摘要：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求偵察系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力和高機(jī)動(dòng)性，車載光電偵察系統(tǒng)更加需要適應(yīng)這種需求。對(duì)車載光電偵察系統(tǒng)自動(dòng)架設(shè)撤收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)時(shí)收集、監(jiān)測(cè)執(zhí)行單元的位置信息形成位置閉環(huán)，自動(dòng)、有序地控制執(zhí)行單元帶動(dòng)光電偵察設(shè)備和輔助設(shè)備完成相關(guān)架設(shè)和撤收動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)車載光電偵察系統(tǒng)的“一鍵架設(shè)”和“一鍵撤收”。自動(dòng)架設(shè)撤收裝置能夠有效提升光電偵察系統(tǒng)的智能化程度，增強(qiáng)車載光電偵察系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和機(jī)動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：光電偵察系統(tǒng);自動(dòng)架設(shè)撤收裝置;智能化

中圖分類號(hào)：TP23收稿日期：2022-06-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.012

1前言

當(dāng)今，反輻射導(dǎo)彈、隱身技術(shù)、低空和超低空突防、綜合電子干擾等對(duì)作戰(zhàn)能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。光電偵察系統(tǒng)具備抗復(fù)雜電磁干擾、低空探測(cè)性能好、目標(biāo)，探測(cè)精度高、提供符合人類視覺習(xí)慣的圖像、被動(dòng)探測(cè)不易暴露目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，成為軍事防空偵察預(yù)警裝備體系建設(shè)的戰(zhàn)略要求，而光電系統(tǒng)車載化更是提高了它的機(jī)動(dòng)性與靈活性，使其能夠快速偵察、定位、識(shí)別多種威脅，并更好地隱蔽自己，提高生存能力[1-3]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求偵察系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力和高機(jī)動(dòng)性，車載光電偵察系統(tǒng)更需要適應(yīng)這種需求。

車載光電偵察系統(tǒng)主要通過(guò)光電偵察設(shè)備實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別和測(cè)量功能，而定位設(shè)備和定向設(shè)備則為車載光電偵察系統(tǒng)提供測(cè)量基準(zhǔn)。為了有效保護(hù)各個(gè)組成設(shè)備，車載偵察系統(tǒng)不工作時(shí)會(huì)將其收入方艙內(nèi)部。執(zhí)行任務(wù)時(shí)，車載光電偵察系統(tǒng)首先打開方艙頂部的電動(dòng)天窗，然后利用高精度桅桿將光電偵察設(shè)備等通過(guò)電動(dòng)天窗舉升到一定高度，最后利用電動(dòng)推桿將定位設(shè)備和定向設(shè)備展開到預(yù)定位置。撤收順序與架設(shè)順序完全相反。

2系統(tǒng)組成和工作原理

2.1系統(tǒng)組成

自動(dòng)架設(shè)撤收裝置由綜合控制器、執(zhí)行單元、光電偵察設(shè)備和輔助設(shè)備組成。執(zhí)行單元包括高精度桅桿、電動(dòng)推桿和電動(dòng)天窗，輔助設(shè)備包括定位設(shè)備和定向設(shè)備。高精度桅桿包括桿體、減速裝置、手動(dòng)搖柄、控制盒和電控箱;電動(dòng)推桿包括電機(jī)、絲桿螺母副、推桿和開關(guān);電動(dòng)天窗由天窗、電動(dòng)桿和限位開關(guān)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.2 工作原理

綜合控制器是自動(dòng)架設(shè)撤收裝置的控制中樞，其電路原理圖如圖2所示。高精度桅桿利用減速裝置驅(qū)動(dòng)桿體上升或者下降;電控箱為減速裝置提供電源和控制信號(hào);控制盒用于實(shí)現(xiàn)高精度槍桿的遠(yuǎn)程控制。電動(dòng)推桿通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母副，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推桿一和推桿二的展開和收縮;微動(dòng)開關(guān)用于推桿一和推桿二的限位保護(hù)。電動(dòng)天窗通過(guò)電動(dòng)桿控制天窗的打開和關(guān)閉;限位開關(guān)一方面用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天窗的開閉狀態(tài)，另一方面用于天窗的限位保護(hù)。

MCU實(shí)時(shí)收集電動(dòng)天窗、高精度桅桿和電動(dòng)推桿中位置傳感器的信息，監(jiān)控高精度桅桿、電動(dòng)推桿和電。動(dòng)天窗的位置，狀態(tài)指示燈顯示到位信息。MCU通過(guò)讀取控制按鈕和控制撥扭的狀態(tài)信息，執(zhí)行相應(yīng)架設(shè)和撤收操作。

3設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)例分析

3.1高精度槍桿設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1.1電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目需求及該系列升降桿的技術(shù)特點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)上采用DC24V、1 600 W直流伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，系統(tǒng)配置過(guò)電流、限位等保護(hù)措施，控制原理框圖如圖3所示。

電源經(jīng)過(guò)濾波后供給主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊，主控模塊將電源分配到控制盒、限位開關(guān)和編碼器等。主控模塊接收上位機(jī)或控制盒命令時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。絕對(duì)值編碼器采集當(dāng)前升降桿高度上傳給主控模塊，當(dāng)接近極限高度時(shí)，主控模塊控制驅(qū)動(dòng)模塊減緩輸出，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限高度時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊斷開輸出，主控模塊上傳相應(yīng)限位狀態(tài)至上位機(jī)和控制盒。當(dāng)升降桿出現(xiàn)過(guò)載、堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊自動(dòng)切減速電機(jī)的電源，同時(shí)上報(bào)故障給主控模塊，控制盒和上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的故障報(bào)警。為保證系統(tǒng)的安全性，當(dāng)出現(xiàn)編碼器故障時(shí)，升降桿僅可進(jìn)行慢速下降操作。

3.1.2驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)該項(xiàng)目特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)模塊使用最大電流達(dá)到120A直流驅(qū)動(dòng)器作為功率的輸出模塊，該驅(qū)動(dòng)器具有外形小巧、使用溫度范圍寬、電源適應(yīng)范圍廣、工作穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，具有正反轉(zhuǎn)單獨(dú)轉(zhuǎn)速控制、輸出功率控制、力矩補(bǔ)償控制等功能，同時(shí)具備過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、溫度保護(hù)等保護(hù)機(jī)制，可較好地滿足系統(tǒng)的使用要求。

3.1.3限位采集開關(guān)設(shè)計(jì)

該升降桿使用編碼器進(jìn)行高度控制，考慮到編碼器的故障情況，為提高升降桿的可靠性、安全性，在升降桿下極限位置安裝電氣限位開關(guān)，當(dāng)編碼器故障時(shí)，升降桿依然可以進(jìn)行下降操作，系統(tǒng)限位優(yōu)先級(jí)為軟件限位→電氣下位。

3.1.4編碼器選型

為了提高升降桿高度的定位精度及數(shù)據(jù)的可靠性。升降桿使用多圈式絕對(duì)值編碼器進(jìn)行高度采集，該編碼器絕對(duì)位置最大4096圈，線性分辨率1/4 096，最大允，許轉(zhuǎn)速2 400 r/min，可較好地滿足系統(tǒng)的使用要求。經(jīng)測(cè)試使用編碼器后，高度采集值與升降桿的實(shí)際高度的誤差可控制在1mm以內(nèi)。同時(shí)絕對(duì)值的記憶模式下，當(dāng)升降桿出現(xiàn)斷電手搖或減速裝置維修時(shí)不丟失實(shí)際升降高度數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1.5主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊為自主研制的主控集成電路板，該模塊主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)及控制盒的通信，編碼器、限位開關(guān)的采集，以及驅(qū)動(dòng)模塊的控制等功能。為了提高電路板的可靠性，筆者單位除了嚴(yán)控貨源等常規(guī)操作外，另外還建設(shè)了自主環(huán)境試驗(yàn)室，試驗(yàn)室配備環(huán)境篩選設(shè)備，對(duì)焊接調(diào)試完成的電路板實(shí)行環(huán)境應(yīng)力篩選，可大大提高電路板的可靠性[4-5]。

3.1.6聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

高精度桅桿為多絲杠結(jié)構(gòu)，除最底節(jié)絲杠外，其余各節(jié)絲杠內(nèi)壁上均布著6個(gè)鍵槽，通過(guò)花鍵與其相鄰絲杠連接（絲杠及花鍵結(jié)構(gòu)見圖4），連接后所有絲杠形成同步旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并可在軸向相對(duì)展開或收縮。升降桿各節(jié)鋁管內(nèi)壁上的導(dǎo)向鍵與相鄰管節(jié)底部絲母套互相配，合（圖5），由于最外節(jié)管通過(guò)桿體底座與減速裝置箱體固定，其余各節(jié)管與最外節(jié)管裝配后均無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。升降桿工作時(shí)，由減速電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)圓柱齒輪副將扭矩提供給絲杠，各節(jié)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)推動(dòng)與其配合的絲母在絲杠的軸線上做上下運(yùn)動(dòng)。由于絲母與鋁管固定連接，因此，絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)各節(jié)鋁管通過(guò)絲母推動(dòng)，在絲杠軸線上做上下直線運(yùn)動(dòng)。各節(jié)絲杠導(dǎo)程一致，旋轉(zhuǎn)速度相同，因此各節(jié)管展開、閉合行程一致。通過(guò)以上結(jié)構(gòu)，升降桿在工作時(shí)形成聯(lián)動(dòng)形式，使各節(jié)管同步展開、閉合，可在較短時(shí)間內(nèi)使升降桿舉升到規(guī)定高度。

3.1.7升降載荷能力計(jì)算

高精度桅桿在8級(jí)風(fēng)的風(fēng)載荷（等效頂端水平拉力187N）條件下工作，負(fù)載設(shè)計(jì)為260 kg，如圖6所示。a.輸出轉(zhuǎn)矩：

b.減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（傳動(dòng)效率n，減速機(jī)傳動(dòng)比a）：

c.升降桿頂端加8級(jí)風(fēng)的風(fēng)載荷時(shí)，各節(jié)鋁合金管摩擦力如圖6所示（在全展出狀態(tài)受力最大，在這種狀態(tài)下計(jì)算）。

3.1.8絲母強(qiáng)度計(jì)算

以承載最大的絲母計(jì)算，螺母螺紋牙剪切強(qiáng)度校核：

式中，6為絲母螺紋牙根部厚度;n為螺紋旋合圈數(shù);H為螺母旋合高度。

絲母的實(shí)際工作剪切應(yīng)力：

絲母螺紋牙彎曲強(qiáng)度校核：

式中，H，為螺紋牙工作高度。

絲母的實(shí)際工作彎曲應(yīng)力：

3.2電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)推桿采用圓柱蝸桿傳動(dòng)，蝸輪材料選用ZCu-Al10Fe3，蝸桿材料選用20 CrMnTi。蝸輪、蝸桿參數(shù)的匹配見表1。

電動(dòng)推桿雙向同步工作，采用大模數(shù)雙蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，有效改善蝸輪輪齒載荷分布，降低蝸輪輪齒表面的膠合、點(diǎn)蝕和磨損，提高其使用壽命。這種單電機(jī)雙驅(qū)系統(tǒng)，對(duì)重載荷轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)可減機(jī)構(gòu)小體積，提高可靠性。

3.2.2 螺紋耐磨性計(jì)算

實(shí)際工作壓強(qiáng)計(jì)算：

式中，n為絲杠轉(zhuǎn)速。絲母速度為nxS，螺旋角正切ta n=，滑動(dòng)速度為x3。絲母的實(shí)際工作壓強(qiáng)為Py=3.65 MPa<;[p]，螺紋副許用壓強(qiáng)[p]取7～ 10 MPa。

3.3設(shè)計(jì)實(shí)例

在某車載光電偵察系統(tǒng)項(xiàng)目中，原設(shè)計(jì)為手動(dòng)頂蓋和電動(dòng)光電桅桿的方式，架設(shè)和撤收操作存在著如下缺點(diǎn)：a.多種設(shè)備架設(shè)和撤收，對(duì)操作順序有著嚴(yán)格的要求，人工操作容易出現(xiàn)操作失誤，可能導(dǎo)致設(shè)備相互干涉、磕碰的情況發(fā)生，造成設(shè)備的物理?yè)p傷;b.人工架設(shè)和撤收過(guò)程會(huì)占用操作人員較長(zhǎng)的時(shí)間，增加了系統(tǒng)架設(shè)和撤收的時(shí)間，從而降低車載偵察系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力;c.人工架設(shè)和撤收方式需要對(duì)操作人員進(jìn)行專門的訓(xùn)練，更換操作人員需要重新進(jìn)行訓(xùn)練。

通過(guò)本自動(dòng)架設(shè)撤收裝置的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)性解決了上述問(wèn)題。通過(guò)綜合控制器上的“一鍵操作”按鈕，實(shí)現(xiàn)了頂蓋開啟、桅桿升降和電動(dòng)推桿的時(shí)序工作。自動(dòng)架設(shè)撤收裝置實(shí)物圖如圖7所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)車載光電偵察系統(tǒng)自動(dòng)架設(shè)撤收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)時(shí)收集、監(jiān)測(cè)執(zhí)行單元的位置信息形成位置閉環(huán)，自動(dòng)、有序地控制執(zhí)行單元帶動(dòng)光電偵察設(shè)備和輔助設(shè)備完成相關(guān)架設(shè)和撤收動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)車載光電偵察系統(tǒng)的“一鍵架設(shè)”和“一鍵撤收”。自動(dòng)架設(shè)撤收裝置能夠有效提升光電偵察系統(tǒng)的智能化程度，增強(qiáng)車載光電偵察系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和機(jī)動(dòng)性。這種自動(dòng)架設(shè)撤收裝置適合各種環(huán)境下使用，將逐步在車載智能化技術(shù)中得到應(yīng)用并發(fā)揮重要的作用。

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作者簡(jiǎn)介：

樊放要，男，1979年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ迷O(shè)備和特種防護(hù)材料。