无人直升机着舰模拟系统设计

文/张万益

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001）

舰船在海上受海浪、海风等干扰产生随即的复杂运动，如横摇、纵摇、偏航和深沉运动以及复合运动。船体的不规律运动大大增加了无人直升机着舰的困难程度。由文献[1]的研究可以得出海浪谱仅由风速决定。其次，无人直升机为全自动控制着舰，缺乏直升机飞行员的主动辨识能力和风险规避能力，导致无人直升机着舰的风险比直升机更难控制。对于自动控制的无人直升机，在风浪中的舰船上起降要比陆地上起降复杂和危险得多。基于目前技术现状，只有通过着舰模拟台的方式在地面环境中完成无人直升机的舰面起降等科目飞行的验证测试，可以做到对舰船的运动姿态逐步放大，运动复杂程度也可以做到逐步增加，实现舰船的运动姿态可控，文献[2]确定了着舰模拟系统的控制系统原理和控制方法。达到降低无人直升机着舰风险、缩短研发周期和节约试验成本、提高系统的可靠性和自动着舰成功率等目的。

1 驱动方式选择

随着科技进步和科学技术研究的深入，对驱动设备综合性能要求越来越严格，液压系统和电驱动系统技术成熟度较高，系统应用也非常广泛。该着舰模拟系统运动范围不大，但驱动系统需要承载的负载较大，着舰模拟台配合陆地起降场地使用，运行场合是室外露天场地。用于模拟舰船的运动形式，即模拟海浪谱的运动。本着成本可控，经济高效、方便耐用，维护方便等原则对液压驱动系统和电驱动系统进行分析见表1。

综合对比得出，驱动方式选择电驱动。

电动缸选型计算：

根据无人直升机的常用重量、着陆载荷确定无人直升机着舰模拟平台的有效负载。根据上平台重量和有效载荷进行电动缸选型。

2 动平台设计

为保证无人直升机安全起降，应保证直升机的关键部件，如平尾、垂尾、尾桨榖等完全包含于动平台平面内。

起降平台长度不易小于以下计算数值：

为保证直升机安全起降，旋翼应完全工作在动平台上方，动平台的宽度不易小于以下计算值。

公式中c-直升机主轮与起降平台两舷之间的距离，c=3.0～3.5

上平台采用桁架结构，桁架结构设计主承力区和辅助承力区。既可以有效减轻上平台整体重量，又可以保证上平台刚度，减小变形量。桁架结构上铺设专用甲板型材。承载区域为无人机降落区域，承受无人机降落时的冲击载荷；非承载区域承受旋翼下洗气流，平衡旋翼升力，保证无人直升机受力平衡。

3 虎克铰设计及系统干涉检查

球铰链提供绕某一中心点转动并承受运动过程中产生的作用力，从运动学的角度看，球铰副约束了3各移动自由度，具有3个转动自由度，传统的球铰链采用的结构是由空心球和内实心球配合而成，两球心重合，运动空间大。万向铰链（虎克铰）实质上是约束了4个移动自有度（三个移动自有度和一个转动自有度），具有两个转动自由度。

精密虎克铰两个方向最大摆动角度应满足上平台的各向大位移和大旋转角度；轴承采用关节轴承，安装方式为背对背结构，同时满足了轴向径向的受力。轴承润滑采用外部强制润滑，定期往轴承油槽中注入润滑脂，保证摩擦力均匀顺滑，同时最大限度保证轴承的正常使用寿命。同时精密虎克铰外部采用全封闭结构，防止外部水份，灰尘等杂物进入轴承，保证整个结构的精度及寿命.受力轴的设计采用结合部圆弧过渡，最大限度减少加工应力，将材料性能发挥到最大限度，保证结构的受力稳定性及安全性。

4 动平台强度校核

为了使动平台的固有频率尽可能远的避开无人机直升机的共振频率。在设计中应对动平台的强度进行校核。六自由度并联机构平台，适用工作范围不大但负载较大的工作场合，利用Kane方法建立平台的动力学方程，基于该模型求出平台的质量矩阵和刚度矩阵，并进一步得到平台的固有频率方程，最后并进行虚拟样机技术对其进行仿制分析，验证模型准确性，为下一步振动研究提供理论依据。

5 控制系统设计

在海浪谱研究过程中，通过普通六自由度运动模拟器将海浪作为规则波形或规则波形的叠加波形进行处理，在舰船实际运动过程中是不规则的、并且是随机波形。海浪谱为描述海浪运动的重要特征，表示了海浪的能量分布信息等。由于海浪的生成非常复杂，目前的海浪谱模型只是半经验、半理论的。皮尔逊一莫斯柯维奇谱简称P—M谱对北大西洋的海洋观察资料进行谱分析[4]。P—M谱如下式所示：

表1：液压平台与电动平台方案对比

其中：v为海面上19.5m高度处的平均风速；g为重力加速度。

由公式可以得出，P—M谱仅由风速决定，能较好地代表实际的随机海浪谱。

想要动平台的运动尽可能真实模拟舰船的运动形式，就必须尽可能准确的模拟海浪谱。目前无人直升机着舰模拟系统的控制方法有两种：一种是集中控制方式，用一台计算机实行全部控制功能，这对计算机和控制软件要求比较高，控制集中，系统难以扩充；另一种是分布式控制方式，由几台计算机来承担模拟器的控制功能。随着分布式控制方式控制技术的发展和工业控制计算机的推广使用，使得分布式控制方式可靠性、易于功能扩充、控制反应迅速，技术日趋完善。

6 控制系统工作原理

系统以控制计算机为控制中心，控制计算机能实时采集电动缸的运动参数，并将其传送给监控计算机。运动平台的各个缸为相对独立的伺服控制回路。通过监控计算机监控软件界面输入有关模拟平台的运动参数，控制计算机接收到监控计算机的信息后，经过空间运动模型变换，反解算出驱动杆的伸长量，控制计算发出的指令电压信号指令经D/A转换卡后变成模拟量，再由伺服放大器转换成电流信号，从而控制驱动杆的伸长量和位移变化速度；在机构运动的过程中，反馈单元（位移和力传感器）进行信号的采集，将位移和力信号反馈给控制计算机，构成闭环控制，从而随时调节驱动杆的位置，以此实现达到动平台的精确控制。

PID 控制具有控制模型简单，控制效果稳定，对于控制对象数学模型依赖小。各电动缸的控制系统采用基于数字PID控制律的位置环、速度环和电流环的三闭环控制模型。电机控制具有良好的线性调速性能与力矩特性。同步电机控制，采用位置环，速度环和电流环的三闭环控制。控制指令参数与反馈参数的差作为 PID 控制器的输入量，实现改善调节系统输出。

控制系统由内环和外环组成。内环实现对驱动杆的速度运动控制，内环根据控制计算机的控制指令和位置传感器反馈信号，进行数字PID控制算法计算后，经D/A转换卡发送信号给伺服放大器，控制驱动杆的伸缩运动；外环实现对动平台的位置运动控制，控制计算机根据位置传感器的反馈信号，进行数字PID控制算法计算后，给出内回路的运动指令，实现动平台的运动。控制系统的外环主要是通过磁电编码器的位置信号与控制指令输入信号的差值作为位置环的输入，位置环的输出为速度指令，与磁电编码器返回数值进行微分后的差值给速度环，作为速度环指令，速度环的输出作为电流环的指令，输出 d 轴电流和q 轴电流，d 轴电流指令直接给为 0，与电机采样三相电流反馈电流做差作为电流环的指令如图2为电流控制原理图，直流系统经过带载特性为转动惯量的改变，所以对直流系统的控制特性可以通过转动惯量来调节。

图1：控制系统

图2：电流控制原理图

7 结论

通过国内外六自由度运动平台技术研究现状和国内外舰载无人直升机的地面模拟试验信息，结合无人直升机的研制需求和陆基模拟试验要求，初步确定着舰模拟台的技术要求，可以满足无人直升机的着舰、系留和起飞的陆基模拟试验要求。