彈藥裝填機器人作業平臺仿真系統設計與實現

徐 達，夏 祥，李 華，肖自強

(裝甲兵工程學院兵器工程系，北京100072)

彈藥裝填機器人彈藥裝填過程具有非線性、時變、強耦合特性［1］，難以建立完整準確的動力學和運動學模型，僅依靠虛擬平臺對彈藥裝填機器人彈藥裝填過程進行仿真分析，得到的結果不全面、不翔實，還需要構建硬件仿真平臺，在系統中接入部分實物，使部件能夠在滿足系統整體性能指標的環境中得到檢驗。這種方法能夠提高系統設計質量和可靠性，縮短系統試驗周期，節省研制費用。筆者在對彈藥裝填機器人的作業任務進行分析的基礎上，設計了一種針對性強、可靠性好的彈藥裝填機器人作業平臺仿真系統，較好地實現了對彈藥裝填機器人的控制和實時作業。

1 仿真系統總體設計

彈藥自動裝填機器人屬于特種作業的軍用機器人，主要用于坦克和自行火炮彈藥快速裝填，其作業環境狹窄、封閉、多障礙［2］，且在供彈過程中需要躲避障礙，避免關節超限，克服工作空間中的奇異位形，還要滿足車體大幅度起伏、高強度沖擊條件下的高精度和快速裝填要求。

彈藥裝填機器人仿真系統采用模塊化設計思想，系統分為主控模塊、硬件模塊、軟件模塊、仿真模塊和可視化仿真界面5部分，如圖1所示，為智能化系統，具有開放性、交互性和可擴展性，控制軟件允許集成和更新運動學、動力學和力控算法［3-4］。

圖1 彈藥裝填機器人仿真系統結構

系統進行仿真時，由主控模塊發出指令數據，通過硬件控制和軟件操作對指令進行分析整理，根據指令進行所需仿真數據和參數的采集和記錄，輸入到仿真模塊，根據仿真類型進行仿真，并在可視化界面進行演示。

2 仿真系統軟硬件設計

硬件平臺主要是為硬件仿真提供基礎，通過硬件平臺對彈藥裝填機器人的動作實施有效的控制，同時采集數據指標，并將采集的數據指標傳輸給數據處理中心，為彈藥裝填機器人各活動實體在實際運動中的運動學和動力學分析、驗證提供翔實的現場數據。

2.1 運動控制卡

運動控制卡選用2塊MPC08SP卡，它是基于PCI總線的步進電機上位控制單元，每塊卡可控制4臺電機，與計算機構成主從式控制結構，如圖2所示。計算機負責人機交互界面的管理和控制系統的實時監控，運動控制卡完成運動控制中脈沖和方向信號的輸出以及原點和限位等信號的檢測，運動函數庫實現與運動控制有關的升降速、直線插補等復雜細節，通道分配如表1所示。

圖2 運動控制卡結構

表1 通道分配表

2.2 數據采集與采集卡

硬件仿真所采集的彈藥裝填機器人數據必須完整，才能夠充分滿足運動學和動力學分析的要求。需采集的數據包括彈藥裝填機器人各關節的位置、坐標、載荷等自身數據和火炮、彈倉、振動實驗臺等外部數據。

2.2.1 模擬量數據及采集卡

筆者采用ISO-AD32L數據采集卡，它是總線隔離的12位A/D卡，板上可設置1 KB的FIFO緩存器，32個單端或16個差分輸入通道。為提高系統穩定性，仿真系統采用差分式輸入，共有8個通道，具體分配如表2所示。

表2 模擬量通道分配表

2.2.2 數字量數據及采集卡

筆者采用通用I/O擴展板EA1616，將運動控制卡擴展為16路通用輸入和16路通用輸出接口。數字輸入用于采集炮尾狀態和彈倉狀態，通道分配如表3所示。數字輸出用于向彈倉發出取彈請求信號，通道分配如表4所示。

表3 數字量輸入時通道分配表

表4 數字量輸出時通道分配表

2.3 傳感器及測量精度設計

傳感器及測量精度涉及模擬量部分，在本仿真系統中，核心部分是各運動部件的位置測量光電編碼器，而扭矩變送器的精度對系統運行性能影響較小。以彈藥裝填機器人腰部為例:彈藥裝填機器人的動作重復精度為a，整體誤差分解為水平分量和垂直分量，水平分量是由腰部的位置誤差引起的，垂直分量是大臂、小臂和手的綜合誤差，因此，所允許的最大腰部誤差為asin(0.25π)。腰部的位置測量精度為

其中:f為安全系數;b為腰部總體變速比;l1為大臂長度;l2為小臂長度;l3為手腕長度。

2.4 仿真系統穩定性設計

彈藥裝填機器人工作環境較為惡劣，存在諸如電磁等干擾，這些雖然不能造成硬件系統的損壞，但卻會使系統無法正常運行，導致數據采集、處理和控制失靈。彈藥裝填機器人在設計上采取硬件抗干擾措施和軟件抗干擾技術相結合的方式進行。硬件設計上，選用了P521-4高速光耦，能同時進行4路信號轉換，性能穩定。軟件方面，根據仿真系統測量方式采用差分式電流型結構，線路采用雙絞方式，同時系統中的模擬地和數字地在共地時采用了磁珠進行連接，與直接用導線連接相比，可有效抑制數字電路的開關噪聲對模擬信號的影響［5］。

2.5 軟件設計

軟件設計主要是對硬件平臺獲得的數據按照規劃算法，建立彈藥裝填機器人運動學、動力學模型，給出仿真結果。本仿真平臺軟件主要是針對彈藥裝填機器人供輸彈作業采用模塊化程序進行設計的，包括動作編輯、解釋模塊，現場數據采集模塊，示教模塊和文件管理模塊。

動作編輯、解釋模塊是動作編輯界面的后臺支持程序，動作編輯按照設計動作的要求，設置運行速度和手爪的開閉，將彈藥裝填機器人運行到編輯的關鍵位置點即完成動作過程;現場數據采集模塊包括模擬量數據、數字量數據、彈藥裝填機器人姿態數據采集模塊，通過在主界面添加定時器實現模擬量數據采集和數字量數據采集功能;示教模塊主要用在作業動作確定和軌跡規劃中，當彈藥裝填機器人的位置發生變化，通過示教模塊可重新確定相對坐標和位置偏差，重新執行設計動作;文件管理模塊主要實現文件識別、格式設計以及有效性檢查功能。

依照仿真系統總體設計和軟件設計，開發的彈藥裝填機器人仿真系統界面如圖3所示。

圖3 彈藥裝填機器人仿真系統界面

3 仿真與分析

彈藥裝填機器人作業平臺仿真系統

根據彈藥裝填機器人的作業任務要求，以機器人從取彈位置到炮尾裝填位置的供彈過程為例進行仿真分析。首先連接實物與仿真系統軟件，如圖4所示，通過示教盒手動控制機器人獲取腰部、大臂、小臂、腕部和手爪在取彈位置時各關節的關節變量以及手爪的位置和姿態參數，通過現場數據采集模塊加以記錄，按照規劃的作業路徑進行多節點數值采集，采集步長和速度通過示教盒窗口進行調節，并將每次采集到的數據和參數連同取彈位置數據形成記憶序列，最后將記憶序列存儲到動作編輯模塊執行，仿真得到彈藥裝填機器人末端執行器空間軌跡如圖5所示。仿真結果表明:彈藥裝填機器人能很好地按照已規劃的路徑進行作業，實現彈藥裝填的功能。

圖5 彈藥裝填機器人末端執行器空間軌跡

［1］ 徐達，王中盛，劉廣洋.基于串并聯結構的彈藥裝填機器人設計［J］. 裝甲兵工程學院學報，2008，22(5):45-50.

［2］ 王中盛.彈藥裝填機器人軌跡規劃及動力學分析［D］.北京:裝甲兵工程學院，2008.

［3］ 徐達，帥元，郝琢.彈藥裝填機器人自適應PD控制算法［J］.裝甲兵工程學院學報，2011，25(1):49-53.

［4］ 徐達，帥元.基于MAS的彈藥裝填機器人運動控制研究［J］.制造業及自動化，2011，33(6):9-11.

［5］ 黃晶晶.裝甲車輛自動裝填系統故障自診斷技術研究［D］.北京:裝甲兵工程學院，2011.