宋春雨 徐方舟 石小亮

摘 ?要：以RSSR空間機構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)型構(gòu)建了無人機副翼差分驅(qū)動機構(gòu)，通過Adams建立虛擬樣機模型，對其進行運動特性分析，結(jié)果顯示運動精度滿足無人機控制需求。

關(guān)鍵詞：無人機;副翼;RSSR;差分機構(gòu);運動分析

中圖分類號：V224 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0082-02

Abstract： Based on RSSR spatial mechanism， design of differential mechanism for unmanned aerial vehicle（UAV） aileron， built the virtual prototype model with Adams， and the motion characteristics were analyzed， the results show that the motion precision meets the requirements of UAV control.

Keywords： unmanned aerial vehicle; aileron; RSSR; differential mechanism; kinematic analysis

引言

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，在軍用和民用領(lǐng)域，無人機得到越來越廣泛的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，無人機技術(shù)可以進行目標指示、偵查、反恐、情報搜集等用途;而在民用領(lǐng)域，無人機技術(shù)則可用于數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、影視拍攝、災(zāi)后救援、物流運輸、遙感測繪、農(nóng)業(yè)噴藥等。

固定翼無人機作為目前研究較多無人機類型，其飛行姿態(tài)的控制往往是通過控制活動舵面的運動來實現(xiàn)，副翼是無人機的主操作舵面，利用左、右副翼差動偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩可控制無人機橫滾機動。無人機副翼偏轉(zhuǎn)通過舵機驅(qū)動，中間通過驅(qū)動機構(gòu)將舵機輸出力傳遞到舵面，而驅(qū)動機構(gòu)的傳遞特性將直接影響的無人機操縱性能。楊鋒平和孫秦對副翼平面六桿驅(qū)動機構(gòu)進行了研究，針對其在機翼中的特殊構(gòu)造，提出解析求解該機構(gòu)的一種新算法，并建立滿足其在飛機副翼操縱系統(tǒng)中約束的優(yōu)化模型[1]。謝習(xí)華、陳志偉和歐陽星等利用RSSR空間連桿機構(gòu)作為副翼操縱系統(tǒng)的末端傳動機構(gòu)，采用方向余弦矩陣法建立RSSR機構(gòu)運動的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出該機構(gòu)的位移方程，并在Adams軟件中對該機構(gòu)進行參數(shù)化建模[2]。文獻[1]和[2]的左、右副翼運動依靠兩套獨立的機構(gòu)分別控制，雖然獨立的兩套機構(gòu)傳動系統(tǒng)較為簡單，但其控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，存在舵面運動不同步，成本較高的缺陷;RSSR空間機構(gòu)作為經(jīng)典構(gòu)型，利用兩套RSSR空間機構(gòu)可構(gòu)建副翼差分驅(qū)動機構(gòu)，將有效簡化控制系統(tǒng)，提高控制精度。

1 副翼差分驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)型

根據(jù)某無人機設(shè)計要求，需利用一套舵機實現(xiàn)左、右兩側(cè)副翼差分驅(qū)動，且在舵機-20°～+20°驅(qū)動轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實現(xiàn)傳動比近似為1的線性傳遞，左、右副翼最大轉(zhuǎn)角偏差小于0.1°。RSSR空間四連桿機構(gòu)作為機械領(lǐng)域中最常用、最基本的一種空間機構(gòu)，具有傳動精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，將RSSR連桿機構(gòu)與不同類型機構(gòu)組合可實現(xiàn)復(fù)雜的運動軌跡和規(guī)律。

以RSSR空間機構(gòu)作為基本運動構(gòu)型，通過串連與并連的方式搭建雙正交RSSR差分機構(gòu)，構(gòu)型如圖1所示。運動鏈ABCD控制左副翼運動，運動鏈AEFG控制右副翼運動，兩運動鏈采用相同的桿長條件和布置方式且關(guān)于驅(qū)動舵機對稱。以左側(cè)運動鏈為例，對差分機構(gòu)構(gòu)型進行說明，其中連桿1、3分別同機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副（R副），連桿2分別與連桿1、3構(gòu)成球副（S副）;驅(qū)動舵機軸與舵面轉(zhuǎn)軸為垂直布置，且初始位置時，連桿2與連桿1、3均呈垂直狀態(tài)。各連桿長度為LCD=LFG=LAE=LAB=100mm，LBC=LEF=300mm。

2 仿真分析

為分析雙RSSR副翼差分驅(qū)動機構(gòu)運動特性，根據(jù)圖1差分機構(gòu)構(gòu)型示意圖，在多體動力學(xué)軟件ADAMS/View中建立虛擬樣機[3]，構(gòu)件1與機架通過轉(zhuǎn)動副相連，并將其設(shè)置為驅(qū)動關(guān)節(jié)，構(gòu)件2分別與構(gòu)件1、構(gòu)件3通過球副相連，構(gòu)件4分別與構(gòu)件1、構(gòu)件5通過球副相連，構(gòu)件3與構(gòu)件5分別與機加通過轉(zhuǎn)動副相連，仿真分析模型如圖2所示。

設(shè)置驅(qū)動舵機以20sin（2πt）的正弦規(guī)律運動，對驅(qū)動機構(gòu)輸入角度及輸出角度進行監(jiān)測，驅(qū)動舵機運動角度曲線如圖3所示，左、右副翼角度偏轉(zhuǎn)曲線如圖4所示，從圖中可以看出，在整個運動過程中左、右副翼偏轉(zhuǎn)角度偏差如圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，當舵機運動轉(zhuǎn)角在-20°～+20°范圍內(nèi)時，左副翼與右副翼的偏轉(zhuǎn)角度方向相反，且兩舵面偏轉(zhuǎn)角度與舵機轉(zhuǎn)角大小近似相等，達到了傳動比近似為1的差分運動目的。當舵機轉(zhuǎn)角為-20°時，右副翼偏轉(zhuǎn)角為+20.074°，最大角度偏差為0.074°，左副翼偏轉(zhuǎn)角為-19.926°，最大角度偏差為0.063°;當舵機轉(zhuǎn)角為+20°時，右副翼偏轉(zhuǎn)角為-19.927°，最大角度偏差為0.063°，左副翼偏轉(zhuǎn)角為20.074°，最大角度偏差為0.074°，滿足累計偏差小于0.1°的精度要求。

3 結(jié)論

以RSSR空間機構(gòu)為基本構(gòu)型設(shè)計了雙正交RSSR副翼差分驅(qū)動機構(gòu)，在多體動力學(xué)軟件ADAMS/View中建立虛擬樣機，對差分驅(qū)動機構(gòu)進行了運動分析，分析結(jié)果顯示左、右副翼偏轉(zhuǎn)角度大小相等，方向相反，最大轉(zhuǎn)角偏差為0.074°，滿足某無人機左、右副翼差動，在舵機-20°～+20°驅(qū)動轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)實現(xiàn)傳動比近似為1的線性傳遞，且左、右副翼最大轉(zhuǎn)角偏差小于0.1°的要求。

參考文獻：

[1]楊鋒平，孫秦.副翼六桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2007，26（9）：1151-1154.

[2]謝習(xí)華，陳志偉，歐陽星，等.輕型飛機副翼操縱系統(tǒng)中改進的RSSR機構(gòu)研究[J].航空工程進展，2017，8（2）：213-218.

[3]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].國防工業(yè)出版社，2014：67-93.