某型水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制

李科亮

(中國人民解放軍91640部隊, 廣東 湛江 524064)

引言

隨著水下對抗和反對抗技術的快速發(fā)展，研究智能的水下攻擊武器，實現(xiàn)對敵艦艇和艦船的準確打擊，利用水下爆炸的強大威力，提高對敵水下目標的攻擊強度[1]。某型水下航行器是實現(xiàn)對敵水下潛艇打擊的全新全數(shù)字化的智能制導水中兵器，集自導、控制系統(tǒng)及戰(zhàn)斗部為一體，采用艦艇管裝發(fā)射、空投發(fā)射和火箭助飛發(fā)射等發(fā)射平臺，實現(xiàn)反潛作戰(zhàn)。在該型水下航行器的技術準備中，需要把在技術陣地準備好的航行器裝載到艦上，并裝載在魚雷發(fā)射管中，實現(xiàn)水下航行器交付裝管[2]。可見，水下航行器的上艦吊裝是實現(xiàn)該型水下航行器發(fā)射準備的關鍵環(huán)節(jié)，研究水下航行器的智能吊裝控制技術，在機械裝備控制領域中受到相關領域專家的廣泛關注。

當前，對水下航行器的上艦吊裝采用人工吊裝和機械臂吊裝結合的方式，受到碼頭現(xiàn)場的復雜環(huán)境影響因素較大，特別是受到機械臂的輸出力矩擾動影響較大，在吊裝過程中容易出現(xiàn)位姿偏移和碰撞、跌落等事故，需要研究一種智能的水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制方法，進行機械臂的智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設計，提高水下航行器機械臂的智能控制能力和抗擾動能力。傳統(tǒng)方法中，對吊裝機械臂的控制方法主要有模糊控制模型、PID控制模型、滑模積分控制方法、傳感融合跟蹤控制模型和壓力傳感控制模型等[2-4]，結合對機械臂的控制力學參數(shù)分析和機械臂的承重配力分析，采用模糊控制方法實現(xiàn)水下航行器機械臂吊裝控制。文獻[5]中提出一種基于氣動阻尼耦合補償?shù)乃潞叫衅魃吓灥跹b機械臂承壓控制方法，采用多變量的耦合控制系統(tǒng)進行上艦吊裝機械臂的耦合控制，提高機械臂的承重力的智能分配能力，但該控制方法的抗擾動能力不好；文獻[6]中提出一種基于連續(xù)反饋驅動和模糊PID的機械臂智能控制方法，采用連續(xù)反饋驅動方法進行水下航行器上艦吊裝機械臂承壓參數(shù)自適應校準，實現(xiàn)承壓力學仿真分析，但該方法容易受風阻擾動因素的影響，控制過程的魯棒性不高。

針對上述問題，本文提出一種基于載荷轉移機構加載和末端姿態(tài)力學參量調節(jié)的水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制技術。首先分析水下航行器裝艦的技術準備流程和關鍵技術，建立上艦吊裝機械臂的移動平臺和動力驅動單元，結合反饋補償方法進行水下航行器上艦吊裝機械臂承壓力學控制。然后采用有限元動力學分析方法構建水下航行器吊裝機械臂的控制律，實現(xiàn)水下航行器上艦吊裝機械臂承壓力矩控制，提高水下航行器上艦吊裝的位姿自動調整能力。最后進行仿真試驗分析，展示了本文方法在提高水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制能力方面的優(yōu)越性能。

1 水下航行器上艦吊裝技術總體設計

1.1 水下航行器上艦吊裝操作技術描述

為了實現(xiàn)該型水下航行器的上艦吊裝和裝管發(fā)射的技術指標，首先分析水下航行器上艦吊裝的總體實現(xiàn)流程，該型水下航行器在技術陣地完成規(guī)定的準備后，其各艙段、各系統(tǒng)和主要組件經過聯(lián)調檢測，完成整個航行器艙段合成[7]，基本狀態(tài)為：

(1)水下航行器的戰(zhàn)斗部內部引信組件裝有雷管組合件，水下航行器的殼體下部靜水壓蓋上，并內裝防水膜片；

(2)水下航行器的動力系統(tǒng)裝滿燃料，氣瓶裝上電爆活門，停車閥裝上電爆管。

在上述水下航行器上艦吊裝的基本狀態(tài)分析的基礎上，將在技術陣地準備好的水下航行器送往裝艦碼頭，在裝艦運輸過程中，使用專用運輸車，將水下航行器放在專用的包裝箱中，行車速度要適當，不能過快。將水下航行器運送到碼頭后，采用智能機械設備裝置進行上艦吊裝操作，在機械臂進行吊裝過程中，不得取下航行器頭部的保護帽和螺旋槳保護罩；在頭部和后部栓上保護繩，有專人負責保持水下航行器的兩頭處于平衡狀態(tài)，采用智能機械控制設備進行位姿控制，防止水下航行器滑落和與其它物體碰撞，在上艦吊裝過程中不允許碰撞和劃傷。

1.2 水下航行器上艦吊裝裝管實現(xiàn)

在將水下航行器采用智能機械臂吊裝到艦上后，需要將航行器裝管，首先將發(fā)射管轉到裝填位置，將水下航行器裝載小車推到裝管位置，調整其高度，確認航行器的中軸線與發(fā)射管軸線對準，在排氣閥上裝上推航行器的專用工具，核實水下航行器的4片全動舵對準發(fā)射管相應的凹槽，結合智能控制組件和驅動裝置，將水下航行器體推入管中，艦上裝管的日常維護內容見表1。

表1水下航行器艦上裝管的日常維護內容

Tab.1Routinemaintenanceofthepipeinstalledonboardofunderwatervehicle

項目處理措施殼體表面檢查不影響水下航行體的裝管、卸管和繼續(xù)使用不應有明顯的劃痕、掉漆返回技術陣地維修處理設定插座檢查如果設定插座出現(xiàn)銹蝕,用酒精擦拭,如果擦洗干凈,可繼續(xù)在管內等待發(fā)射,否則應卸管,退回技術陣地進行處理功能檢查每6個月進行一次定期檢查,采用參數(shù)設定與犬類功能檢查臺對魚雷進行功能檢查,檢查合格,該產品正常使用,如果出現(xiàn)異常,將航行器返回技術陣地維修處理

2 水下航行器上艦吊裝機械臂的運動學模型及力學參量分析

2.1 水下航行器上艦吊裝機械臂的運動學模型

為了實現(xiàn)對水下航行器上艦吊裝機械臂的穩(wěn)定控制，構建水下航行器上艦吊裝機械臂的慣性姿態(tài)融合空間運動學模型，需要進行水下航行器上艦吊裝機械臂的7自由度運動空間規(guī)劃，設計水下航行器上艦吊裝機械臂的7個旋轉自由度運動模型，采用末端位姿估計器進行水下航行器上艦吊裝機械臂的姿態(tài)特征傳感采集和控制約束參量分析[8]。對吊裝機械臂的智能控制是建立在水下航行器上艦吊裝機械臂工作物理環(huán)境參量信息的采集和力學傳感信息分析基礎上的，通過分布式傳感陣列基陣進行水下航行器上艦吊裝機械臂的力學數(shù)據(jù)采集和測量，采用敏感元件進行水下航行器上艦吊裝機械臂的慣性承壓力學分析，本文研究的水下航行器上艦吊裝機械臂為某多級的重力吊裝機械臂，采用 Numeca Fine/Turbo 軟件實現(xiàn)水下航行器上艦吊裝機械臂的承壓力學模型進行數(shù)字分析和力學計算[9]，建立水下航行器上艦吊裝機械臂耦合多體動力學模型，并通過求解力學特征方程得出水下航行器上艦吊裝機械臂的特征參量模型，得到水下航行器上艦吊裝機械臂承壓控制的基本幾何參數(shù)見表2。

表2 基本幾何參數(shù)模型

根據(jù)表2 的約束參量模型，建立水下航行器上艦吊裝機械臂承壓的承壓控制對象模型，在壓力傳感作用下，水下航行器上艦吊裝機械臂承壓的模態(tài)參量識別模型為：

X(n)=[x1(n),x2(n), ...,xm(n)]T

Wj(n)=[w1(n),w2(n),...,wm(n)]T,j

aj(n)=[a1(n),a2(n),...,am(n)]T,j

Yj-1(n)=[y1(n),y2(n),...,ym(n)]T,j

(1)

根據(jù)承壓控制的辨識參數(shù)模型，得到水下航行器上艦吊裝機械臂承壓控制的有限元分析模型。

2.2 上艦吊裝機械臂的載荷轉移機構承載力學分析

在構建水下航行器上艦吊裝機械臂承壓控制的約束參量模型，進行水下航行器上艦吊裝機械臂的載荷轉移機構承載力學分析，根據(jù)水下航行器上艦吊裝機械臂承壓控制的有限元分析模型進行特征分解，先采用6 維力傳感器進行機械臂的承壓力和應力屈服響應特征數(shù)據(jù)采集[10]，得到水下航行器機械臂承壓約束控制的特征矩陣R定義為：

R=X(n)XT(n)=

(2)

基于載荷轉移機構模型進行水下航行器上艦吊裝機械臂承壓的動態(tài)幾何特征參量排序，得到吊裝機械臂的應力屈服響應分布關系可以表示為：

λ1>λ2>...>λj-1>λj>...>λm

(3)

根據(jù)水下航行器上艦吊裝機械臂承壓的載荷轉移機構的承壓能力，得到機械臂的控制參數(shù)模型為：

(4)

根據(jù)吊裝機械臂在運動中的速度和加速度，結合柔性驅動分析方法，構建水下航行器上艦吊裝機械臂各連桿之間的載荷分布模型，進行水下航行器上艦吊裝機械臂的載荷轉移機構承載力學模型設計，提高機械臂的智能控制能力[11]。

3 機械臂的控制律優(yōu)化設計

在構建水下航行器上艦吊裝機械臂承壓控制的約束參量模型，進行水下航行器上艦吊裝機械臂的載荷轉移機構承載力學分析的基礎上，進行機械臂的控制律優(yōu)化設計，本文提出一種基于載荷轉移機構加載和末端姿態(tài)力學參量調節(jié)的水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制技術，通過自適應調整起重臂的受力方向，進行機械臂的承壓性能自適應調節(jié)和反饋控制，提高水下航行器上艦吊裝機械臂的載荷轉移控制能力。對水下航行器上艦吊裝機械臂的載荷轉移機構模型進行參數(shù)識別，得到加載力矩的逆壓可比矩陣為：

(5)

式中,s表示載荷轉移機構在角度θ的正弦，c表示取角度θ的余弦。在連續(xù)驅動下水下航行器上艦吊裝機械臂的擾動力矩為ω(k)，在6自由度空間模型中，得到水下航行器上艦吊裝機械臂的軸向壓力變換矩陣：

(6)

分析水下航行器上艦吊裝機械臂的承壓控制辨識參數(shù)為mj(j=1,2,…m)?mj∈M，結合反饋補償方法進行水下航行器上艦吊裝機械臂承壓力學控制，得到結構分布和相關參數(shù)模型為：

ui/j(k-1/k-1)=P(mi(k-1)/mj(k),zk-1)=

(7)

引入加載力的自適應調整系數(shù)，得到水下航行器上艦吊裝機械臂的承載力驅動方程為：

(8)

(9)

忽略水下航行器上艦吊裝機械臂的動力學和運動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響，結合反饋補償方法進行水下航行器上艦吊裝機械臂承壓力學控制，得到機械臂的力學空間分布函數(shù)為：

(10)

采用有限元動力學分析方法構建水下航行器吊裝機械臂的控制律，加載力/力矩聯(lián)合控制項為{Wfinal}，控制器參數(shù)特征量為：

(11)

構建上艦吊裝機械臂Lyapunov函數(shù)為：

(12)

對Lyapunov函數(shù)求導：

(13)

根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性原理，得到本文設計的控制律是穩(wěn)定的。引入機械臂的加載力向量，得到水下航行器上艦吊裝機械臂的穩(wěn)態(tài)誤差補償項為：

(14)

當?=±90°時，進行水下航行器的吊裝位置矯正，降低位姿調整誤差，提高水下航行器的上艦吊裝的位姿調整能力。

4 仿真實驗與結果分析

為了測試本文方法在實現(xiàn)某型水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制中的應用性能，進行仿真實驗。實驗采用Matlab 7 設計，采用三軸電子羅盤LSM303DLH進行水下航行器上艦吊裝機械臂的姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)采集，對吊裝機械臂的位姿參量采集的周期為0.56 s，姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)樣本的測試集規(guī)模為2 000，訓練數(shù)據(jù)集規(guī)模為100，水下航行器的直徑設定為324 mm，最大轉矩設定為28 KN·m，重心下移量為2～4 mm，靜傾角設定為+10°，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設定，進行該型水下航行器的上艦吊裝機械臂控制仿真測試，得到水下航行器吊裝機械臂的傳感力學參數(shù)采集結果如圖1所示。

圖1 水下航行器吊裝機械臂的力學參數(shù)采集

Fig.1Dataacquisitionofmechanicalparametersofhoistingmanipulatorofunderwatervehicle

以圖1的采集數(shù)據(jù)為控制輸入，進行機械臂智能控制，得到吊裝機械臂的控制輸出力矩如圖2所示。

分析圖2得知，本文設計的控制方法進行水下航行器的吊裝的力學配置性能較好，力矩輸出的收斂性較好。采用不同方法進行測試，得到控制收斂曲線對比結果如圖3所示，分析圖3得知，采用本文方法進行水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制的收斂性、穩(wěn)定性較好，對水下航行器吊裝過程的位姿跟蹤準確性較高，提高了水下航行器裝艦的安全性和智能性。

圖2 吊裝機械臂的控制輸出力矩

圖3 控制性能曲線分析

5 結束語

在某型水下航行器的技術準備中，需要把在技術陣地準備好的航行器裝載到艦上，并裝載在魚雷發(fā)射管中，實現(xiàn)水下航行器交付裝管，上艦吊裝是實現(xiàn)該型水下航行器發(fā)射準備的關鍵環(huán)節(jié)。采用智能機械臂進行吊裝控制，本文提出一種基于載荷轉移機構加載和末端姿態(tài)力學參量調節(jié)的水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制技術。建立上艦吊裝機械臂的移動平臺和動力驅動單元，結合反饋補償方法進行水下航行器上艦吊裝機械臂承壓力學控制，采用有限元動力學分析方法構建水下航行器吊裝機械臂的控制律，實現(xiàn)水下航行器上艦吊裝機械臂承壓力矩控制，提高水下航行器上艦吊裝的位姿自動調整能力。研究得知，采用本文方法進行水下航行器上艦吊裝機械臂智能控制的穩(wěn)定性較好，對水下航行器吊裝過程的位姿跟蹤準確性較高，提高了水下航行器裝艦的安全性，在水中兵器的上艦吊裝和保障中具有很好的應用價值。