺。

升降調(diào)平裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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

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、平臺位置控制單元、限位檢測組件和升降運動控制模塊等組成，其電氣系統(tǒng)原理如圖3所示。

傾角調(diào)平控制單元實時采集調(diào)平平臺上傾角傳感器的縱向傾角值，通過傾角的正負判斷平臺處于縱向上坡或下坡狀態(tài)。當(dāng)調(diào)平平臺平行于車輛底盤升起到指定高度后，由運動控制模塊閉環(huán)控制單側(cè)剪刀叉升降機構(gòu)繼續(xù)執(zhí)行上升動作，使調(diào)平平臺相對地面水平后停止運動。

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

圖3 升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)原理

限位檢測組件作為升降平臺的極限位置電氣限位保護，當(dāng)拉繩式編碼器發(fā)生故障時，限位檢測組件用于控制調(diào)平平臺在設(shè)定的上、下極限位置處停止剪刀叉升降機構(gòu)運動。

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

3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由檢測組件和運動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)

檢測組件由傾角傳感器、拉繩式編碼器及限位開關(guān)等組成。傾角傳感器采用由雙軸加速度計和MEMS陀螺儀組合的動態(tài)傾角測量傳感器，可實時測量水平雙軸X、Y方向的傾角。X方向傾角作為車輛縱向傾角，用于車輛在縱坡上調(diào)平無人機起降平臺；Y軸方向傾角作為車輛縱向傾角，用于監(jiān)測車輛縱傾角，判斷無人機起降條件。拉繩式編碼器采用絕對值編碼器，用于測量調(diào)平平臺的當(dāng)前位置，具備斷電位置記憶功能，可自由選擇手動或電動方式操控調(diào)平平臺，無需反復(fù)標(biāo)定與校零。限位開關(guān)由4個接近開關(guān)組成，分別在兩組剪刀叉升降機構(gòu)的絲桿軸向兩端各使用一個，對兩組獨立運動的剪刀叉機構(gòu)進行極限位置電氣安全保護。

運動控制模塊由STM32系列主控制器、CTM8251系列CAN通信模塊、伺服電機及驅(qū)動器、嵌入式控制板硬件與外圍電路、嵌入式控制程序及上位機操作軟件等組成，可滿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

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、動作控制、運動控制、數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控、CAN通信控制、故障報警等，能按任務(wù)優(yōu)先級實時調(diào)度控制，可滿足單機調(diào)控及整車系統(tǒng)聯(lián)控要求。

BIT自檢可對系統(tǒng)硬件和軟件進行開機自檢和定期監(jiān)控，通過功能檢測和使用檢查，在發(fā)現(xiàn)故障時自動隔離故障并發(fā)出預(yù)警信息。任務(wù)控制是通過時序和邏輯控制方式完成一整套完整的動作流程，如能一鍵上升至最高點并調(diào)平，一鍵復(fù)位并下降閉合。動作控制用于單步運動控制與調(diào)試，可單獨執(zhí)行上升、下降、調(diào)平、復(fù)位、停止等動作。運動控制可進行初始升降和閉合結(jié)束時的調(diào)速控制，穩(wěn)定平臺運動速度和位置。狀態(tài)監(jiān)控用于采集調(diào)平平臺當(dāng)前傾角值和高度值，監(jiān)測編碼器、傳感器、電機等的正常與故障狀態(tài)，上報設(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總線接口實現(xiàn)上位機指令和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等的信息交互。

5 控制策略設(shè)計

升降調(diào)平裝置的控制策略主要分為升降、調(diào)平、復(fù)位等過程的運動規(guī)劃。

升降過程控制策略：在執(zhí)行上升或下降任務(wù)時，主控板控制驅(qū)動器速度環(huán)同步帶動兩個電機從靜止?fàn)顟B(tài)加速2 s后勻速驅(qū)動，平臺運動接近上升展開或下降閉合位置時，做減速運動2 s后速度為零，完成平臺上升展開或下降閉合功能。

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

調(diào)平過程控制策略：當(dāng)平臺上升展開完成并上報位置狀態(tài)，上位機發(fā)送調(diào)平指令后，主控板控制驅(qū)動器進入獨立工作模式，并判斷當(dāng)前縱傾角的正負，控制其中一個電機繼續(xù)上升，當(dāng)縱傾角減小并接近2°時進入低速調(diào)控，到達0°時調(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，再控制平臺同步上升到展開位置，并上報復(fù)位完成。復(fù)位控制主要用于手動操作后自動控制的切換與校準(zhǔn)，在單步調(diào)平復(fù)位及任意位置調(diào)試時使用。

6 結(jié)語

本文研制的剪叉式升降調(diào)平裝置已成功應(yīng)用于車載無人機起降平臺，可在車輛縱坡17°傾角內(nèi)，靜態(tài)升降并調(diào)平平臺；可在平坦路面上動態(tài)升降平臺，滿足車載無人機的動態(tài)起降和跟車伴飛要求。此外，機電驅(qū)動、兩組剪刀叉機構(gòu)的獨立升降設(shè)計以及可傾斜平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制，在剪刀叉升降機構(gòu)的獨特設(shè)計和特殊應(yīng)用方面具有參考意義。