艦載箱式無人機發射系統的設計

夏冉，朱玉川

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016)

0 前言

近年來，無人機技術飛速發展，主要涉及以下幾類關鍵技術:遠程遙控技術、自動飛行控制技術、武器智能控制技術、新材料和模塊化建造技術以及發射與回收技術等。艦載無人機的發射技術對無人機的作戰效能起到關鍵作用，除無人直升機以外，無人機的發射一般采用火箭助推、滑跑起飛、氣液壓彈射及箱式發射等方式。滑跑起飛需要具備一定的跑道或者滑軌，小型海基平臺往往不具備這樣的條件，而箱式發射無需跑道，可以實現零長發射;另外，海基平臺氣候濕熱，使用環境惡劣，無人機的貯存、維護和保養也是一大難題。為了實現艦載無人機發射的安全性、可靠性及高精度要求，以及無人機的日常維護、保養能力，提高使用壽命，文中針對小型艦載無人機，設計了一種集無人機貯存、運輸和發射一體化的箱式發射系統，該系統包括機械箱體框架，電液比例控制液壓系統，氣動定位鎖緊系統，PLC 顯示控制系統，發射位置伺服系統等。平時，具備一定數量規模的箱式無人機可以長時間貯存在大型貯運箱體中，從而提高了無人機的維護性和可靠性;戰時，無人機箱體可由傳動系統迅速推入位置伺服發射平臺實現高精度發射，具有較強的戰時反應能力。另外，無人機的一種發展趨勢是與彈藥技術相結合，發展成攻擊型的巡飛彈，這種無人攻擊機形狀如同炮彈，也適宜采用這種箱式發射系統。

1 無人機發射系統結構設計

1.1 機械結構設計

無人機發射系統結構由大型貯運傳動箱體、發射平臺和推拉機構組成，貯運傳動箱體結構主要由側面防護板和輸送軌道組成，分為上下兩層，每層配備兩條導軌，導軌由間隔相等的滾條組成，從而使無人機箱體能以較小的阻力滾動傳送。每條導軌可串行放置兩只無人機箱體，因此，每傳動箱體共可裝載8 架箱式無人機。

圖1 無人機發射系統二維俯視圖

發射平臺機械結構由防護板和輸送軌道組成，分為兩層，每層配兩條軌道，每次可同時裝載4 架無人機，從而大大提高無人機的發射效率。框架尺寸完全對應于傳動箱體，從而實現從傳動箱體到發射平臺的無障礙傳送。

推拉機構由對稱放置的兩臺液壓缸，定位氣缸以及缸體前的鎖緊氣缸組成，其作用是實現發射平臺在相鄰兩傳動箱體間切換，從而實現連續發射，提高發射效率。

圖2 發射平臺及推拉機構

1.2 氣動及液壓系統

傳動箱體分為前后兩部分，依靠傳動箱體上的氣液壓系統，后部的4 架無人機可同時傳送至前部，再由前部傳送至發射平臺，從而完成發射前的無人機就位。液壓系統由安裝于箱體中間的4 部液壓缸組成，每部液壓缸前端安裝有兩部鎖緊氣缸，可同時鎖緊兩只無人機箱體并完成無人機箱體的傳送，對應于無人機箱體的位置，每只無人機箱體兩側分別有兩個定位氣缸孔，分別對應于安裝在箱體兩側的4 部定位氣缸。定位氣缸之間的距離等于液壓缸的行程。這樣，無人機箱體需要兩個液壓缸行程完成一次傳輸。

無人機箱體從貯運及傳動箱體中后部輸送至前部，完成一次傳輸過程的工作流程，如圖3所示。

圖3 無人機箱體傳動流程示意圖

貯運及傳動箱體后部的無人機箱體處于(Ⅰ號位及Ⅱ號位)定位氣缸定位鎖緊狀態，此時，液壓缸位于初始狀態，鎖緊氣缸對應于Ⅱ號位，鎖緊氣缸伸出至無人機箱體鎖緊孔中，鎖緊無人機箱體，Ⅰ、Ⅱ號位的定位氣缸縮回，釋放無人機箱體，液壓缸推動無人機箱體前進一個行程。此時，原先處于Ⅰ、Ⅱ號位的無人機箱體到達Ⅱ、Ⅲ號位，對應位置的定位氣缸伸出，固定住無人機箱體，液壓缸前端的鎖緊氣缸縮回，液壓缸退回到初始位置，鎖緊氣缸處于Ⅱ號位，完成一個行程。液壓缸退回到位后，鎖緊氣缸再次伸出，鎖緊無人機箱體，Ⅱ、Ⅲ號位的定位氣缸縮回，釋放無人機箱體，液壓缸推動無人機箱體前進一個行程。此時，原先處于Ⅱ、Ⅲ號位的無人機箱體到達Ⅲ、Ⅳ號位，對應位置的定位氣缸伸出固定住無人機箱體，液壓缸前端的鎖緊氣缸縮回，液壓缸退回到初始位置，完成一次傳輸過程。

無人機箱體從貯運箱體傳輸至發射平臺的過程可完全類比于上述流程。為了保證傳動效率和定位精度，液壓缸采用電液比例閥控制，使液壓缸先以較高速度運行，當接近終點位置時，先降低至一個較低的速度，再運行至終點位置停止。

2 PLC 電控系統

為實現無人機箱體從貯運箱體到發射平臺的自動裝載，設計采用PLC 電控系統，實現液壓站、氣壓站的啟停，各液壓缸、氣缸的動作，并通過增加PLC的模擬量模塊來實現對電液比例閥的控制，從而實現液壓缸末端輸出的減速運行。系統使用觸摸屏作為人機交互接口(HMI)，對系統進行監控，包括查看各元件工作狀態以及系統運行狀況，并對控制系統發送運行控制命令等。控制系統結構如圖4所示。

圖4 PLC 監控系統示意圖

3 發射平臺位置伺服系統

為了實現無人機對發射角度及發射精度的要求，以及必須克服艦船搖擺對無人機發射時的影響，發射平臺采用二自由度位置伺服控制系統。系統結構圖如圖5所示。

圖5 位置伺服控制系統結構圖

伺服系統主要包括兩個交流永磁同步電機，兩個伺服驅動器，兩個減速器，反饋檢測模塊，微型計算機控制器，電源模塊等。

上述控制系統采用半閉環控制，選用高精密減速器以盡量減少傳動部分的輸出誤差。由于無人機發射時射流的影響以及發射后負載的變化，該伺服系統是一種典型的強干擾、變參數、變負載的位置伺服系統。為了保證無人機發射的有效性，還必須設計一種強魯棒性的控制策略，保證無人機發射時的系統穩定性。

4 結束語

無人機現已成為現代戰場上不可或缺的高技術武器之一，未來無人機的應用將更加廣泛。文中設計的艦載箱式無人機發射系統，集貯運發一體，充分考慮了無人機在野戰環境下的貯存及運輸便利性、發射前準備的快速性以及艦載運動平臺下發射的精度，實現全自動化操作，提高了運作效率和實戰能力。位置伺服系統的設計可保證發射時的穩定性和發射精度。

［1］呂小紅.艦載無人機［J］.飛航導彈，2003(11):16－19.

［2］李強，張東輝，張宇，等.美國艦載無人機的裝備及發展分析［J］.艦船電子工程，2007(5):27－32.

［3］何慶，劉東升，于存貴，等.無人機發射技術［J］.飛航導彈，2010(2):24－27.

［4］張勝三，顧銀芳.傾斜零長發射技術研究［J］.導彈與航天運載技術，2009(6):41－45.

［5］朱玉川，李志剛，馬大為，等.某箱式多管火箭炮自動裝填裝置設計［J］.彈箭與制導學報，2006(1):97－99.

［6］龐艷珂，韓磊，張民權，等.攻擊型巡飛彈技術現狀及發展趨勢［J］.兵工學報，2010(S2):149－152.

［7］朱玉川，馬大為，李志剛，等.防空多管火箭炮交流位置伺服系統的控制策略［J］.兵工自動化，2006(4):5－6.

［8］YE Z，BHATTACHARYA P，MOHAMADIAN H，et al.Equational Dynamic Modeling and Adaptive Control of UAV［C］//System of Systems Engineering，2006 IEEE/SMC International Conference on.IEEE，2006.