微小型可重構移動作戰平臺系統設計

唐術鋒，郭子瑞，王國慶，王 旭，于 越

(內蒙古工業大學， 呼和浩特 010051)

近年來，隨著軍事技術的進步，戰爭形態也不斷改變，作戰體系的設計思路和研制策略也向自動化、微型化和模塊化的方向高速邁進[1]，具體包括：體系網絡化、操控智能化、結構模塊化和功能一體化[2]。目前，無人化作戰系統開始經受實際作戰環境的考驗[3]，未來的戰爭形態也將實現從信息時代到智能時代的跨越，而軍事武器在技術更新的推動下也需要兼備獨立作戰能力和集群作戰能力。

21世紀以來，歐美國家率先開始研制軍用移動作戰機器人，其中美國軍方研制的Talon(魔爪)軍用地面無人平臺[3]、“蜘蛛”無人地面戰車[4]、“天王星-9”多功能無人戰車[5]；以色列“守護者”無人車在2008年初開始在以色列國防軍中服役，具有態勢感知、自主機動和獨立決策等能力[6]；“龍行者”機器人是 QinetiQ公司在2010年推出的首款全模塊地面機器人，其可由一人帶標配背包進行操作[7]；DARPA聯合波士頓動力公司研制出一種新型的小型無人地面車SandFlea沙蚤機器人系統[8]；近幾年國內市場也涌現出許多微小型移動作戰機器人，如中國“五虎”微型地面無人戰車“GHRYSOR”、“MOSOR”、“ASENDRO EOD”、“ASENDROSCOUT”、“OFRO”[9]等。

依此設計了一種微小型可重構移動作戰平臺，其特點是基于“模塊化”、“可重構性”等思想，將作戰武器搭載在每個微小型移動作戰平臺上，通過每個作戰平臺之間的連接對接裝置，實現各個移動作戰平臺的可重構功能，多個移動作戰平臺可根據實際作戰需求進行兩種作戰模式的靈活轉換，即單個獨立移動作戰平臺網狀—分散式作戰模式和多個移動作戰平臺鏈式—集群式作戰模式，從而提高了整體作戰體系的靈活性和適應性。

1 微小型可重構移動作戰平臺總體方案

現階段,投入到軍事戰地的移動作戰平臺仍然大多沿用單兵作戰的舊模式，還存有單機移動作戰平臺攻擊力較弱、攻擊范圍較小、移動作戰平臺外形龐大等問題。故設計一種微小型可重構移動作戰平臺，將作戰武器或防御武器搭載到所設計的微小型移動作戰平臺，通過連接對接機構和遠程控制，將多個作戰平臺進行編組，實現了物理上的“共生混合”和“自主適應”[10]。既提升了整體作戰體系的靈活性又降低了設備的造價成本[11]。具體的協作作戰模式如圖1所示。

如圖1所示，進入作戰區域前，通過遠程控制將多個微小型移動作戰平臺進行編組重構[12]；進入實際作戰區域，依靠可重構對接裝置，自動劃分為網狀—分散式作戰模式和鏈式—集群式作戰模式。前者利用搭載在作戰平臺的不同傳感器，收集地形資料，取得精準的地位和觀測距離，后者利用鏈式結構特點，越過單體移動作戰平臺無法跨越的較寬縫隙，提升了移動作戰平臺在不同程度嚴峻地形的適應性，也有助于產生整體的協同作戰圖樣并提高對于整體戰爭的態勢感知；離開作戰區域時，通過遠程信號傳輸，將還有行走能力的移動作戰平臺進行再次重構，返回作戰基地，完成作戰資料收集和機體修復工作。

2 微小型可重構移動作戰平臺模塊設計

2.1 移動模塊的選擇

通過對實際作戰環境分析，可以發現其環境惡略、地形復雜，存在的障礙包括普通的粗糙地面、橫向距離較大的溝壑以及行進方向較高的縱向障礙等，而目前投入到作戰環境的移動作戰平臺的移動模塊基本分為輪式、履帶式、復合式3種類型，3種移動模塊的綜合性能如表1所示[13]。

表1 各類移動模塊綜合性能

通過以上分析，輪履復合式移動模塊具有較全面的行進能力，且無論是輪式移動機構還是履帶式移動機構都已經廣泛應用于裝甲車輛、工程機械等大型車輛行業，技術比較成熟，而所設計的微小型可重構移動作戰平臺是大型作戰車輛的一個縮微體，可以將現有成熟的技術應用在該移動作戰平臺。采用輪履復合式的移動模塊，不僅具有較強的越障能力，地形適應性也較高，負載能力也較強，所以可以適應復雜的非結構化環境。

2.2 微小型可重構移動作戰平臺的結構設計

根據實際作戰環境分析，所設計的單體移動作戰平臺采用輪履復合式的行進機構，具體設計如圖2所示。

圖2 單體移動作戰平臺的總體結構設計圖

如圖2所示，所設計的微小型可重構移動作戰平臺可分為4個模塊單元，車體主體單元、行走模塊單元、對接機構單元以及裝載武器單元。

3 微小型可重構移動作戰平臺越障分析

所謂越障性能是指越過障礙物的能力，除了對于較寬縫隙的跨越以外，越障性能的好壞最突出體現在翻越類似壁面障礙物的能力，故重點對此進行研究。

當壁面障礙物低于三角形履帶輪單輪的重心時，其應采取常規行走姿態越過障礙；當壁面障礙物高于三角形履帶輪單輪且低于整個三角輪的重心時，其應采取翻轉姿態越過障礙。為了有效測量該移動作戰平臺的極限越障高度，故只需考慮其翻轉姿態下的越障過程。由于微小型可重構移動作戰平臺采用輪履復合式的行走方式，針對其機構特性，分別對前輪(即三角形履帶式)、后輪(輪式)以及車體本體建立動力學平衡方程，并求解出該作戰平臺處于極限位姿情況下的若干重要參數，以判斷其是否可以實現越障功能。

當該移動作戰平臺水平向右運動時，最前端的三角履帶輪系開始接觸到障礙物，其運動狀態、運動方式開始有所改變，而且此時其履帶表面與障礙的接觸面積最大，故可認為此時的移動作戰平臺狀態是翻越障礙過程中的臨界位姿狀態。根據達朗貝爾原理，建立移動作戰平臺在極限位姿時的運動學模型，模型由前三角履帶輪系、后輪和車體3個部分的動力學平衡方程組式(1)～式(3)組成。模型后輪、前三角履帶輪系及車體在極限位姿受力模型如圖3所示。

圖3 模型后輪、前履帶輪系及車體在極限位姿受力模型示意圖

(1)

(2)

(3)

前三角履帶輪系的質心位置的表達式為：

(4)

其中?=π/6+ωt。

后輪的質心位置的表達式為：

(5)

車體的質心位置的表達式為：

(6)

在前三角履帶輪系接觸前方障礙時，移動作戰平臺車體的慣性旋轉角度θ1與前三角履帶輪系翻轉角度?之間的關系表達式為：

L3·sinθ1=L1·sin?-L1·sin(π/6)

(7)

(8)

式中J3表示模型車體的轉動慣量。

由于該臨界位姿位置可以看作整個車體翻轉的起始位置，故設定t=0，并將數值代入式(8)，然后將其與式(1)、式(2)和式(3)聯立，可得式(9)、式(10)和式(11)：

(9)

(10)

(11)

式(9)、式(10)、式(11)是對該移動作戰平臺在極限位姿下的動力學平衡方程。

現將已完成實體建模的微小型移動作戰平臺的真實參數代入上式，驗證在極限狀態下該模型的力矩需求是否小于所選減速器輸出的最大力矩，進而驗證其越障能力的可行性，具體模型參數如表2所示。

表2 微小型移動作戰平臺的模型參數

假定當作戰平臺處于極限位姿時，前三角履帶輪系所帶電機提供ω=1 rad/s的角速度，將ω的值代入式(9)，式(10)和式(11)中，通過Matlab計算求解得到T1=2.34 N/m，小于減速器的瞬時最大轉矩，因此可以順利的完成越障等運動。

4 微小型可重構移動作戰平臺協同作戰體系

由于實際戰時環境復雜，包含垂直壁面障礙，跨度較大縫隙等影響作戰平臺前進的地形因素，故需要其實現跨越障礙、轉彎避障等運動，以此來完成協同作戰等功能。

4.1 對于較低垂直壁面障礙的協同運動策略

當微小型移動作戰平臺遇到前方有較低垂直壁面障礙時，其垂直距離需低于前三角形履帶輪系的重心(如臺階等)，利用運動模塊中的三角形履帶模塊，翻轉跨越壁面障礙，合理性已在第三節驗證完畢。具體運動策略示意圖如圖4所示。其中圖(a)～圖(e)為一個運動周期。

圖4 越過較低垂直壁面的運動策略示意圖

4.2 對于較寬縫隙的協同運動策略

當單體移動作戰平臺遇到行進前方有較寬的縫隙無法跨越時，需要利用連接對接裝置，將多個移動作戰平臺串聯編組，將連接關節鎖緊，合力通過縫隙，具體協同運動策略示意圖如圖5。

圖5 越過較寬縫隙的運動策略示意圖

4.3 微小型可重構移動作戰平臺協同作戰體系

由于該微小型移動作戰平臺其具有可重構性，通過改變裝載武器單元模塊，搭載不同的作戰武器和探測傳感器，以此來滿足協作作戰需求。搭載的武器單元模塊包括火炮、TNT炸藥等進攻性武器，還有檢測雷達等通訊類裝置。對于更為復雜的實際作戰需求，未來將可以搭載更強大的攻擊性武器和防御性武器，同時也需要加強與無人機等空中作戰設備的聯系，形成“陸—空”兩軍聯合作戰體系。具體協同作戰體系模擬示意圖如圖6。

圖6 微小型可重構移動作戰平臺協同作戰體系模擬示意圖

5 結論

結合實地作戰環境，提出了一種微小型可重構的標準化移動作戰平臺，創新性的提出了由三角形履帶與輪子組成的輪履復合式行進機構，完成了移動作戰平臺的運動學分析和越障性能分析，闡述了微小型可重構移動作戰平臺的協同運動策略，并提出在實際作戰中移動作戰平臺可以實現網狀—分散式和鏈狀—集群式兩種作戰模式，為實際作戰模式提供了新的思想和決策。