某型無人直升機(jī)拖車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳永建，申煥萍，張采泉

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

無人直升機(jī)裝卸是在無人直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)前后將其從地面裝載到運(yùn)輸車以及從運(yùn)輸車卸載到地面而進(jìn)行的一項(xiàng)工作[1]。目前某型無人直升機(jī)的裝卸工作由地面平板拖車、車載平板拖車和電葫蘆裝置協(xié)作完成，如圖1所示。這種方法裝載時(shí)，需要4人將機(jī)體抬上平板拖車，之后將機(jī)體拉至運(yùn)輸車方艙附近；接著操作電葫蘆將機(jī)體豎直拉起，拉起過程中需要扶住機(jī)體以防止磕碰損傷；當(dāng)機(jī)體起落架達(dá)到運(yùn)輸車底面高度時(shí)，旋轉(zhuǎn)電葫蘆支臂將機(jī)體放置于方艙內(nèi)；最后在艙內(nèi)將機(jī)體再次人工抬起搬至車載平板拖車上并固定。

該裝卸方法存在諸多弊端，如拖運(yùn)機(jī)體時(shí)耗費(fèi)大量人力，艙內(nèi)空間狹小，人力搬動(dòng)機(jī)體極為不便，進(jìn)出艙時(shí)機(jī)體自由度過多帶來安全隱患等。因此，亟需改進(jìn)當(dāng)前基于平板拖車的無人直升機(jī)裝卸方法，實(shí)現(xiàn)一種人力投入少，操作便捷性高，機(jī)體和人員安全風(fēng)險(xiǎn)低的裝卸方法。

圖1 平板拖車裝卸無人直升機(jī)

裝卸方法改進(jìn)的關(guān)鍵在于替代人力完成機(jī)體拖運(yùn)和限制進(jìn)出艙時(shí)機(jī)體的自由度。為此，本論文提出了一種基于機(jī)電化拖車的無人直升機(jī)裝卸方法，并詳細(xì)闡述該新型拖車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)電化拖車裝卸方法

機(jī)電化拖車裝卸方法在運(yùn)輸車后端加裝液壓尾板以替代電葫蘆完成機(jī)體豎直方向的搬運(yùn)工作；設(shè)計(jì)機(jī)電一體化的拖車以替代人力完成機(jī)體水平方向的搬運(yùn)工作；在尾板和方艙上布置拖車導(dǎo)軌以限制拖車(機(jī)體)自由度；在運(yùn)輸車艙內(nèi)布置鎖緊電機(jī)以固定機(jī)體。

無人直升機(jī)裝載與卸載互為逆過程，以裝載為例，系統(tǒng)工作的一般過程是：機(jī)體在地面時(shí)，拖車托架將機(jī)體架設(shè)到拖車上，通過控制拖車進(jìn)艙運(yùn)動(dòng)將機(jī)體裝載到尾板上并固定，再控制尾板豎直上升運(yùn)動(dòng)至方艙底面，最后控制拖車沿著導(dǎo)軌進(jìn)艙運(yùn)動(dòng)至艙內(nèi)所需位置并固定。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成與控制原理

2.1.1 系統(tǒng)組成

鑒于某型無人直升機(jī)尺寸較小，運(yùn)輸車可同時(shí)并排容納2架機(jī)體，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了整套拖車裝卸控制系統(tǒng)，控制2輛拖車以提高裝卸工作效率。拖車裝卸控制系統(tǒng)由拖車、PLC[2]控制中心、PLC信號(hào)輸入、PLC信號(hào)輸出等分系統(tǒng)組成，其中各分系統(tǒng)部件詳見表1。

表1 各分系統(tǒng)部件列表

2.1.2 控制原理

系統(tǒng)控制原理如圖2所示。拖車控制系統(tǒng)控制模式分為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式，通過撥動(dòng)模式選擇開關(guān)進(jìn)行選擇。手動(dòng)控制模式時(shí)，操作人員直接通過拖車上的手動(dòng)控制盒控制拖車上的執(zhí)行器。自動(dòng)控制模式時(shí)，操作人員通過自動(dòng)控制盒將操作信息輸入給PLC，同時(shí)PLC接收各類傳感器信息；PLC控制程序根據(jù)所獲得的信息，輸出控制拖車、尾板和鎖緊電機(jī)；其中控制拖車是無線通信方式間接控制。自動(dòng)控制盒、手動(dòng)控制盒操作按鈕示意圖如圖3所示。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路分為系統(tǒng)控制箱電路和拖車控制箱電路兩部分。

2.2.1 系統(tǒng)控制箱電路

系統(tǒng)控制箱電路概圖如圖4所示，主要包括：電源、自動(dòng)控制盒、傳感器(限位開關(guān))、西門子PLC 222、西門子PLC EM223、無線發(fā)射模塊、尾板控制繼電器、鎖緊電機(jī)繼電器等器件及其電路。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

圖3 自動(dòng)控制盒(左)，手動(dòng)控制盒(右)

圖4 系統(tǒng)控制箱電路概圖

2.2.2 拖車控制箱電路

無人直升機(jī)拖車控制系統(tǒng)控制左右兩輛拖車，每輛拖車獨(dú)立擁有1套拖車控制箱電路。拖車控制箱電路概圖如圖5所示，主要包括：電源、手動(dòng)控制盒、無線接收模塊、各類控制繼電器、電動(dòng)插銷(電磁鐵)、進(jìn)出艙電機(jī)、托架升降電機(jī)、拖車升降電機(jī)、激光燈等器件及其電路。

圖5 拖車控制箱電路概圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件功能

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，軟件滿足如下要求：

1) 具有采集自動(dòng)控制盒操作信息、傳感器信息的功能；

2) 具有輸出控制拖車、尾板、鎖緊電機(jī)、蜂鳴器的功能；

3) 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制模式；

4) 實(shí)現(xiàn)故障自診斷及報(bào)警功能。

2.3.2 子程序設(shè)計(jì)

為保證控制程序結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試高效，設(shè)計(jì)了軟件所需調(diào)用的子程序，各子程序及其功能詳見表2。

表2 各子程序及其功能

2.3.3 程序運(yùn)行流程圖

根據(jù)系統(tǒng)對自動(dòng)控制、手動(dòng)控制兩種模式所需實(shí)現(xiàn)的功能要求，編制程序運(yùn)行流程圖，如圖6所示。

圖6 程序運(yùn)行流程圖

2.3.4 程序編寫與仿真

在西門子PLC的開發(fā)環(huán)境STEP7 Micro/WIN中采用梯形圖的形式編寫所需程序。在開發(fā)環(huán)境中編譯最終形成的工程程序，輸出的仿真文件導(dǎo)入到仿真軟件S7_200.exe中進(jìn)行仿真。通過手動(dòng)操作PLC的相應(yīng)輸入，觀察輸出燈及內(nèi)部儲(chǔ)存位的數(shù)值，以判斷程序是否實(shí)現(xiàn)所需邏輯功能。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

軟件仿真通過后，將程序下載到運(yùn)輸車艙內(nèi)系統(tǒng)控制箱的PLC機(jī)中運(yùn)行測試。經(jīng)實(shí)際操作測試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了拖車的自動(dòng)控制模式功能與手動(dòng)控制模式功能。

自動(dòng)控制模式時(shí)，拖車從運(yùn)輸車方艙初始位置出艙將無人直升機(jī)卸載到地面的步驟如下(如非特殊說明，所有操作按鈕均在自動(dòng)控制盒上)：

1) 操作人員按下自動(dòng)控制盒“出艙”按鈕，鎖緊電機(jī)松開，釋放機(jī)體；

2) 鎖緊電機(jī)松開限位開關(guān)有效后，拖車托架升降電機(jī)做上升動(dòng)作，托架托起機(jī)體上升運(yùn)動(dòng)；

3) PLC上升定時(shí)時(shí)間到，電動(dòng)插銷解鎖，拖車進(jìn)出艙電機(jī)做出艙動(dòng)作；

4) 當(dāng)拖車電動(dòng)插銷到達(dá)尾板限位孔時(shí)，尾板限位孔處限位開關(guān)有效，拖車自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)；

5) 按下“尾板下降”按鈕，液壓尾板開始下降；

6) 當(dāng)尾板下降到地面時(shí)，尾板下降限位開關(guān)有效，尾板自動(dòng)停止下降；

7) 按下“出艙”按鈕，電動(dòng)插銷解鎖，拖車出艙運(yùn)動(dòng)至地面；

8) 按下手動(dòng)控制盒“拖車上升”按鈕，拖車升降電機(jī)頂起拖車，驅(qū)動(dòng)輪脫離地面后，人工將拖車移動(dòng)至指定地點(diǎn)；

9) 按下手動(dòng)控制盒“托架下降”按鈕，托架下降運(yùn)動(dòng)，機(jī)體起落架下降至地面后，人工移動(dòng)拖車，最終拖車與機(jī)體分離，完成無人直升機(jī)卸載工作。

拖車從地面進(jìn)艙將無人直升機(jī)裝載到運(yùn)輸車方艙初始位置的過程為其出艙的逆過程，不再贅述。

4 結(jié)束語

某型無人直升機(jī)拖車裝卸控制系統(tǒng)以通用PLC控制技術(shù)為平臺(tái)，巧妙地將機(jī)體的裝卸工作轉(zhuǎn)化為步驟明確、軌跡固定的拖車運(yùn)動(dòng)和尾板運(yùn)動(dòng)，從根本上扭轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)裝卸過程中人力投入多、操作便捷性差、機(jī)體安全隱患大、人員人身安全受到威脅的局面。此外，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了故障實(shí)時(shí)診斷及處理的功能和互為冗余的自動(dòng)、手動(dòng)2種控制模式，使得裝卸工作更加安全、可靠、便捷。仿真、測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)裝卸工作的機(jī)電化，達(dá)到了降低裝卸工作風(fēng)險(xiǎn)，提高裝卸工作效率的目的。