副翼差分驅動機構運動分析

宋春雨 徐方舟 石小亮

摘 ?要：以RSSR空間機構為基礎構型構建了無人機副翼差分驅動機構，通過Adams建立虛擬樣機模型，對其進行運動特性分析，結果顯示運動精度滿足無人機控制需求。

關鍵詞：無人機;副翼;RSSR;差分機構;運動分析

中圖分類號：V224 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0082-02

Abstract： Based on RSSR spatial mechanism， design of differential mechanism for unmanned aerial vehicle（UAV） aileron， built the virtual prototype model with Adams， and the motion characteristics were analyzed， the results show that the motion precision meets the requirements of UAV control.

Keywords： unmanned aerial vehicle; aileron; RSSR; differential mechanism; kinematic analysis

引言

隨著無人機技術的發展，在軍用和民用領域，無人機得到越來越廣泛的應用。在軍事領域，無人機技術可以進行目標指示、偵查、反恐、情報搜集等用途;而在民用領域，無人機技術則可用于數據采集、環境監測、影視拍攝、災后救援、物流運輸、遙感測繪、農業噴藥等。

固定翼無人機作為目前研究較多無人機類型，其飛行姿態的控制往往是通過控制活動舵面的運動來實現，副翼是無人機的主操作舵面，利用左、右副翼差動偏轉所產生的滾轉力矩可控制無人機橫滾機動。無人機副翼偏轉通過舵機驅動，中間通過驅動機構將舵機輸出力傳遞到舵面，而驅動機構的傳遞特性將直接影響的無人機操縱性能。楊鋒平和孫秦對副翼平面六桿驅動機構進行了研究，針對其在機翼中的特殊構造，提出解析求解該機構的一種新算法，并建立滿足其在飛機副翼操縱系統中約束的優化模型[1]。謝習華、陳志偉和歐陽星等利用RSSR空間連桿機構作為副翼操縱系統的末端傳動機構，采用方向余弦矩陣法建立RSSR機構運動的數學模型，推導出該機構的位移方程，并在Adams軟件中對該機構進行參數化建模[2]。文獻[1]和[2]的左、右副翼運動依靠兩套獨立的機構分別控制，雖然獨立的兩套機構傳動系統較為簡單，但其控制系統相對復雜，存在舵面運動不同步，成本較高的缺陷;RSSR空間機構作為經典構型，利用兩套RSSR空間機構可構建副翼差分驅動機構，將有效簡化控制系統，提高控制精度。

1 副翼差分驅動機構構型

根據某無人機設計要求，需利用一套舵機實現左、右兩側副翼差分驅動，且在舵機-20°～+20°驅動轉角范圍內實現傳動比近似為1的線性傳遞，左、右副翼最大轉角偏差小于0.1°。RSSR空間四連桿機構作為機械領域中最常用、最基本的一種空間機構，具有傳動精度高、結構緊湊的優點，將RSSR連桿機構與不同類型機構組合可實現復雜的運動軌跡和規律。

以RSSR空間機構作為基本運動構型，通過串連與并連的方式搭建雙正交RSSR差分機構，構型如圖1所示。運動鏈ABCD控制左副翼運動，運動鏈AEFG控制右副翼運動，兩運動鏈采用相同的桿長條件和布置方式且關于驅動舵機對稱。以左側運動鏈為例，對差分機構構型進行說明，其中連桿1、3分別同機架構成轉動副（R副），連桿2分別與連桿1、3構成球副（S副）;驅動舵機軸與舵面轉軸為垂直布置，且初始位置時，連桿2與連桿1、3均呈垂直狀態。各連桿長度為LCD=LFG=LAE=LAB=100mm，LBC=LEF=300mm。

2 仿真分析

為分析雙RSSR副翼差分驅動機構運動特性，根據圖1差分機構構型示意圖，在多體動力學軟件ADAMS/View中建立虛擬樣機[3]，構件1與機架通過轉動副相連，并將其設置為驅動關節，構件2分別與構件1、構件3通過球副相連，構件4分別與構件1、構件5通過球副相連，構件3與構件5分別與機加通過轉動副相連，仿真分析模型如圖2所示。

設置驅動舵機以20sin（2πt）的正弦規律運動，對驅動機構輸入角度及輸出角度進行監測，驅動舵機運動角度曲線如圖3所示，左、右副翼角度偏轉曲線如圖4所示，從圖中可以看出，在整個運動過程中左、右副翼偏轉角度偏差如圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，當舵機運動轉角在-20°～+20°范圍內時，左副翼與右副翼的偏轉角度方向相反，且兩舵面偏轉角度與舵機轉角大小近似相等，達到了傳動比近似為1的差分運動目的。當舵機轉角為-20°時，右副翼偏轉角為+20.074°，最大角度偏差為0.074°，左副翼偏轉角為-19.926°，最大角度偏差為0.063°;當舵機轉角為+20°時，右副翼偏轉角為-19.927°，最大角度偏差為0.063°，左副翼偏轉角為20.074°，最大角度偏差為0.074°，滿足累計偏差小于0.1°的精度要求。

3 結論

以RSSR空間機構為基本構型設計了雙正交RSSR副翼差分驅動機構，在多體動力學軟件ADAMS/View中建立虛擬樣機，對差分驅動機構進行了運動分析，分析結果顯示左、右副翼偏轉角度大小相等，方向相反，最大轉角偏差為0.074°，滿足某無人機左、右副翼差動，在舵機-20°～+20°驅動轉角范圍內實現傳動比近似為1的線性傳遞，且左、右副翼最大轉角偏差小于0.1°的要求。

參考文獻：

[1]楊鋒平，孫秦.副翼六桿機構優化設計研究[J].機械科學與技術，2007，26（9）：1151-1154.

[2]謝習華，陳志偉，歐陽星，等.輕型飛機副翼操縱系統中改進的RSSR機構研究[J].航空工程進展，2017，8（2）：213-218.

[3]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].國防工業出版社，2014：67-93.