張延芝

(江蘇無(wú)線電廠有限公司，江蘇 南京 210022)

0 引言

無(wú)人機(jī)可完成情報(bào)偵察、中繼通信、電子對(duì)抗、防空、制空、精確打擊等多種任務(wù)，其通常搭載于各種車輛的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上執(zhí)行飛行任務(wù)。在2014年2月新德里汽車展上，雷諾發(fā)布的一款KWID概念車提出了車載無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，其車頂配備了四旋翼無(wú)人機(jī)。2017年路虎推出一款SUV車交付奧地利紅十字會(huì)，其車頂搭載一架小型四旋翼無(wú)人機(jī)，用于緊急情況下的搜尋和救援任務(wù)[1]。

隨著汽車科技和無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，車載無(wú)人機(jī)作為空地互補(bǔ)一體化作戰(zhàn)模式，打造了交互融合的作戰(zhàn)新體系，有效提升了系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力。在車載無(wú)人機(jī)系統(tǒng)模式下，戰(zhàn)車搖身一變成為小型“陸地航母”，無(wú)人機(jī)在車輛運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的成功起降及隨行儲(chǔ)運(yùn)，成為車載無(wú)人機(jī)系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。但車載無(wú)人機(jī)起降的水平度一般≤10°，在車輛可通過(guò)的大坡度山地、越野地等地形中，較難安全可靠地起降無(wú)人機(jī)。

一般車載無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成常見(jiàn)的是小型車輛配置較小起飛載荷、非系留式小型無(wú)人機(jī)。為滿足在大型越野車上集成整機(jī)起飛質(zhì)量≥70kg的多旋翼系留無(wú)人機(jī)的使用需求，研究并設(shè)計(jì)了一種基于三自由度的車載無(wú)人機(jī)升降調(diào)平裝置，可用于大型越野車重載無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成中，在車輛任意方位大角度傾斜靜止或運(yùn)動(dòng)中，可進(jìn)行無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)的大行程升降與全向調(diào)平，保障了無(wú)人機(jī)的儲(chǔ)運(yùn)與起降。

三自由度平臺(tái)廣泛應(yīng)用于科研實(shí)驗(yàn)室高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭建、姿態(tài)控制、運(yùn)動(dòng)模擬與仿真等，以及艦船與汽車模擬器、3D/4D娛樂(lè)平臺(tái)、VR娛樂(lè)座椅等方面[2]。在升降調(diào)平裝置的設(shè)計(jì)中引用三自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理[3]，對(duì)其常規(guī)應(yīng)用逆向擴(kuò)展，將其中的上下、俯仰、橫滾等3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)組合使用，使底座傾斜時(shí)，控制平臺(tái)恒定水平調(diào)平，從而可集成應(yīng)用于車載無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的升降調(diào)平裝置中[4]。

1 總體結(jié)構(gòu)方案

升降調(diào)平裝置總體結(jié)構(gòu)主要由三自由度調(diào)平平臺(tái)和絲桿滑塊升降機(jī)構(gòu)組成，其總體結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)方案

三自由度調(diào)平平臺(tái)又為車載無(wú)人機(jī)的起降平臺(tái)，其主要由3組折返式伺服電動(dòng)缸、頂部單軸鉸鏈和底部雙軸虎克鉸以及頂部平臺(tái)組成，安裝基座共用升降平臺(tái)。三自由度調(diào)平平臺(tái)具有俯仰、橫滾和微行程升降運(yùn)動(dòng)等3個(gè)自由度，通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制3個(gè)伺服電動(dòng)缸，調(diào)節(jié)平臺(tái)水平方向360°的姿態(tài)，其全向調(diào)平傾斜角度可達(dá)22°，使車輛在任意方位40%坡度內(nèi)的山地、越野地等地形上，也能調(diào)平無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)[5]。

絲桿滑塊升降機(jī)構(gòu)作為三自由度調(diào)平平臺(tái)穩(wěn)固可靠的升降基座，其主要由兩組絲桿滑塊升降組件、一套驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件和升降平臺(tái)組成。通過(guò)單輸入雙輸出減速機(jī)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)梯形絲桿滑塊升降組件，進(jìn)行升降平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)。其能在任意位置停滯并滯留自鎖升降平臺(tái)，且易于增配模塊化手動(dòng)裝置，用于應(yīng)急手動(dòng)升降。同時(shí)，解決了在三自由度調(diào)平平臺(tái)[6]的結(jié)構(gòu)尺寸及穩(wěn)定性要求的限制下，垂直升降行程較小的問(wèn)題。

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

圖2 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)方案的主要性能指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)

2 電氣系統(tǒng)原理

升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)主要由全向調(diào)平控制單元、升降運(yùn)動(dòng)控制單元、檢測(cè)組件和運(yùn)動(dòng)控制模塊等組成，其電氣系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3。

圖3 電氣系統(tǒng)原理

全向調(diào)平控制單元根據(jù)傾角傳感器采集調(diào)平平臺(tái)當(dāng)前水平方向x軸、y軸的傾角值，通過(guò)解算后控制3個(gè)伺服電動(dòng)缸的位移量，使調(diào)平平臺(tái)處于水平狀態(tài)。對(duì)傾角傳感器的傾角采集頻率與電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)頻率進(jìn)行耦合匹配，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)平。

升降運(yùn)動(dòng)控制單元根據(jù)位移傳感器采集的當(dāng)前升降平臺(tái)高度位置信息，按上位機(jī)任務(wù)指令控制驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件的伺服電機(jī)，完成升降平臺(tái)的上升、下降或置零動(dòng)作。

檢測(cè)組件作為升降平臺(tái)的極限位置電氣限位，當(dāng)位移傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，上、下兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)控制升降平臺(tái)停止。

運(yùn)動(dòng)控制模塊作為升降調(diào)平裝置的主控制器，具有三自由度調(diào)平平臺(tái)姿態(tài)控制、升降平臺(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)見(jiàn)圖4。

圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)

檢測(cè)組件由測(cè)量調(diào)平平臺(tái)姿態(tài)角的傾角傳感器、測(cè)量升降平臺(tái)位置的位移傳感器及限位開(kāi)關(guān)等組成。傾角檢測(cè)采用三軸加速度計(jì)和MEMS陀螺儀組合的動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量傳感器[7]，可實(shí)時(shí)測(cè)量水平雙軸x、y方向的傾角，以閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制平臺(tái)至恒定水平姿態(tài)。位移傳感器采用拉繩式絕對(duì)值編碼器，控制升降平臺(tái)的上下位置，具備斷電位置記憶，可手動(dòng)和電動(dòng)自由切換使用功能。限位開(kāi)關(guān)由上下兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)組成，用于上、下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、多軸運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制軟件和CTM8251系列CAN通信模塊等組成。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制軟件采用嵌入式系統(tǒng)軟件，包含硬件初始化程序、操作系統(tǒng)板級(jí)支持程序、升降調(diào)平控制軟件應(yīng)用程序、底層驅(qū)動(dòng)程序及外圍擴(kuò)展模塊，具備二次開(kāi)發(fā)功能，并能夠配合整車無(wú)人機(jī)起降與儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)集成。

控制軟件主要完成的功能包括BIT自檢、狀態(tài)機(jī)模型、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)警等多個(gè)任務(wù)，并按任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度控制。

平臺(tái)控制策略流程見(jiàn)圖5，其中BIT自檢可對(duì)本系統(tǒng)硬件和軟件的功能和性能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并在發(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，如能一鍵調(diào)平上升至最高點(diǎn)，一鍵復(fù)位并下降至最低點(diǎn)。動(dòng)作控制用于規(guī)劃三自由度調(diào)平平臺(tái)和升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制目標(biāo)。運(yùn)動(dòng)控制則根據(jù)三自由度調(diào)平平臺(tái)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[8]，針對(duì)目標(biāo)承載平臺(tái)的期望位姿，反解出多個(gè)伺服電動(dòng)缸的期望位置和速度，并通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制器完成多個(gè)伺服電動(dòng)缸的實(shí)時(shí)協(xié)同控制。狀態(tài)監(jiān)控用于采集調(diào)平平臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)以及升降平臺(tái)的實(shí)時(shí)位置，并記錄調(diào)平與升降的次數(shù)。通信控制用于通過(guò)CAN總線接口提供調(diào)平組件角度信息、升降組件高度信息、狀態(tài)信息、故障信息等[9]。

軟件系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)[10]模型見(jiàn)圖6，用于平臺(tái)上電并初始化后，對(duì)當(dāng)前任意時(shí)刻、任意位姿的調(diào)平平臺(tái)狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)移與處理。因運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中存在多種狀態(tài)，包括：上電狀態(tài)、底位狀態(tài)、中位狀態(tài)、調(diào)平狀態(tài)、急停狀態(tài)等，利用狀態(tài)機(jī)模型分析，對(duì)調(diào)平平臺(tái)狀態(tài)進(jìn)行模塊化管理，可更好地完成調(diào)平平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制及安全操作。

圖6 狀態(tài)機(jī)模型

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究并設(shè)計(jì)的三自由度升降調(diào)平平臺(tái)可用作車載無(wú)人機(jī)的升降調(diào)平裝置，可在車輛任意方位22°傾斜角內(nèi)，靜態(tài)或動(dòng)態(tài)升降、調(diào)平平臺(tái)，保障車載無(wú)人機(jī)任意時(shí)態(tài)的安全起降。同時(shí)拓展了三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)合，也為實(shí)現(xiàn)車載無(wú)人機(jī)的起降提供了結(jié)構(gòu)方案與系統(tǒng)原理基礎(chǔ)。