蒋华剑，郭保全，郭张霞，傅海龙，刘国志

（1.武汉高德红外股份有限公司，武汉430200；2.中北大学，太原030051）

某新型武装侦察机器人武器站机电联合仿真

蒋华剑1，郭保全2，郭张霞2，傅海龙2，刘国志2

（1.武汉高德红外股份有限公司，武汉430200；2.中北大学，太原030051）

介绍某新型地面武装侦察机器人遥控武器站系统的组成，设计其PID三环位置伺服控制系统，并运用动力学软件ADAMS与控制仿真软件MATLAB/SimuLink，建立机器人遥控武器站的机电联合仿真系统，通过两款软件的交互运算，更为准确、全面地实现了系统仿真过程。仿真结果表明：控制系统的动态特性符合设计要求，可为同类无人化武器平台的设计提供一定的理论与工程借鉴。

武装机器人，PID控制算法，机电联合仿真

0 引言

某六履带轮履复合式武装侦察机器人，是一款兼具武装打击、战场侦察和高速机动能力的新型无人化武器装备。其武器单元主要由一款适用于小型平台的遥控武器站组成。武装侦察机器人的武器站伺服系统主要由方向机伺服系统和高低机伺服系统组成，通过上位机发送指令实现自动调炮、目标追踪和扫描侦察等功能。为了确保机器人在实际运用中能够具有较高的侦察效率和杀伤效能，应当将控制系统与机械系统对调炮精度的影响进行综合考虑［1］。

本文通过ADAMS/Controls接口，将ADAMS多体动力学模型与MATLAB/SimuLink控制模型结合起来，实现双向数据的交互运算。即SimuLink求解控制方程并向机械系统中的电机单元传递驱动控制信息，ADAMS求解系统方程并向控制系统反馈动力学输出变量，从而调节伺服系统的控制参数。通过这种方法，将两款软件的优点结合起来，可以更为全面、准确地对武装侦察机器人的武器系统进行运动控制研究［2］。

1 动力学模型建模

1.1 简化实体模型

在动力学仿真过程中，为了提高计算效率，需要对样机模型进行必要的简化。这个简化过程，必须以保证外观和质量分布与原型机高度接近为原则，否则将会影响计算结果的准确性。在Pro/Engineer中重建本文所设计武装侦察机器人的三维简化模型，并将装配文件以.x_t格式导入ADAMS中，如图1所示。

图1 ADAMS环境下简化后的虚拟样机

1.2 设定拓扑关系

研究的作战情境为：移动底盘四轮制动，翻转臂前后伸展且不着地，遥控武器站执行捕捉固定靶、移动靶等战术动作。之所以要求车轮不拆除而且翻转臂也不能着地，是因为这样可以充分体现静止状态下移动底盘与地面之间振动对武器站作业精度的影响。根据上述仿真情境，在ADAMS中对虚拟样机的34个零件进行拓扑关系定义，共设定29个固定约束、13个接触碰撞、4个旋转副、8个自由度和2个驱动如表1所示（由于篇幅限制，固定副关系在本表中不予列出）。

2 基于PID算法的伺服系统设计

采用基于PID算法的三环位置伺服系统对机器人武器站进行运动控制。通过对所选用电机与电子元件参数的数学建模［3］，在SimuLink环境下对方向机和高低机的伺服系统分别进行模块化建模，并运用经验法对PID参数进行整定［4］。整定后的方向机三环位置伺服系统如图2所示，高低机伺服系统框架结构与其相同。

表1 虚拟样机各部件拓扑关系表（部分）

图2中，APR为位置环控制器；ASR为速度环控制器；ACR为电流环控制器；PWM为可变功率放大器；MD（U-I）为电机模型中电压与电流之间的传递函数；MD（I-E）为电机模型中电流与电动势之间的传递函数；MD（Ce-n）为电机模型中感应电动势与转速之间的传递函数；Saturation是各环节为了保护电机而设定的限幅输入。

图2 某武装侦察机器人方向机伺服控制系统

3 机电联合仿真系统建模

3.1 设置状态变量

选用同轴减速伺服电机，即减速器同轴安装在伺服电机前方，两者作为一个整体单元应用在设备中。虚拟样机的扭矩测试点设置在减速器的输出轴上。后文中所提到的电机扭矩和转速，均是指经过减速器后输出的扭矩与转速。

在ADAMS中对虚拟样机设定状态变量如下：

（1）输入状态变量：①方向机电机输出转速FXVelocity；②高低机电机输出转速GDVelocity。

（2）输出状态变量：①方向机转角FXAngle；②方向机转速FXVelocity；③方向机电机输出扭矩FXMotorTorque；④高低机转角GDAngle；⑤高低机转速GDVelocity；⑥高低机电机输出扭矩GDMotor-Torque。

3.2 输出和设置宏文件

在ADAMS中建立输入、输出状态变量集，然后通过ADAMS/Controls输出接口软件为MATLAB的三个宏文件，并统一命名为Armedrobot。在MATLAB命令窗口中，先后输入Armedrobot和adams_sys，弹出某武装侦察机器人的机械系统数学模型，如图3所示。双击adams_sub模型后，打开ADAMS Plant进行机械系统算法设置。本文将Simulation mode选为discrete，这是对连续的机械系统进行离散化，即选用差分方程建模,这将有助于计算机的快速求解。通过图4所示虚拟样机adams_sub模块，还可以清晰看出本模型中输入、输出变量的分布情况。

3.3 建立联合仿真模型

在SimuLink环境下新建空白文件，并命名为robot，然后分别将方向机和高低机的伺服控制系统复制进来，再将adams_sys复制进来，设置控制系统模型与机械系统模型之间的连接与反馈关系，得到某武装侦察机器人武器站的机电联合仿真模型，如图5所示。

图3 虚拟样机adams_sys模型

图4 虚拟样机adams_sub模块

图5 机电联合仿真系统动态图

4 联合仿真与结果分析

在SimuLink中将求解器设置为ode45（Dormand-Prince），即采用自适应步长常微分方程数值解法，步长设置为0.005 s。

4.1 定位固定靶仿真与结果分析

采用阶跃波信号模拟上位机给定的固定靶位置信息，并进行联合仿真。方向机最大射角为360deg，高低机射角上限为45deg、下限为-30deg。以武器站为原点，取（-180deg，45deg）空间向量作为固定靶所在位置进行动态仿真。联合仿真结果如图6～图9所示。

由图6～图7可知，方向机经过0.1 2 s到达-180 deg角，0.55 s时稳定指向-180 deg，整个过程超调量为10.14%，稳态误差接近0.02 deg；高低机经过0.2 s指向45 deg角并稳定，整个响应过程无超调量，稳态误差为0.01 deg。可见，各项指标均足以满足武装侦察机器人追踪固定靶的响应速度和精度要求。

图6 方向机定位180°目标响应曲线

图7 高低机定位45°目标响应曲线

图8 方向机驱动电机输出扭矩曲线

图9 高低机驱动电机输出扭矩曲线

由图8与图9可知，武器站启动瞬间，电机达到峰值转矩；启动后，转矩逐渐降低，并在指向固定靶后震荡减速继而处于稳定值，方向机的稳定值为0，高低机由于需要克服枪械等重力以维持高低角所以稳定值为50 Nm。图中个别突刺是齿轮瞬间啮合碰撞所致，在进行电机和减速器选配时可以合理忽略这些变异点。

4.2 追踪匀速移动靶仿真与结果分析

采用斜波信号模拟匀速移动靶的位置信息，并进行联合仿真。由于高低机最大射角为45 deg，所以当摇架到达该射角时应当结束仿真并保持在该射角上，故尔需要给斜波信号增加一个时间限制开关。为了缩短仿真时间并观察方向机的启停特性，同样给方向机的斜坡信号也曾加一个时间限制开关，并定义方向机转至90 deg角时停止仿真并保持在该射角上。系统仿真结果如图10～图13所示。

由图10和图11可知，方向机从启动开始，经过0.12 s达到最大速度90 deg/s，然后匀速跟随目标至射角接近90 deg时开始制动，并在1.15 s时电机完全停转，最大追踪误差为3.7 deg；高低机从启动开始经过0.2 s稳定到最大速度60 deg/s，并匀速跟随目标至射角接近45 deg时制动电机，整个追踪过程用时0.88 s，最大追踪误差为2.75 deg。这里的追踪误差，主要是由于驱动电机在启停阶段实际速度小于预定追踪转速所致。

图10 方向机90 deg/s追踪靶标响应曲线

图11 高低机60 deg/s追踪靶标响应曲线

图12 方向机驱动电机输出扭矩曲线

图13 高低机驱动电机输出扭矩曲线

由图12可见，方向机驱动电机扭矩变化特性表征了方向机“启动-捕捉-随动-制动”这一典型追踪过程。通过图13可见，高低机驱动电机输出扭矩则呈现出非典型性的变化规律，主要表现在电机输出力矩先增加再降低，然后呈现近似线性的震荡式上涨。是由于驱动电机在快速启动并达到预定追踪速度后，“随动”过程中需要不断调整转速和扭矩来克服底盘与方向机的叠加振动干扰所导致。

4.3 追踪变速移动靶仿真与结果分析

采用正弦波信号模拟复杂变速移动靶的位置信息，并进行联合仿真。设定水平方向上靶标运动轨迹的幅值为A=90 deg，运动频率为f=1.57 rad/s（即90 deg/s）；竖直方向上靶标运动轨迹的幅值为A=30 deg，运动频率为f=1.046 7 rad/s（即60 deg/s）。系统仿真结果如图14～图17所示。

通过图14和图15可知，方向机经过1.04 s捕捉到目标，追踪过程中追踪误差随靶标的运动同样呈现出正弦波变化规律，最大误差为5.9 deg；高低机经过0.88 s捕捉到目标，最大误差为2.2 deg。

图14 方向机追踪往变速动靶标响应曲线

图15 高低机追踪变速运动靶标响应曲线

图16 方向机驱动电机输出扭矩曲线

图17 高低机驱动电机输出扭矩曲线

由图16可知，方向机驱动电机输出扭矩，随着靶标速度大小和方向的改变呈现出半弦波变化规律，峰值扭矩为110 Nm（个别因齿轮瞬间啮合产生的突刺，予以忽略）。由图17可知，高低机驱动电机输出扭矩，随着靶标速度大小和方向的改变呈现出近似梯形波的变化规律，最大值为35 Nm，而且在波谷均出现大幅度震荡现象。波谷对应着武器单元以最大速度经过水平位置时的电机扭矩，此时电机需要通过频繁调整转速和扭矩来稳定摇架在变向过程中的转动速度，所以出现上述现象。

5 结束语

本文分别建立了某武装侦察机器人的多体动力学模型及其武器站的三环位置伺服系统，然后通过ADAMS与MATLAB/SimuLink的联合仿真技术建立了机器人武器站的机电联合仿真模型，分别对武器站追踪固定靶、匀速移动靶和复杂变速移动靶3种情况进行了仿真研究，并对其响应特性和电机输出扭矩特性进行了总结与分析，得出了本文所设计遥控武器站的机械结构和伺服系统，能够满足某武装侦察机器人战技指标的结论。

［1］毛保全，刘新亮，汪凡，等.基于ADAMS和MATLAB的遥控武器站机电联合仿真[J].兵工自动化，2011，8（30）：27-30.

［2］燕玉林，廖自力，刘春光，等.轮毂电机惰轮独立驱动车轮机电联合制动控制策略[J].火力与指挥控制，2015，40（5）：120-123.

［3］冯国楠.现代伺服系统的分析与设计[M].北京：机械工业出版社，1990.

［4］刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

Mechanical-Electronic Co-Simulation for Remote Weapon Station of an Armed Reconnaissance Robot

JIANG Hua-jian1，GUO Bao-quan2，GUO Zhang-xia2，FU Hai-long2，LIU Guo-zhi2
（1.Wuhan Gaode Infrared Co.,Ltd.，Wuhan 430200，China；2.North University of China，Taiyuan 030051，China）

This paper describes the composition of a new type of ground remote weapon-armed and reconnaissance robot station system,and design its PID tricyclic position servo control system, meanwhile establish the electromechanical joint simulation system of the electromechanical remote weapon stations by using the dynamics simulation software ADAMS and control simulation software MATLAB/SimuLink,through which can get a more objective and accurate implementation system simulation through.The simulation results show that the dynamic characteristics of the control system meets the design requirements and this method can provide a certain engineering and theoretical reference for the design of similar unmanned weapons platforms.

armed robot，PID control algorithm，electromechanical joint simulation

TP242.3

A

1002-0640（2015）12-0128-05

2014-11-28

2015-01-12

蒋华剑（1986-），男，安徽定远人，工程师。研究方向：无人化武器关键技术。