搭载手枪的旋翼无人平台发射动力学研究

卢思航，庄 培，李忠新，蔡红明

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

当今无人机等新型作战装备参与作战，在战争中发挥的作用越来越重要。近年来城市作战的作战形式越来越常见，而小型旋翼机可由单人操控、体积小、价格低廉等优点也较符合城市作战的理念。但现在的小型旋翼机的最大用途为侦查，这对战场瞬息万变的形势十分不利，即要求根据不同的任务需求，实现一型飞机既能执行侦查、监视、通信、支援等功能，又可实现侦查与打击等一体化能力[1]。为了迎合“发现即摧毁”的作战理念，为小型旋翼机增加了能搭载手枪的枪架，它集侦查、攻击能力于同一平台上，极大地缩短了从发现到摧毁目标的时间。搭载了枪械的小型旋翼机与其他无人机平台相比有以下优点：(1)小型旋翼机价格低廉、操作简单，遂可以使用集群战术。在城市作战中，能迅速侦查到更多的敌方目标并可以进行打击，在数量上取得更大的优势。(2)与以往炸弹、火箭等杀伤源相比，枪械具有效率高、精度高、打击速度快等特点。

Adams 软件是美国MDI 公司开发的虚拟样机分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，更具有开放性的程序结构和多种接口，方便进行二次开发。但是对于控制系统的设计，Adams 只能处理一般的简单控制环节。相比之下，Matlab 能够处理各种复杂的高级控制环节，如智能控制系统。倘充分发挥两者的特点，将两者结合在一起使用，则给复杂机电系统的设计提供一种新方法[2-3]。

旋翼机在空中飞行时，其受力情况较为复杂。在其受到冲击载荷时，旋翼和机身所受到的空气阻尼在阻挡旋翼机翻转中起到了非常重要的作用，所以使用Adams软件进行动力学仿真不能模拟飞机真实的飞行状态，本文为旋翼机的六个旋翼设置了由Matlab编程的含有阻尼的可根据旋翼机不同飞行姿态进行改变的升力以及后向力，从而达到更加真实的仿真目的。

1 整体结构

整体结构主要有3大部分组成，分别是：旋翼机、云台、武器系统。旋翼机为六旋翼无人机，机重4.1 kg，电池重2 kg，旋翼总距为13 m，桨距为0.96 m，旋翼半径为0.45 m。旋翼机是整体系统运行的平台，负责提供动力、调整姿态等。武器系统为手枪，重1 kg。云台是连接武器与平台的接口，其中包含了缓冲系统、俯仰机构以及击发机构，其中俯仰机构由一个直推电机提供动力，可在0～30°内变速调控，击发机构由一个舵机带动齿轮齿条推动扳机。为了不影响各个系统电压电流的稳定性，飞机、直推电机以及舵机分别由三个锂电池供电。整体结构如图1所示。

2 虚拟样机

2.1 虚拟样机飞行控制系统

六旋翼无人平台的每个旋翼都由一个直流无刷电机驱动，电机由配套的直流调速器控制，直流调速器的指令由姿态控制器输出。整个控制系统就是一个多输入多输出的、强耦合的复杂机电系统[4]。

每个旋翼提供的升力、后向力根据不同的飞行姿态和旋翼转速进行调节，具体调节方式如图2所示。

2.2 联合仿真机械子系统

本文主要研究手枪发射时旋翼机姿态的变化规律，提出如下假设[5]：

1) 手枪发射时，枪架仅受过枪膛轴线、竖直向下的平面力系的影响；

2) 忽略射击时由手枪套筒后座所引起的质心后移的影响；

3) 无人平台所处环境为无风环境。

根据以上假设，将简化后的无人平台模型导入Adams软件中建立动力学模型如图3所示。添加各个运动部件的约束。为六个旋翼添加升力和后向力，由Matlab控制。将手枪看作为一个整体零件，受到射击时的后坐力，后坐力由手枪内弹道确定。本文中以射角为30°讨论分析无人平台姿态变化。

使用Adams中的Adams/control模块，设置参数后自动生成相关文件，通过该模块可实现Adams与Matlab之间的数据传递。在Adams中定义输入量与输出量，分别为：6个旋翼的升力和后向力共12个变量为输入量，存放Matlab中旋翼模块计算出的输出值；6个旋翼水平方向和竖直方向的速度分量、飞机俯仰角速度以及飞机俯仰角共14个变量为输出量，作为飞机姿态反馈输入Matlab。在Matlab的命令行中调用Adams/control模块(如图4所示)，之后再命令行中输入命令：adams_sys，即可产生旋翼机的机械子系统模块[6]。

由于无人平台模型在Adams中处于完全自由的状态，其俯仰角和俯仰角速度不可由软件自带测量函数直接得出，需要对测量值进行计算，俯仰角和俯仰角速度的计算函数如下：

机身俯仰角函数为：

真正意外的是，一向争强好胜的母亲并未因为父亲离家而崩溃，也从不在我面前数落父亲的不是；虽然，她的情绪变得更为喜怒无常，阴晴难料，对我的挑剔也日渐严苛起来。父亲并没有变成一个罪恶的形象，他只是在我和母亲目光相接的时刻里，变成了一个空白的轮廓。

ASIN(-DY(MARKER_63,MARKER_59)/891.14)

机身俯仰角速度函数为：

0.001122*(VZ(MARKER_59)-VZ(MARKER_63))/COS(ATAN((VY(MARKER_59)-VY(MARKER_63))/(VZ(MARKER_59)-VZ(MARKER_63))))

2.3 联合仿真控制系统

对无人平台的俯仰角和竖直方向与水平方向的线速度分量采用PID控制策略进行控制。通过控制六个旋翼的升力以及后向力，实现对无人平台的姿态控制。先使飞机处于水平飞行状态，然后加载枪械射击载荷，之后使用PID控制调整无人平台飞行姿态，要求平台达到平稳飞行状态，所以只对其俯仰角进行调控，即调整飞机前方两旋翼以及后方两旋翼的转速。

联合仿真控制系统如图5所示。

其中adams_sub为Adams软件的机械子系统，机械子系统输出飞机的俯仰角速度、水平线速度以及竖直线速度给xuanyi模块，输出俯仰角供PID调控旋翼转速，xuanyi模块通过旋翼转速、俯仰角速度、水平线线速度以及竖直线速度计算出旋翼提供的升力以及后向力，再反馈给飞机，调整飞机的姿态。

其中xuanyi模块中的升力和后向力的计算公式分别为式(1)和式(2)[7]：

(1)

(2)

在PID控制环节中，由于无人平台俯仰角变化曲线比较复杂，用阶跃信号难以描述俯仰角的目标曲线，且目标曲线与实际曲线的相差不能过大，所以目标曲线需要根据实际曲线的变化规律来进行拟合。在这里使用singal builder模块产生目标曲线信号供PID参考。图6为无控有阻尼平台俯仰角曲线。

在Matlab中使用signal builder模块通过描点法确定目标曲线。目标曲线如图7所示。

3 联合仿真结果分析

无人平台在未考虑空气动力的作用下，由于没有阻尼，其翻转角速度会保持不变，与实际情况不符。在有无阻尼情况下平台俯仰角变化如图8所示。

在PID控制环节中，signal builder模块作为目标曲线的输出，输出给PID控制器和实际曲线对比，进行PID参数的调节。整定的PID参数如下：

kp=10.47，ki=0.58，kd=0.3

在有PID控制的情况下，无人平台的俯仰角如图9所示。

由图9可看出：在0.2 s时，无人平台受到武器后坐力的作用开始翻滚，在旋翼空气阻尼的作用下，翻滚速度渐渐变慢。在0.28 s时，整个后坐体后坐到位并撞击缓冲架后端，对无人平台产生了一个后座冲量，无人平台继续加速翻转，在阻尼的作用下，无人平台翻转速度再次渐渐变慢，同时后坐体开始复进。在0.34 s时，后坐体复进到位并撞击缓冲架前端，又对无人平台产生了一个前冲冲量，无人平台翻转速度骤然下降，俯仰角渐渐趋于平衡。在0.6 s时PID开始控制，0.7 s时无人平台俯仰角开始变小，于1.15 s时到达第一个超调点，最终完成调控时间为1.55 s。

通过高速摄影机拍摄无人平台射击，并使用图像处理软件进行后处理，得到无人平台射击时俯仰角曲线。实验设备如图10所示。试验曲线与仿真曲线对比，如图11所示。

4 结论

本文设计了一种以手枪为武器的六旋翼无人平台枪架，使用ADAMS与MATLAB联合仿真模拟了枪械射击时无人平台的飞行姿态变化，并使用PID控制对旋翼转速进行控制，使无人平台恢复稳定。所得结论如下：

无人平台在射击时受到的冲击载荷较大，瞬时翻转角加速度较大，但时间较短。在PID控制的作用下，无人平台可以在短时间内恢复稳定，小型旋翼无人平台搭载冲击载荷武器是可行的。

本文建立的空中无人平台发射动力学模型正确，能够作为仿真的有效方法，对今后空中无人平台搭载冲击载荷武器的研究和设计有参考价值。

[1] 任宏光,刘颖.无人机侦察打击一体化武器系统发展[J].飞航导弹,2009(6):47-49.

[2] 衣袖帅,黄志刚,孙明涛.ADAMS和MATLAB联合仿真技术应用[J].食品科学技术学报,2009,27(5):14-17.

[3] 何亚银.基于ADAMS和MATLAB的动力学联合仿真[J].现代机械,2007(5):60-61.

[4] 胡锦添,舒怀林.基于Adams与Matlab的四旋翼飞行器控制仿真[J].自动化与信息工程,2012(5):25-28.

[5] 胡明,袁志华,李回滨.基于手枪的旋翼枪架设计与仿真[J].计算机仿真,2017,34(2):35-38.

[6] 马如奇,郝双晖,郑伟峰,等.基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究[J].机械设计与制造,2010(4):93-95.

[7] 李春华,徐国华.倾转旋翼机旋翼对机翼气动干扰的建模及分析[J].空气动力学学报,2008,26(2):156-162.

[8] 胡宇群.微型飞行器中的若干动力学问题研究[D].南京： 南京航空航天大学,2002.