王旭烽，湯日佳，孫棪伊，干興業(yè)，張玉鑫

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引言

導(dǎo)彈裝填是將導(dǎo)彈通過吊臂吊裝到防御戰(zhàn)車上，并對(duì)戰(zhàn)車上發(fā)射后的空發(fā)射筒進(jìn)行卸載并完成導(dǎo)彈補(bǔ)給的過程，根據(jù)自動(dòng)化程度的不同分為手動(dòng)裝填、半自動(dòng)裝填和自動(dòng)裝填方式。傳統(tǒng)的導(dǎo)彈裝填方式采用手動(dòng)裝填，借助起重機(jī)及吊索完成，操作人員需手扶箱/筒彈或?qū)椔?lián)裝模塊并通過人眼監(jiān)視等手段進(jìn)行裝填或卸載。實(shí)際作戰(zhàn)要求武器裝備快速形成戰(zhàn)斗力，實(shí)現(xiàn)裝備自動(dòng)化，傳統(tǒng)的裝填方式對(duì)操作人員培訓(xùn)要求高、裝填時(shí)間長(zhǎng)，影響戰(zhàn)備效率，存在安全隱患，不能滿足無人化作戰(zhàn)系統(tǒng)的需求。因此將自動(dòng)裝填系統(tǒng)引入到武器裝備設(shè)計(jì)中，對(duì)實(shí)現(xiàn)快速作戰(zhàn)、快速裝填具有重大的意義。

本文從導(dǎo)彈裝填設(shè)備的現(xiàn)狀、發(fā)展需求及導(dǎo)彈自動(dòng)裝填系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)論述和分析，可為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)彈快速化、自動(dòng)化、無人化裝填提供技術(shù)支撐。

1 國(guó)內(nèi)外武器系統(tǒng)裝填系統(tǒng)發(fā)展概況

1.1 國(guó)外武器系統(tǒng)裝填系統(tǒng)發(fā)展概況

1.1.1M270火箭炮裝填系統(tǒng)

M270 火箭炮是由美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等多個(gè)國(guó)家聯(lián)合研制的整體式吊裝武器，能夠適應(yīng)對(duì)多種目標(biāo)的打擊任務(wù)，其裝填過程如圖1所示［1］。采用對(duì)聯(lián)裝模塊進(jìn)行整體式半自動(dòng)裝填方式，通過可伸縮的臂架和繩索控制模塊的運(yùn)動(dòng)，但裝填過程仍需要人工指導(dǎo)。

圖1 M270裝填方式Fig.1 M270 loading method

1.1.2瑞典“弓箭手”榴彈炮裝填系統(tǒng)

“弓箭手”自動(dòng)裝填系統(tǒng)如圖2所示，能夠?qū)崿F(xiàn)彈丸和發(fā)射藥全自動(dòng)裝填。其輸彈機(jī)左右裝有發(fā)射藥倉和彈丸倉，整套自動(dòng)裝填系統(tǒng)與身管平行，裝填過程中一同進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)。其裝填過程為：彈倉送入彈丸，輸彈托盤接收彈丸后轉(zhuǎn)動(dòng)至與炮膛對(duì)正，由輸彈機(jī)將彈丸送入膛內(nèi)；藥倉的發(fā)射藥模塊進(jìn)入輸藥托盤后，托盤轉(zhuǎn)動(dòng)至與炮膛對(duì)正，將發(fā)射藥送入藥室，裝填速度不受火炮射角影響［2］。

圖2 “弓箭手”自動(dòng)裝填系統(tǒng)Fig.2 “Archer”loading system

1.1.3歐洲中程增程防空系統(tǒng)裝填系統(tǒng)

歐洲中程增程防空系統(tǒng)（medium extended air defense systems，MEADS）是一種先進(jìn)全天候移動(dòng)型中/遠(yuǎn)程防空系統(tǒng)［3］，其裝填系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)具備快速啟動(dòng)、自動(dòng)裝填和垂直發(fā)射功能，可實(shí)現(xiàn)360°發(fā)射。其自動(dòng)裝填箱彈模塊的方式為：箱彈模塊放置在野外地面，發(fā)射車行駛至其附近后，首先將帶有柔性繩索的掛鉤連接到箱彈模塊上，通過起豎油缸和臂架的配合動(dòng)作提拉箱彈模塊，使其由豎直狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗綘顟B(tài)；然后，發(fā)射車上內(nèi)置式絞盤可以將箱彈模塊自動(dòng)牽引到發(fā)射車上，無需專用的裝填車，裝填過程大為簡(jiǎn)化。

圖3 MEADS裝填系統(tǒng)Fig.3 MEADS loading system

1.1.4“S-300”地空導(dǎo)彈裝填系統(tǒng)

該武器系統(tǒng)采用半自動(dòng)裝填方式，發(fā)射車車體后上方為起豎臂，左右兩側(cè)配置了呈上下層布置的4 發(fā)筒彈滑塊的配合導(dǎo)軌。其裝填設(shè)備配有吊機(jī)和能實(shí)現(xiàn)筒彈水平狀態(tài)保持的吊具，吊具代替了傳統(tǒng)意義上的吊索，可抓取導(dǎo)彈并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈沿軸線方向一定角度的翻轉(zhuǎn)，以滿足裝填需求。

1.2 國(guó)內(nèi)基于視覺伺服的自動(dòng)裝填系統(tǒng)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始研究引入機(jī)器視覺技術(shù)的自動(dòng)裝填系統(tǒng)，通過機(jī)械臂控制技術(shù)及視覺傳感器，可以解決導(dǎo)彈裝填過程中位姿難以獲取的問題。海軍航空大學(xué)提出了基于視覺伺服的導(dǎo)彈裝填平臺(tái)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其裝填裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示［4］。通過視覺伺服技術(shù)和并聯(lián)平臺(tái)控制精度高的優(yōu)勢(shì)，將無標(biāo)定的圖像視覺伺服技術(shù)應(yīng)用在六自由度并聯(lián)裝填平臺(tái)上，給出了自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)流程（如圖5所示）［4］，實(shí)現(xiàn)了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整和自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。圖4～5 中：A1～A6為靜平臺(tái)；B1～B6為動(dòng)平臺(tái)；兩個(gè)平臺(tái)之間通過液壓缸和虎克鉸連接，其坐標(biāo)系分別為OAxAyAzA和OBxByBzB；p為動(dòng)平臺(tái)相對(duì)靜平臺(tái)的位姿，為各液壓支腿伸縮速度構(gòu)成的矩陣；f為當(dāng)前位姿攝像機(jī)獲得圖像特征的像素坐標(biāo)；fd為期望的像素坐標(biāo)值；e為控制誤差。

圖4 裝填裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of loading device

圖5 裝填系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)流程Fig.5 Automatic alignment flow of loading system

2 自動(dòng)裝填系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

M270 等國(guó)外自動(dòng)裝填系統(tǒng)多應(yīng)用于裝填位置相對(duì)固定的情況，而國(guó)內(nèi)研究的“機(jī)械臂+柔索并聯(lián)式吊具”裝填模式則結(jié)合了機(jī)器視覺技術(shù)、機(jī)械臂控制技術(shù)和柔性自適應(yīng)技術(shù)，符合未來智能化、無人化作戰(zhàn)的發(fā)展方向。本文著重于此種模式下的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)分析，其自動(dòng)裝填系統(tǒng)框圖如圖6所示，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)集成于一體；借助機(jī)械臂控制技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、柔性自適應(yīng)技術(shù)等搭建更加智能化的工作流程（如圖7所示）。

圖6 自動(dòng)裝填系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of automatic loading system

圖7 工作流程Fig.7 Work flow

2.1 機(jī)械臂控制技術(shù)

自動(dòng)裝填系統(tǒng)的重點(diǎn)在于如何利用機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的控制器來控制末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)［5］。自動(dòng)裝填系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的位置進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成無碰撞的運(yùn)動(dòng)路徑，并對(duì)機(jī)械臂的控制器設(shè)計(jì)合適的控制算法。

2.1.1路徑規(guī)劃

常用的路徑規(guī)劃算法主要有人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法、遺傳算法等，適用于不同的環(huán)境。人工勢(shì)場(chǎng)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在局部極小值問題，易造成目標(biāo)點(diǎn)不可達(dá)；模糊算法的優(yōu)勢(shì)在于容易表達(dá)人們的控制經(jīng)驗(yàn)，但其模糊規(guī)則較難掌握；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度并行的特點(diǎn)，能夠更好地解決機(jī)械臂實(shí)時(shí)性的問題，但其需要大量的數(shù)據(jù)和樣本才能得到令人滿意的控制器；蟻群算法研究的是全局最短路徑問題；遺傳算法可以實(shí)現(xiàn)并行搜索，不依賴于搜索策略，但其運(yùn)算速度較慢，需要大量的存儲(chǔ)空間。

對(duì)于未知環(huán)境條件下的路徑規(guī)劃，多位學(xué)者對(duì)基礎(chǔ)算法進(jìn)行了改進(jìn)［5］：基于遺傳算法的越障運(yùn)動(dòng)軌跡算法利用加權(quán)系數(shù)法定義適應(yīng)度函數(shù)，規(guī)劃出無碰撞、穩(wěn)定性高的運(yùn)動(dòng)序列，適用于多類型截面凸起、凹陷障礙物環(huán)境的越障路徑規(guī)劃［6］；將全局路徑逐步分解為局部路徑規(guī)劃的組合，在柵格法的基礎(chǔ)上，采用基于ART-2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的案例學(xué)習(xí)方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，可解決機(jī)器人避障不確定性問題［7］；引用模糊概念表達(dá)環(huán)境的不確定性，采用模糊綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)局部搜索能夠解決動(dòng)態(tài)環(huán)境機(jī)器人避障實(shí)時(shí)性問題［8］。

對(duì)于已知障礙物形態(tài)的條件，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定義能量函數(shù)，通過對(duì)路徑點(diǎn)位于障礙物內(nèi)外不同位置選取不同動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程的方法，使障礙物之外的路徑點(diǎn)按照長(zhǎng)度減少的方向移動(dòng)，可解決局部極小值和無最短路徑問題［9］。以某導(dǎo)彈聯(lián)裝模塊裝填車和發(fā)射車為研究對(duì)象建立裝填車和發(fā)射車的矩形障礙物模型［10］（如圖8所示），引入相對(duì)距離的概念，通過改進(jìn)斥力場(chǎng)函數(shù)對(duì)引力增益系數(shù)和斥力增益系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可得到自動(dòng)裝填系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的最佳路徑［10-11］。

圖8 裝填車與發(fā)射車矩形障礙物模型Fig.8 Rectangle obstacle models of loading vehicle and launching vehicle

2.1.2控制算法

常見的控制算法有魯棒控制、自適應(yīng)控制、PID控制及滑?？刂频?。魯棒控制即選擇線性反饋律使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)擾動(dòng)具有一定的抵抗能力；自適應(yīng)控制即利用參數(shù)線性化的方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制規(guī)則辨識(shí)機(jī)械臂的不確定參數(shù)，設(shè)計(jì)跟蹤控制器；PID控制即對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行加權(quán)的比例、積分和微分運(yùn)算，然后將其運(yùn)算結(jié)果傳送給受控對(duì)象，完成整個(gè)控制過程；滑模控制是一種非連續(xù)的反饋控制方法，依據(jù)滑模面的到達(dá)條件，系統(tǒng)狀態(tài)在控制律的作用下于有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面，向系統(tǒng)平衡點(diǎn)位置趨近［12-13］。

針對(duì)末端軌跡控制需要，采用遺傳算法對(duì)滑?？刂七M(jìn)行自適應(yīng)終端滑模參數(shù)調(diào)整，可解決常規(guī)滑?？刂圃诰€性滑模面收斂速度慢的問題，得到快速、無抖振的終端滑模控制［14］；基于Kalman 濾波與位置伺服的動(dòng)態(tài)抓取方法，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抓取的滯后，采用矢量積法構(gòu)造機(jī)械臂的雅克比矩陣，能夠有效提高機(jī)械臂跟蹤精度，使整個(gè)抓取過程更加平穩(wěn)，但控制策略的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算快速收斂性需改進(jìn)［15］；采用基于網(wǎng)絡(luò)同步誤差實(shí)時(shí)計(jì)算和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分布的時(shí)鐘同步控制策略，可使機(jī)械臂在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間的同步控制精度均得到提高［16］；引入預(yù)設(shè)性能控制，采用機(jī)械臂快速無超調(diào)擬人運(yùn)動(dòng)控制算法，把控制誤差收斂到一個(gè)預(yù)先指定的比較小的區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能的控制，具有響應(yīng)快、無超調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，但需后續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用模型［17］；研究含有LuGre 摩擦的機(jī)械臂自適應(yīng)控制方法，從機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型中引入LuGre 摩擦模型來描述伺服關(guān)節(jié)內(nèi)部的摩擦行為，構(gòu)造含有動(dòng)態(tài)摩擦補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)控制算法，并使用Lyapunov方法證明控制算法的有效性［18］，但文獻(xiàn)中未對(duì)摩擦建模準(zhǔn)確性做論述；采用改進(jìn)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法對(duì)太陽翼驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，可以更好地抑制齒輪間隙沖擊擾動(dòng)和摩擦擾動(dòng)，改進(jìn)后的控制器動(dòng)態(tài)性能及跟隨效果好，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)［19］。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)

自動(dòng)裝填技術(shù)應(yīng)用機(jī)器視覺的視覺引導(dǎo)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位［20］。歐美一些機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展較早的國(guó)家，裝填系統(tǒng)的視覺識(shí)別技術(shù)應(yīng)用手段多樣，已延伸到火炮與導(dǎo)彈裝填領(lǐng)域。采用BP 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)圖像特征得出機(jī)器人關(guān)節(jié)角變化之間的非線性關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)的輸入是圖像特征的變化，輸出是期望的關(guān)節(jié)角變化；分別用四點(diǎn)特征、傅里葉描述子和幾何矩作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，對(duì)六自由度機(jī)器人進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)［21］。

我國(guó)學(xué)者對(duì)裝填識(shí)別及對(duì)準(zhǔn)問題也開展了諸多研究。為解決艦上搖擺問題，通過電荷耦合元件攝像頭以及其他位置傳感器獲取導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱的空間信息，應(yīng)用雙目立體視覺處理筒彈自對(duì)準(zhǔn)問題，利用拍攝的圖像計(jì)算出三維空間中被測(cè)物體的幾何參數(shù)，并應(yīng)用一系列經(jīng)典圖像處理技術(shù)進(jìn)行去噪和特征點(diǎn)標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)［22］；采用雅克比矩陣求取圖像特征點(diǎn)，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效解決自動(dòng)裝填系統(tǒng)實(shí)際出現(xiàn)的故障難題［23］；在視覺控制中利用全局圖像特征（如幾何矩在圖像上的直線投影）或用隨機(jī)變換矩陣、傅里葉描述子等來描述圖像特征，由于采集的圖像特征各異，該類識(shí)別方法的魯棒性還需提高［24］。

2.3 柔性自適應(yīng)技術(shù)

在自動(dòng)裝填系統(tǒng)中引入柔性環(huán)節(jié)，可適當(dāng)補(bǔ)償?shù)蹙吲c導(dǎo)彈聯(lián)裝模塊間姿態(tài)變換帶來的偏差。唐文獻(xiàn)等［25］在導(dǎo)彈自動(dòng)裝填抓取裝置研究中引入鋼絲繩作為柔性環(huán)節(jié)，建立了柔索并聯(lián)式的抓取裝置，其示意圖如圖9所示，通過垂向伸收、徑向撓變來補(bǔ)償?shù)蹙呖ㄗεc導(dǎo)彈聯(lián)裝模塊吊耳間的相對(duì)位姿偏差；針對(duì)大尺寸范圍、形狀復(fù)雜的不同種類對(duì)象的抓取，采用雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)雙鉸鏈柔性機(jī)械手，通過精確控制驅(qū)動(dòng)行程來調(diào)節(jié)抓取力［26］；大型碼頭集裝箱吊具與吊機(jī)之間采用全柔性鋼絲繩連接，借助機(jī)器視覺和吊具導(dǎo)向環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)集裝箱的柔性抓取，可提高自動(dòng)化水平［27］；空間機(jī)械臂應(yīng)用柔性抓捕技術(shù)可以滿足對(duì)在軌飛行器精準(zhǔn)抓捕的要求［28］；航天中應(yīng)用的類錐桿式捕獲機(jī)構(gòu)采用3段鋼絲繩索纏繞空間目標(biāo)物體錐桿的方式完成抓捕，利用鋼絲繩的柔順特性達(dá)到軟捕獲的目的［29］。

圖9 抓取裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of gripping device

利用柔索動(dòng)力學(xué)分析，將一段繩索離散成若干段通過彈簧阻尼連接的剛性桿件的方法建立多體動(dòng)力學(xué)模型，模擬吊具柔性環(huán)節(jié)的拉伸、扭轉(zhuǎn)等形變［29］，定義兩構(gòu)件間力和力矩的6 個(gè)分量，分別為Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz，離散模型如圖10所示［25］。由此可以驗(yàn)證其對(duì)于姿態(tài)偏差的自適應(yīng)對(duì)位能力。

圖10 鋼絲繩離散段模型［25］Fig.10 Discrete model of wire rope［25］

3 結(jié)束語

隨著裝備自動(dòng)化、智能化水平的不斷提升，對(duì)于具備全自動(dòng)操作能力和智能化決策能力的通用化導(dǎo)彈自動(dòng)裝填設(shè)備的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。針對(duì)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外導(dǎo)彈裝填系統(tǒng)發(fā)展概況，論述了自動(dòng)裝填系統(tǒng)研究的必要性，并對(duì)機(jī)械臂控制技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)與柔性自適應(yīng)技術(shù)在自動(dòng)裝填系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了說明，對(duì)我國(guó)導(dǎo)彈自動(dòng)裝填技術(shù)的研制具有一定的啟示作用。自動(dòng)裝填技術(shù)還有以下關(guān)鍵技術(shù)亟待發(fā)展：

1）發(fā)展多任務(wù)作戰(zhàn)模式下的自動(dòng)裝填技術(shù)，針對(duì)多彈混裝、共架發(fā)射的大趨勢(shì)，也應(yīng)針對(duì)多彈型導(dǎo)彈模塊全自動(dòng)智能化設(shè)計(jì)展開研究，實(shí)現(xiàn)體系化作戰(zhàn)模式下一機(jī)多能、一機(jī)多用的需求；

2）發(fā)展復(fù)雜場(chǎng)景環(huán)境下的自動(dòng)裝填技術(shù)，考慮野外導(dǎo)彈裝填工作環(huán)境復(fù)雜、干擾因素較多等情況，通過合理分配裝填流程、分布式定位識(shí)別，利用現(xiàn)有硬件的性能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精準(zhǔn)檢測(cè)，通過改進(jìn)目標(biāo)檢測(cè)算法解決由姿勢(shì)變化、部分遮擋、環(huán)境光照變化所帶來的識(shí)別困難的問題；

3）發(fā)展智能化決策下的自動(dòng)裝填技術(shù)，應(yīng)將野戰(zhàn)環(huán)境下戰(zhàn)車與裝填平臺(tái)的相對(duì)位姿以及各自的上裝設(shè)備狀態(tài)視作隨機(jī)障礙物，并根據(jù)障礙物的真實(shí)幾何邊界和野戰(zhàn)環(huán)境下邊界可變的問題，研究具有更高精度的路徑規(guī)劃算法。