魏代強(qiáng),戰(zhàn)仁軍,劉翰諾
(武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,西安 710086)
四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)無(wú)人車的動(dòng)力性參數(shù)設(shè)計(jì)仿真
魏代強(qiáng),戰(zhàn)仁軍,劉翰諾
(武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,西安 710086)
四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)無(wú)人車的輪轂電機(jī)功率、蓄電池容量與組數(shù)以及無(wú)人車?yán)m(xù)駛里程等參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)是無(wú)人車研制過(guò)程中整體設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn),需要通過(guò)無(wú)人車運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行確定,既要滿足可行性又要具有很好的可靠性。根據(jù)實(shí)際需要和動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求,在對(duì)無(wú)人車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論計(jì)算得到動(dòng)力性參數(shù),然后通過(guò)ADVISOR軟件建立四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)整車仿真模型,對(duì)其動(dòng)力性進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真,其最高車速、爬坡性能、加速性能以及行駛里程在不同的工況下得到仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)的參數(shù)相吻合,驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性,為下一步無(wú)人車樣機(jī)的制作以及進(jìn)行整車運(yùn)動(dòng)控制研究具有重要實(shí)際意義。
無(wú)人車,動(dòng)力性,ADVISOR仿真
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,以計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和芯片控制技術(shù)等為基礎(chǔ)的無(wú)人車發(fā)展研究逐漸受到各國(guó)的重視。在民用方面,具有自主導(dǎo)航能力的無(wú)人車由于其先進(jìn)的處理器相比人腦反應(yīng)更快,因此,相比有人駕駛更加智能和安全,并且不會(huì)產(chǎn)生疲勞。在軍用方面,無(wú)人車可代替士兵執(zhí)行的任務(wù)包括偵察、排雷、監(jiān)視等,能夠減少人員傷亡和提高戰(zhàn)斗效率。同時(shí)這些自主移動(dòng)無(wú)人車非常靈活,可以穿越復(fù)雜地形,部分型號(hào)的車輛可以裝備機(jī)槍等攻擊性武器,極大地提高了部隊(duì)的戰(zhàn)斗力[1]。
目前大部分無(wú)人車的動(dòng)力由動(dòng)力電池提供。因?yàn)槲覈?guó)的一些電池和電機(jī)等技術(shù)還有待進(jìn)一步提高,目前電動(dòng)汽車還都處在一定的研發(fā)初級(jí)階段。因此,如何更好地匹配和優(yōu)化電動(dòng)汽車各個(gè)動(dòng)力部件參數(shù),對(duì)提高電動(dòng)汽車動(dòng)力性、增加其續(xù)駛里程具有重要意義[2]。本文以正在研究的無(wú)人車為背景,對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行合理選擇和匹配計(jì)算,由于ADVISOR軟件中沒(méi)有相應(yīng)的純電動(dòng)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的汽車仿真模型,因此,本文在已有的純電動(dòng)車模型的基礎(chǔ)上新建四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電機(jī)、車輪和鉛蓄電池等動(dòng)力部件的仿真模型及整車模型,對(duì)整車的動(dòng)力性進(jìn)行了仿真分析。
無(wú)人車動(dòng)力性系統(tǒng)參數(shù)匹配主要是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系參數(shù)的設(shè)計(jì)和動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)等。由于本文研究的無(wú)人車采用輪轂電機(jī),直接驅(qū)動(dòng)車輪,沒(méi)有傳動(dòng)結(jié)構(gòu),因此,在此不作傳動(dòng)系參數(shù)的設(shè)計(jì)。
1.1 整車基本參數(shù)設(shè)計(jì)
無(wú)人車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖1所示。
圖1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
通過(guò)圖1,可以看出整車的動(dòng)力由動(dòng)力蓄電池提供,通過(guò)逆變器給輪轂電機(jī)供電,電機(jī)在控制器的控制下提供動(dòng)力。電池的容量和電壓,輪轂電機(jī)的功率的大小是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際需要和動(dòng)力性的設(shè)計(jì)要求,整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力性參數(shù)如表1所示。
表1 整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力性指標(biāo)
1.2 輪轂電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)
無(wú)人車采用的驅(qū)動(dòng)方式是四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),選用輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率對(duì)無(wú)人車的加速性能、爬坡性能和最高車速有至關(guān)重要的影響。其值應(yīng)不低于無(wú)人車以最高車速行駛的功率,也要能滿足汽車以某車速爬坡的功率,還要滿足汽車加速行駛的功率需求。通過(guò)對(duì)輪轂電機(jī)和無(wú)人車的運(yùn)動(dòng)建模和動(dòng)力學(xué)分析,無(wú)人車的牽引力由輪轂電機(jī)提供,主要克服地面摩擦力和空氣阻力,因此,無(wú)人車的行駛方程式[3]為:
式中,Ttq為電機(jī)轉(zhuǎn)矩;ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率;r為車輪半徑;M為無(wú)人車整備質(zhì)量(Kg);g為重力加速度(m/s2);o為爬坡度(°);f為滾阻系數(shù);CD為空阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積(m2);δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);t為加速時(shí)間(s);igi為變速箱速比,io為主減速比(因?yàn)闊o(wú)人車采用的是輪轂電機(jī),因此,令igi=io=1)。
1.2.1 輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩
輪轂電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)該滿足電動(dòng)汽車所設(shè)計(jì)的最大爬坡度,根據(jù)式(1)可知:
其中,α取最大爬坡度20%,爬坡速度V取8 km/h。求解公式得到輪轂電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)是855.33 N·m,無(wú)人車采用四輪驅(qū)動(dòng),因此,每個(gè)輪轂電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為213.83 N·m,取過(guò)載系數(shù)為2.5,則每個(gè)輪轂電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為85.53 N·m。
1.2.2 輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速
輪轂電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)該對(duì)應(yīng)著汽車行駛時(shí)的最大車速:
其中,np為最大轉(zhuǎn)速,Vmax為設(shè)計(jì)的最大行駛的速度??梢缘玫捷嗇炿姍C(jī)的最大轉(zhuǎn)速為860 r/min。
1.2.3 輪轂電機(jī)的功率
(1)最高時(shí)速時(shí)的功率選擇
無(wú)人車在水平路面上進(jìn)行行駛時(shí),根據(jù)汽車的行駛平衡方程,無(wú)人車以最高車速行駛的功率為
式中,Pmaxs最高車速對(duì)應(yīng)的輪轂電機(jī)功率(kw);Vmax無(wú)人車的最高車速(km/h);通過(guò)計(jì)算:Pmaxs=10.28。
(2)最大爬坡度時(shí)的功率選擇
無(wú)人車在爬坡或下坡時(shí),通過(guò)對(duì)車輛受力分析可知,車輛受到滾動(dòng)阻力、空氣阻力和爬坡阻力的作用,若最大坡度為α?xí)r,無(wú)人車行駛的功率為:
式中,Pmaxg最大坡度時(shí)對(duì)應(yīng)的輪轂電機(jī)功率(kw);Vo爬坡時(shí)汽車的行駛速度(km/h);α最大坡度(%);通過(guò)計(jì)算得到,Pmaxs=6.89。
(3)根據(jù)加速時(shí)間的功率選擇
無(wú)人車在水平路面上由靜止的狀態(tài)下加速到速度V時(shí),受到滾動(dòng)阻力和空氣阻力的作用,則無(wú)人車達(dá)到一定速度的加速時(shí)的功率為:
式中,Pacct加速階段對(duì)應(yīng)的輪轂電機(jī)功率(kw);V無(wú)人車的加速末速度(km/h);t加速時(shí)間(s);通過(guò)計(jì)算得到,Pacct=13.16。
(4)輪轂電機(jī)功率的確定
以上功率是在無(wú)人車進(jìn)行最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間的3種情況下得到的,取其中最大值作為額定功率,同時(shí)為避免出現(xiàn)超載現(xiàn)象而導(dǎo)致電機(jī)的損壞,最后計(jì)算應(yīng)乘以過(guò)載系數(shù)λ,輪轂電機(jī)峰值功率為:
式中,Pmm為輪轂電機(jī)的峰值功率;λ為過(guò)載系數(shù);Pe為額定功率。
通過(guò)以上計(jì)算確定輪轂電機(jī)額定功率為14 kw,峰值功率為20 kw。由于是四輪驅(qū)動(dòng),因此,每個(gè)輪轂電機(jī)的功率為3.5 kw。
1.3 蓄電池的參數(shù)設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池組是由單體電池串聯(lián)組成的一個(gè)整體,單體電池的數(shù)量決定電池組的輸出電壓和輸出功率。電池組容量的選擇需要滿足純電動(dòng)汽車的空間結(jié)構(gòu)和行駛里程的要求。
1.3.1 電池組單體電池?cái)?shù)量的選擇
電池組的輸出電壓要能滿足電動(dòng)機(jī)的工作電壓,由此確定單體電池?cái)?shù)量為:
其中:Nb為單體電池的數(shù)量;Um_min為電動(dòng)機(jī)的最小工作電壓(V);Ub_min為單體電池的最小輸出電壓(V);根據(jù)計(jì)算得到:Nb=6。
1.3.2 電池組容量的選擇
電池組的容量會(huì)影響純電動(dòng)汽車的整車質(zhì)量,與行駛里程更是相互制約,電池組容量的選擇要能保證純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和行駛里程。
行駛里程和平均行駛速度計(jì)算:
其中:C電池組容量(A·h);Pave平均輸出功率(kW);L純電動(dòng)汽車行駛里程(Km);Vave車輛平均行駛速度(Km/h);Uer電動(dòng)機(jī)額定電壓(V);根據(jù)計(jì)算得到:
通過(guò)計(jì)算,達(dá)到無(wú)人車行駛要求的動(dòng)力性的參數(shù)表設(shè)計(jì)為表2所示:
表2 動(dòng)力性參數(shù)設(shè)計(jì)值
利用汽車仿真軟件ADVISOR進(jìn)行無(wú)人車的動(dòng)力性仿真,針對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。汽車仿真軟件ADVISOR是美國(guó)能量部為其管理混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)子合同項(xiàng)目在1994年11月份而開(kāi)發(fā)的,它是通過(guò)內(nèi)部子模塊進(jìn)行組裝,基于MATLAB/SIMULINK環(huán)境下設(shè)計(jì)的一典型模塊化仿真軟件[4]。ADVISOR的仿真計(jì)算分為兩條路線,一條是后饋路線,主要是解決了如果要達(dá)到所要求的汽車速度,驅(qū)動(dòng)鏈應(yīng)該向上要多大的功率,它的方向是從下向上傳遞的(如從車輪一>變速器一>電機(jī)),也稱為要求路線(require);另一條是前饋路線,解決已經(jīng)從上面?zhèn)鬟f來(lái)這么多功率,應(yīng)該能向下面?zhèn)鬟f多大實(shí)際功率,進(jìn)而在汽車驅(qū)動(dòng)車輪上稱獲得多大的驅(qū)動(dòng)力來(lái)計(jì)算實(shí)際的汽車車速,它的方向是從上向下傳遞的(如從電機(jī)一>變速器一>車輪),稱為實(shí)際/獲得路線(actual/available,achievable)[5]。純電動(dòng)汽車的仿真頂層模塊圖如下頁(yè)圖2所示,由于軟件中沒(méi)有關(guān)于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車模型,且沒(méi)有輪轂電機(jī)的模型,因此,需要針對(duì)現(xiàn)有的后輪驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車進(jìn)行改進(jìn),建立新的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車模型。
2.1 加速和爬坡性能仿真
通過(guò)對(duì)軟件advisor中已有的文件進(jìn)行改進(jìn),建立四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車模型,按照上節(jié)中整車參數(shù)設(shè)計(jì)和動(dòng)力性參數(shù)設(shè)計(jì)值進(jìn)行參數(shù)仿真,仿真結(jié)果如下頁(yè)圖3~圖7所示。
圖2 純電動(dòng)車的仿真頂層模塊圖
加速性能仿真結(jié)果:
圖3 加速性能仿真結(jié)果
圖4 無(wú)人車車速V(km/h)與時(shí)間t(s)關(guān)系
圖5 蓄電池的電量狀態(tài)隨時(shí)間t(s)變化關(guān)系
圖6 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T(N·m)與時(shí)間t(s)關(guān)系
圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)與時(shí)間t(s)關(guān)系
從仿真結(jié)果來(lái)看,圖3可知加速性能的結(jié)果:0到30 km的加速時(shí)間為10.9 s,從30 km到額定車速60 km的時(shí)間為21.4 s,也就是說(shuō),在平坦的路面上,無(wú)人車從0加速到額定車速的時(shí)間為32.3 s,達(dá)到最大車速的時(shí)間為78 s。其中,最大的加速度為1.6 m/s2,5 s內(nèi)的行駛距離為17.8 m,能夠達(dá)到最大的車速為131.2 km/h。從圖5中可以得到車輛在加速過(guò)程中鉛蓄電池的電量狀態(tài)隨時(shí)間的變化。從圖6和圖7中可以得到車輛在加速過(guò)程中的電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化,無(wú)人車起步階段,轉(zhuǎn)矩迅速增大,以獲得較大加速度。隨無(wú)人車速度的提高,轉(zhuǎn)矩逐漸降低,車輪轉(zhuǎn)速不斷增加。
爬坡性能仿真結(jié)果:
從仿真結(jié)果來(lái)看,無(wú)人車在8 km/h的車速,電池滿電量的情況下,最大爬坡為26.6%,其中爬坡時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為167.512 8 N·m,轉(zhuǎn)速為41.249 r/min。
圖8 爬坡性能仿真結(jié)果
圖9 無(wú)人車車速V(km/h)與時(shí)間t(s)關(guān)系
圖10 蓄電池的電量狀態(tài)隨時(shí)間t(s)變化
圖11 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n(r/min)與時(shí)間t(s)關(guān)系
圖12 電機(jī)轉(zhuǎn)矩T(N·m)與時(shí)間t(s)關(guān)系
2.2 典型路況仿真
首先選擇等速法對(duì)無(wú)人車的行駛里程進(jìn)行仿真。在CYC_CONST_60工況下進(jìn)行連續(xù)循環(huán)次數(shù)30次的仿真,以測(cè)試無(wú)人車在60 km/h的恒速下,車輛的續(xù)航里程。CYC_CONST_60工況的循環(huán)時(shí)間為360 s,行駛距離6.04 km,速度恒為60 km/h。得到續(xù)航里程隨時(shí)間曲線如下頁(yè)圖13所示,在此工況下汽車的最大巡航里程為100.67 km。
其次選用工況法對(duì)行駛里程進(jìn)行仿真。針對(duì)實(shí)際路況的情況,選擇常用的仿真循環(huán)工況,即美國(guó)的城市驅(qū)動(dòng)工況CYC_UDDS對(duì)無(wú)人車進(jìn)行仿真。其速度曲線如圖14所示。
圖13 無(wú)人車60 km/m恒速下續(xù)駛里程s(×104m)與時(shí)間t(s)的關(guān)系
圖14 美國(guó)城市驅(qū)動(dòng)工況CYC_UDDS下速度與時(shí)間、載重關(guān)系曲線
從圖14中可以看出,在載重量為零的情況下,車速隨著道路路況的不同,速度由高到低,直至停止,后又起步加速行駛。美國(guó)城市驅(qū)動(dòng)工況的循環(huán)周期為1 369 s,行駛里程為11.99 km,平均速度為31.51 km/h,最大的速度為91.25 km/h,平均加速度為0.5 m/s2,其中間停車次數(shù)為17次。將循環(huán)次數(shù)設(shè)置為20次,仿真結(jié)果如圖15~圖20所示。
圖15 美國(guó)城市驅(qū)動(dòng)工況CYC_UDDS下加速性能和爬坡性能測(cè)試
圖16 無(wú)人車車速V(km/h)與時(shí)間t(s)關(guān)系
圖17 蓄電池的電量狀態(tài)隨時(shí)間t(s)變化
圖18 無(wú)人車行駛里程s(×104m)隨時(shí)間t(s)變化
圖19 無(wú)人車輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間t(s)變化
圖20 無(wú)人車的牽引力隨時(shí)間t(s)的變化
由仿真結(jié)果圖15可以看出,由于出現(xiàn)實(shí)際的道路工況,模擬仿真值與之前的獨(dú)立仿真有差別,但是差別不大。圖16中,循環(huán)工況中要求達(dá)到的車速,無(wú)人車仿真過(guò)程中均能達(dá)到,因此,兩條速度曲線重合,最大的車速為91.25 km/h。從圖17和圖18可以看出,在電量完全放完的情況下,無(wú)人車在CYC_UDDS工況下,行駛了4個(gè)循環(huán),行駛里程為47.96 km。由于進(jìn)行道路循環(huán)工況中,需要起步、加速和減速停車等仿真操作,因此,耗電量增加,行駛里程相比在CYC_CONST_60工況下降低很多。通過(guò)進(jìn)一步修改參數(shù),將電池的容量改為200 A·h時(shí),通過(guò)仿真,能夠達(dá)到的續(xù)駛里程為95.92 km,達(dá)到了實(shí)際要求,仿真結(jié)果如圖21所示。圖19和圖20可以看出隨著路況的不斷變化,無(wú)人車的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和整車的牽引力隨著不斷變化,來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)人車的車速,負(fù)數(shù)代表整車處于制動(dòng)狀態(tài)中。
圖21 無(wú)人車行駛里程s(×104m)隨時(shí)間t(s)變化
2.3 動(dòng)力性仿真結(jié)果分析
通過(guò)理論計(jì)算值與仿真值的對(duì)比可以看出,不論是單獨(dú)對(duì)無(wú)人車的加速性能和爬坡性能進(jìn)行仿真,還是通過(guò)實(shí)際的路況進(jìn)行仿真,都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求,0到30 km/h的加速時(shí)間均控制在10 s左右,爬坡能力均能達(dá)到設(shè)計(jì)的坡度20%。在對(duì)蓄電池的行駛里程的單獨(dú)仿真過(guò)程中,續(xù)航里程能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求100 km,但是在實(shí)際路況中,由于多次的起步停車,消耗了較多電量,因此,未能達(dá)到設(shè)計(jì)的續(xù)駛里程,通過(guò)進(jìn)一步重新選取電池容量,將電池容量選為200 A·h,仿真結(jié)果達(dá)到無(wú)人車對(duì)行駛里程的要求。
通過(guò)對(duì)無(wú)人車的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力學(xué)分析,建立無(wú)人車的運(yùn)動(dòng)模型。通過(guò)對(duì)無(wú)人車的動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)無(wú)人車的動(dòng)力部分輪轂電機(jī)和鉛蓄電池的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)汽車仿真軟件ADVISOR對(duì)無(wú)人車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,對(duì)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)看,無(wú)人車動(dòng)力性參數(shù)設(shè)計(jì)合理可靠,對(duì)下一步無(wú)人車的運(yùn)動(dòng)控制研究具有重要意義。
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Parameter Design and Simulation of Dynamic Property for Four-wheel Independent Drive Unmanned Vehicle
WEI Dai-qiang,ZHAN Ren-jun,LIU Han-nuo
(Engineering College of CAPF,Equipment Engineering College,Xi’an 710086,China)
It is a difficulty and key,which is that they are studied to acquire the accurate parameters to match the design for the four-wheel independent drive unmanned vehicle,which are the power of in-wheel motor,the numbers and capacity of battery and the driving range and other parameters.They are determined by the unmanned vehicle kinematics and dynamics analysis,and should not only meet the feasibility and to have good reliability.According to the actual needs and requirements of dynamic property design,the dynamic parameters is obtained by theoretical calculation on the basis of the unmanned vehicle kinematics and dynamics analysis,and then We establish vehicle simulation model with ADVISOR software applications,which can be used to do dynamic simulation for conducting to verify rationality of the design parameters.Through the simulation,the result that the power index of its maximum speed,climbing performance,acceleration performance and mileage by simulation in different conditions can meet the unmanned vehicle,which has verified rationality of the design parameters.It has important practical significance for the prototype production and the further conduct of vehicle motion control research.
unmanned vehicle,dynamic property,ADVISOR simulation
U461.2
A
1002-0640(2015)06-0176-05
2014-05-07
2014-06-20
魏代強(qiáng)(1990- ),男,山東臨沂人,碩士研究生。研究方向:軍事裝備保障。