地面無人機(jī)動平臺總體設(shè)計(jì)和動力性分析

完顏香麗，李守成，畢書浩，孫成全

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.75134部隊(duì) 保障處，廣西 崇左 532200）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的車輛系統(tǒng)因其帶來的交通事故、人力資源的浪費(fèi)、許多特殊場合（如火場、高輻射、重污染區(qū)等）無法操控等缺點(diǎn)，越來越不能滿足人類的需求。地面無人機(jī)動平臺因?yàn)榭梢钥朔陨先秉c(diǎn)，近幾年來得到了迅速的發(fā)展。目前，地面無人機(jī)動平臺不但在軍事上有著特殊的應(yīng)用價值，而且在公路交通運(yùn)輸中有著廣泛的應(yīng)用前景［1］。

地面無人機(jī)動平臺分為移動平臺、主控臺和通訊系統(tǒng)三部分，移動平臺可以實(shí)現(xiàn)有人駕駛，也可以在主控臺的遙控指揮下運(yùn)動并支持上裝部分完成使命。

1 移動平臺的總布置設(shè)計(jì)

移動平臺總布置設(shè)計(jì)包括主要尺寸參數(shù)的確定、主要質(zhì)量參數(shù)的確定、各總成選型以及總布置圖設(shè)計(jì)。

移動平臺的主要尺寸如表1所示，其主要質(zhì)量參數(shù)如表2所示。

表1 移動平臺主要尺寸參數(shù)mm

表2 移動平臺主要質(zhì)量參數(shù)

各總成選型及其主要參數(shù)如下：

（1）發(fā)動機(jī)型號：SOFIM 8142.43；最大輸出功率：83kW；額定功率轉(zhuǎn)速：3 600r/min；最大扭矩：269 N·m；發(fā)動機(jī)凈重：240kg，發(fā)動機(jī)尺寸：650mm×590mm×780mm。

（2）變速器為南京依維柯2840.6型五檔變速箱，各檔傳動比為6.362，3.482，2.263，1.474，1.000，倒檔傳動比為5.690。

（3）分動器為六行星輪4706分動器，速比為1，2.69。

（4）主減速器的傳動比為5.875。

（5）輪胎為255/70R22.5無內(nèi)胎越野子午線輪胎，靜力半徑為460mm，滾動半徑為430mm。

（6）GPS定位模塊選用NE-85GPS模塊，電子羅盤采用DCM220二維電子羅盤，慣性測量單元采用NV-IMU200，圖像采集單元采用?？礑S-2CD863PFE攝像機(jī)。

繪制總布置草圖是移動平臺總體設(shè)計(jì)和總布置的重要內(nèi)容，根據(jù)移動平臺性能要求和各總成的初步選型繪制移動平臺總布置示意圖，如圖1所示。

2 無人機(jī)動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面無人機(jī)動平臺控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想是將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、圖像采集處理技術(shù)等結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對移動平臺的監(jiān)視和控制。移動平臺用于承載上裝并支持上裝完成任務(wù)，應(yīng)包括行駛機(jī)構(gòu)、上裝系統(tǒng)、環(huán)境感知裝置、通信系統(tǒng)等。主控臺是指揮員對移動平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的控制平臺，用來完成行駛控制、上裝控制、信息融合處理、信息顯示和通信等功能。主控臺和移動平臺之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互。

圖1 移動平臺總布置草圖

2.1 移動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動平臺首先應(yīng)具有感知外界的能力，以監(jiān)視移動平臺的環(huán)境，獲得移動平臺周圍的信息并把這些信息通過通信系統(tǒng)傳遞到主控臺供操作員參考；其次，在接收到操作員的指令后，進(jìn)行基本運(yùn)動動作，如起步、加速、減速、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、越障、制動、停車、熄火等；第三，接收到相應(yīng)操作指令后支持所承載的上裝部分完成特定任務(wù)；第四，對于收集到的圖像信息數(shù)據(jù)，移動平臺要有預(yù)處理能力，由此來減少信息傳輸?shù)膲毫?，增加系統(tǒng)實(shí)時性；第五，移動平臺應(yīng)當(dāng)具有豐富的接口，有可擴(kuò)展性，可以在需要時添置相應(yīng)功能的傳感器或者外圍設(shè)備［2］。

移動平臺控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖和流程圖如圖2、圖3所示。

圖2 移動平臺控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.2 主控臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控臺即指揮控制中心的操控平臺。主控臺的主要工作是實(shí)時視頻監(jiān)控，顯示無人平臺網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)，遙控?zé)o人平臺行進(jìn)，指揮上裝工作等。主控臺要綜合處理無人平臺反饋回來的各種信息，并為指揮員提供良好的人機(jī)交互界面。主控臺要建立穩(wěn)定可靠的通信環(huán)境，快速準(zhǔn)確地與無人平臺進(jìn)行實(shí)時通信；要接收操作員的操作，并將操作轉(zhuǎn)換為控制命令，然后通過通訊系統(tǒng)發(fā)送給無人平臺；接收無人平臺命令執(zhí)行的結(jié)果并反饋給指揮員；完成視頻圖像的解壓和顯示；要將接收到的無人平臺的視頻錄像等文件導(dǎo)入到主控臺，并管理視頻文件；主控臺還要通過多路視頻實(shí)時監(jiān)控?zé)o人平臺四周，并及時指揮上裝工作［3］。圖4為主控臺硬件架構(gòu)圖，圖5為主控臺流程圖。

圖3 移動平臺控制流程圖

圖4 主控臺控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

圖5 主控臺控制流程圖

3 基于Cruise整車性能分析

根據(jù)地面無人移動平臺的總布置設(shè)計(jì)圖，利用Cruise軟件搭建其模型圖，如圖6所示。

根據(jù)各總成選型，將整車配置組件參數(shù)數(shù)據(jù)依次添加到vehicle data中，同樣添加變速箱檔位速比參數(shù)、后橋主減速比參數(shù)、輪胎參數(shù)、整車參數(shù)等。車輛數(shù)據(jù)添加完成之后，就可以進(jìn)行動力性仿真了。圖7為各檔爬坡性能曲線圖，圖8為各檔加速度圖；表3列出了各檔最大速度，表4給出了0km/h～100km/h加速時間。

由表3可得，該移動平臺最高車速vmax＝110km/h；由圖7可以得出，最大爬坡度為71.27%；由表4可得，0km/h～100km/h的加速時間為41.76s。

4 總結(jié)

目前，地面無人機(jī)動平臺有很大的市場需求，其涉及到的許多關(guān)鍵技術(shù)，如環(huán)境感知技術(shù)，圖像采集、處理及傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)還有待提高［4］。本文通過移動平臺總布置設(shè)計(jì)及其性能分析可得，所設(shè)計(jì)的移動平臺各性能滿足要求，在市場上有較好的應(yīng)用前景。

圖6 整車模型圖

圖7 各檔爬坡性能曲線圖

圖8 各檔加速度圖

表3 各檔最大速度

表4 0km/h～100km/h加速時間

［1］曾國棟，張殿富.國內(nèi)外無人地面武器機(jī)動平臺發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.科技信息，2009（36）：38-40.

［2］高峻峣，龔建偉.地面機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2003，11（1）：36-38.

［3］何忠波，陳慧巖.履帶式遙控車輛自動駕駛控制系統(tǒng)的研制［J］.工程機(jī)械，2003，34（10）：3-7.

［4］張敏，劉培志，徐英新，等.地面無人車環(huán)境感知關(guān)鍵技術(shù)研究［G］//第十五屆全國測試與故障診斷技術(shù)研討會論文集.西安：中國計(jì)算機(jī)自動測量與控制技術(shù)協(xié)會，2006：316-320.