某小型無人化作戰平臺機電聯合仿真

吳 迪，顧祖成，王永娟，徐 誠

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

近年來隨著反恐作戰的需求，小型無人化作戰平臺成為國內外爭相研究的熱點和焦點。相比較裝備大口徑機槍的武器站，小型無人化作戰平臺以小口徑槍械為武器，具有體積小、質量輕、射擊精準、較強的機動性等優勢,更加適于反恐作戰。

小型無人化作戰平臺是一個典型的復雜機電系統，為檢驗是否滿足戰場需求，有必要采用機電聯合仿真的方式進行設計。郭華新等[1]基于遙控武器站模型進行伺服位置系統的仿真，仿真結果驗證了機電聯合仿真方案的可行性，為遙控武器站的研究奠定了基礎。王傳有等[2]建立了武器站剛柔耦合動力學模型，結果表明將某型機槍安裝在武器站上，其動態特性有所改變，為同類裝備研發提供了理論依據。

為了驗證小型無人化作戰平臺設計的可行性，本文通過UG NX、ADAMS和Matlab/Simulink軟件建立小型無人作戰平臺的三維模型、動力學模型，并設計模糊PID的控制策略進行機電聯合仿真，得到了階躍跟蹤曲線及電機角速度、角位移與扭矩隨時間變化的曲線。

1 小型無人化作戰機電聯合仿真流程

該小型無人化作戰平臺仿真流程如圖1所示。本文采用UG NX軟件建立三維模型，將實體模型轉成x_t格式[3-4]，導入到ADAMS中，施加合理的載荷與約束，同時建立控制系統變量接口、定義輸入、輸出變量。在Matlab/Simulink軟件中建立控制系統模型與動力學系統接口連接，進行聯合仿真[5-6]。若結果符合要求，則進行記錄，否則通過修改控制策略與模型結構的方式，修正仿真結果。

圖1 機電聯合仿真總體流程框圖

2 動力學模型建模

2.1 建立三維模型與虛擬樣機

該小型無人化作戰平臺由上位機、武器系統、方向與高低回轉部件、光電組件和控制組件組成。武器系統為帶有首發裝填裝置的03式5.8 mm突擊步槍；光電組件進行視頻采集與目標測距任務；方向與高低回轉部件作用是完成旋轉調槍諸動作；通過操作上位機將命令發送給控制組件，控制組件解析指令后完成調轉角度、首發裝填、測距等動作，系統組成如圖2所示。

圖2 小型無人化作戰平臺系統組成框圖

本文采用UG NX軟件建立小型無人化作戰平臺的三維模型，在ADAMS仿真軟件中施加合理的約束。為了提高計算效率，有必要對三維模型進行簡化，但需要保證模型質量與原型樣機無過大差別，以保證結果的準確性[8]，三維簡化模型如圖3所示。

圖3 小型無人化作戰平臺三維簡化模型

裝配完成后，將模型以x_t格式導入ADAMS軟件中，定義相應的材料屬性并添加相應的約束。該小型無人化作戰平臺的工作情況為：底座固定于地面上，電機(含減速機構)驅動方向回轉部件與高低回轉部件轉動，對目標進行跟蹤。支撐架用于連接方向、高低回轉部件與武器系統，因而與武器系統采用固定約束，與回轉部件采用回轉副進行約束，部分約束關系如表1所示。

表1 小型無人化作戰平臺約束關系

3 建立模糊自適應PID控制器模型

本文設計了基于電機位置環的模糊PID控制系統，可自動修正比例、積分、微分3個參數，同時具有模糊控制與PID控制的優點，控制精度高、響應迅速、魯棒性好[8-9]。在Matlab/Simulink軟件中建立仿真系統模型，如圖4所示。

圖4 基于模糊自適應PID的三閉環Simulink模型框圖

其階躍跟蹤曲線與階躍誤差曲線如圖5、圖6所示。由于方向與高低回轉部件采用的是同種型號電機，設定不考慮動力學的影響，兩個電機仿真結果相同。如圖5所示，當輸入信號為階躍信號時，產生輕微的超調現象，穩定時間為0.18 s。為了模擬電機轉動時武器系統射擊的情況，在1 s時突加0.1 N·m負載干擾，如圖7、圖8曲線所示，可以看到，該控制系統具有一定的抗干擾能力。

圖5 階躍跟蹤曲線

圖6 階躍誤差曲線

圖7 突加負載階躍跟蹤曲線

圖8 突加負載階躍誤差曲線

4 小型無人化作戰平臺機電聯合仿真

4.1 構建仿真模型

構件機電聯合仿真模型，需要先在ADAMS中定義輸入變量與輸出變量，與Matlab/Simulink控制系統部分之間形成閉環回路[10]，以實現動力學模型與控制系統部分聯合仿真。在ADAMS中定義輸入變量為電機扭矩，輸出變量為電機角速度，如圖9所示。

圖9 機電聯合仿真閉合回路示意圖

在Matlab/Simulink中運行Controls_Plant_fuzzy，輸入ADAMS_sys，在ADAMS_sub模塊中設置參數。聯合仿真中，先使方向回轉部件向左旋轉45°，再令高低回轉部件向上旋轉10°，仿真時間均為2 s。減速器減速比為53.5∶1，因此方向電機旋轉2407.5°，即42 rad；高低電機旋轉535°，即9.33 rad。根據電機型號與戰術指標，要求機電聯合仿真中方位電機角速度不超過27.6 rad/s，高低電機角速度于不超過14 rad/s，電機扭矩不大于7.2 N·m。基于位置環模糊PID的小型無人化作戰平臺機電聯合仿真模型如圖10所示。

圖10 基于位置環模糊PID的小型無人發射裝置機電聯合仿真Simulink框圖

4.2 仿真結果分析

位置環仿真結果如圖11、圖12所示。方位電機在1.6 s達到穩態，轉動位置為42 rad，基本無超調；高低電機在0.6 s達到穩態，轉動位置為9.3 rad，輕微超調。

圖11 方位電機位置曲線

圖12 高低電機位置曲線

速度環仿真結果如圖13、圖14所示。由圖13、圖14可知，方位電機實際速度在1.6 s內隨著電機輸入速度先增加后減小，1.6 s停止轉動；高低電機實際速度在0.6 s內隨著電機輸入速度先增加后減小，0.6 s停止轉動。方位電機速度未超過27.6 rad/s，高低電機角未超過14 rad/s，因而符合技術指標要求。

圖13 方位電機速度曲線

圖14 高低電機速度曲線

電機扭矩環仿真結果如圖15、圖16所示。由圖15、圖16可知，方位電機轉矩在1.6 s降為0 N·m；高低電機轉矩在0.6 s降為-2.3 N·m。高低電機停止轉動后進行限位，需要一定扭矩克服武器系統質量，方位電機停止轉動后則不存在限位扭矩。由電機性能參數可知，電機峰值力矩為7.2 N·m，電機扭矩的仿真結果滿足電機技術指標。

圖15 方位電機扭矩曲線

圖16 高低電機扭矩曲線

5 結論

本文在ADAMS環境下建立了該小型無人化作戰平臺的動力學模型，通過Matlab/Simulink軟件構建了模糊PID自適應控制系統，并進行了兩者的聯合仿真及分析，得到了其角位移、角速度與扭矩隨時間變化的曲線，結果表明控制精度高、誤差小、響應迅速、魯棒性好，驗證了該小型無人化作戰平臺的機械結構與控制策略滿足設計需求，可為同類裝備的基礎研究提供參考。