無人直升機著艦模擬系統(tǒng)設計

文/張萬益

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

艦船在海上受海浪、海風等干擾產(chǎn)生隨即的復雜運動，如橫搖、縱搖、偏航和深沉運動以及復合運動。船體的不規(guī)律運動大大增加了無人直升機著艦的困難程度。由文獻[1]的研究可以得出海浪譜僅由風速決定。其次，無人直升機為全自動控制著艦，缺乏直升機飛行員的主動辨識能力和風險規(guī)避能力，導致無人直升機著艦的風險比直升機更難控制。對于自動控制的無人直升機，在風浪中的艦船上起降要比陸地上起降復雜和危險得多。基于目前技術現(xiàn)狀，只有通過著艦模擬臺的方式在地面環(huán)境中完成無人直升機的艦面起降等科目飛行的驗證測試，可以做到對艦船的運動姿態(tài)逐步放大，運動復雜程度也可以做到逐步增加，實現(xiàn)艦船的運動姿態(tài)可控，文獻[2]確定了著艦模擬系統(tǒng)的控制系統(tǒng)原理和控制方法。達到降低無人直升機著艦風險、縮短研發(fā)周期和節(jié)約試驗成本、提高系統(tǒng)的可靠性和自動著艦成功率等目的。

1 驅動方式選擇

隨著科技進步和科學技術研究的深入，對驅動設備綜合性能要求越來越嚴格，液壓系統(tǒng)和電驅動系統(tǒng)技術成熟度較高，系統(tǒng)應用也非常廣泛。該著艦模擬系統(tǒng)運動范圍不大，但驅動系統(tǒng)需要承載的負載較大，著艦模擬臺配合陸地起降場地使用，運行場合是室外露天場地。用于模擬艦船的運動形式，即模擬海浪譜的運動。本著成本可控，經(jīng)濟高效、方便耐用，維護方便等原則對液壓驅動系統(tǒng)和電驅動系統(tǒng)進行分析見表1。

綜合對比得出，驅動方式選擇電驅動。

電動缸選型計算：

根據(jù)無人直升機的常用重量、著陸載荷確定無人直升機著艦模擬平臺的有效負載。根據(jù)上平臺重量和有效載荷進行電動缸選型。

2 動平臺設計

為保證無人直升機安全起降，應保證直升機的關鍵部件，如平尾、垂尾、尾槳榖等完全包含于動平臺平面內(nèi)。

起降平臺長度不易小于以下計算數(shù)值：

為保證直升機安全起降，旋翼應完全工作在動平臺上方，動平臺的寬度不易小于以下計算值。

公式中c-直升機主輪與起降平臺兩舷之間的距離，c=3.0～3.5

上平臺采用桁架結構，桁架結構設計主承力區(qū)和輔助承力區(qū)。既可以有效減輕上平臺整體重量，又可以保證上平臺剛度，減小變形量。桁架結構上鋪設專用甲板型材。承載區(qū)域為無人機降落區(qū)域，承受無人機降落時的沖擊載荷；非承載區(qū)域承受旋翼下洗氣流，平衡旋翼升力，保證無人直升機受力平衡。

3 虎克鉸設計及系統(tǒng)干涉檢查

球鉸鏈提供繞某一中心點轉動并承受運動過程中產(chǎn)生的作用力，從運動學的角度看，球鉸副約束了3各移動自由度，具有3個轉動自由度，傳統(tǒng)的球鉸鏈采用的結構是由空心球和內(nèi)實心球配合而成，兩球心重合，運動空間大。萬向鉸鏈（虎克鉸）實質上是約束了4個移動自有度（三個移動自有度和一個轉動自有度），具有兩個轉動自由度。

精密虎克鉸兩個方向最大擺動角度應滿足上平臺的各向大位移和大旋轉角度；軸承采用關節(jié)軸承，安裝方式為背對背結構，同時滿足了軸向徑向的受力。軸承潤滑采用外部強制潤滑，定期往軸承油槽中注入潤滑脂，保證摩擦力均勻順滑，同時最大限度保證軸承的正常使用壽命。同時精密虎克鉸外部采用全封閉結構，防止外部水份，灰塵等雜物進入軸承，保證整個結構的精度及壽命.受力軸的設計采用結合部圓弧過渡，最大限度減少加工應力，將材料性能發(fā)揮到最大限度，保證結構的受力穩(wěn)定性及安全性。

4 動平臺強度校核

為了使動平臺的固有頻率盡可能遠的避開無人機直升機的共振頻率。在設計中應對動平臺的強度進行校核。六自由度并聯(lián)機構平臺，適用工作范圍不大但負載較大的工作場合，利用Kane方法建立平臺的動力學方程，基于該模型求出平臺的質量矩陣和剛度矩陣，并進一步得到平臺的固有頻率方程，最后并進行虛擬樣機技術對其進行仿制分析，驗證模型準確性，為下一步振動研究提供理論依據(jù)。

5 控制系統(tǒng)設計

在海浪譜研究過程中，通過普通六自由度運動模擬器將海浪作為規(guī)則波形或規(guī)則波形的疊加波形進行處理，在艦船實際運動過程中是不規(guī)則的、并且是隨機波形。海浪譜為描述海浪運動的重要特征，表示了海浪的能量分布信息等。由于海浪的生成非常復雜，目前的海浪譜模型只是半經(jīng)驗、半理論的。皮爾遜一莫斯柯維奇譜簡稱P—M譜對北大西洋的海洋觀察資料進行譜分析[4]。P—M譜如下式所示：

表1：液壓平臺與電動平臺方案對比

其中：v為海面上19.5m高度處的平均風速；g為重力加速度。

由公式可以得出，P—M譜僅由風速決定，能較好地代表實際的隨機海浪譜。

想要動平臺的運動盡可能真實模擬艦船的運動形式，就必須盡可能準確的模擬海浪譜。目前無人直升機著艦模擬系統(tǒng)的控制方法有兩種：一種是集中控制方式，用一臺計算機實行全部控制功能，這對計算機和控制軟件要求比較高，控制集中，系統(tǒng)難以擴充；另一種是分布式控制方式，由幾臺計算機來承擔模擬器的控制功能。隨著分布式控制方式控制技術的發(fā)展和工業(yè)控制計算機的推廣使用，使得分布式控制方式可靠性、易于功能擴充、控制反應迅速，技術日趨完善。

6 控制系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以控制計算機為控制中心，控制計算機能實時采集電動缸的運動參數(shù)，并將其傳送給監(jiān)控計算機。運動平臺的各個缸為相對獨立的伺服控制回路。通過監(jiān)控計算機監(jiān)控軟件界面輸入有關模擬平臺的運動參數(shù)，控制計算機接收到監(jiān)控計算機的信息后，經(jīng)過空間運動模型變換，反解算出驅動桿的伸長量，控制計算發(fā)出的指令電壓信號指令經(jīng)D/A轉換卡后變成模擬量，再由伺服放大器轉換成電流信號，從而控制驅動桿的伸長量和位移變化速度；在機構運動的過程中，反饋單元（位移和力傳感器）進行信號的采集，將位移和力信號反饋給控制計算機，構成閉環(huán)控制，從而隨時調節(jié)驅動桿的位置，以此實現(xiàn)達到動平臺的精確控制。

PID 控制具有控制模型簡單，控制效果穩(wěn)定，對于控制對象數(shù)學模型依賴小。各電動缸的控制系統(tǒng)采用基于數(shù)字PID控制律的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制模型。電機控制具有良好的線性調速性能與力矩特性。同步電機控制，采用位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。控制指令參數(shù)與反饋參數(shù)的差作為 PID 控制器的輸入量，實現(xiàn)改善調節(jié)系統(tǒng)輸出。

控制系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成。內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對驅動桿的速度運動控制，內(nèi)環(huán)根據(jù)控制計算機的控制指令和位置傳感器反饋信號，進行數(shù)字PID控制算法計算后，經(jīng)D/A轉換卡發(fā)送信號給伺服放大器，控制驅動桿的伸縮運動；外環(huán)實現(xiàn)對動平臺的位置運動控制，控制計算機根據(jù)位置傳感器的反饋信號，進行數(shù)字PID控制算法計算后，給出內(nèi)回路的運動指令，實現(xiàn)動平臺的運動?？刂葡到y(tǒng)的外環(huán)主要是通過磁電編碼器的位置信號與控制指令輸入信號的差值作為位置環(huán)的輸入，位置環(huán)的輸出為速度指令，與磁電編碼器返回數(shù)值進行微分后的差值給速度環(huán)，作為速度環(huán)指令，速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的指令，輸出 d 軸電流和q 軸電流，d 軸電流指令直接給為 0，與電機采樣三相電流反饋電流做差作為電流環(huán)的指令如圖2為電流控制原理圖，直流系統(tǒng)經(jīng)過帶載特性為轉動慣量的改變，所以對直流系統(tǒng)的控制特性可以通過轉動慣量來調節(jié)。

圖1：控制系統(tǒng)

圖2：電流控制原理圖

7 結論

通過國內(nèi)外六自由度運動平臺技術研究現(xiàn)狀和國內(nèi)外艦載無人直升機的地面模擬試驗信息，結合無人直升機的研制需求和陸基模擬試驗要求，初步確定著艦模擬臺的技術要求，可以滿足無人直升機的著艦、系留和起飛的陸基模擬試驗要求。