某型水下航行器上舰吊装机械臂智能控制

李科亮

(中国人民解放军91640部队, 广东 湛江 524064)

引言

随着水下对抗和反对抗技术的快速发展，研究智能的水下攻击武器，实现对敌舰艇和舰船的准确打击，利用水下爆炸的强大威力，提高对敌水下目标的攻击强度[1]。某型水下航行器是实现对敌水下潜艇打击的全新全数字化的智能制导水中兵器，集自导、控制系统及战斗部为一体，采用舰艇管装发射、空投发射和火箭助飞发射等发射平台，实现反潜作战。在该型水下航行器的技术准备中，需要把在技术阵地准备好的航行器装载到舰上，并装载在鱼雷发射管中，实现水下航行器交付装管[2]。可见，水下航行器的上舰吊装是实现该型水下航行器发射准备的关键环节，研究水下航行器的智能吊装控制技术，在机械装备控制领域中受到相关领域专家的广泛关注。

当前，对水下航行器的上舰吊装采用人工吊装和机械臂吊装结合的方式，受到码头现场的复杂环境影响因素较大，特别是受到机械臂的输出力矩扰动影响较大，在吊装过程中容易出现位姿偏移和碰撞、跌落等事故，需要研究一种智能的水下航行器上舰吊装机械臂智能控制方法，进行机械臂的智能控制系统优化设计，提高水下航行器机械臂的智能控制能力和抗扰动能力。传统方法中，对吊装机械臂的控制方法主要有模糊控制模型、PID控制模型、滑模积分控制方法、传感融合跟踪控制模型和压力传感控制模型等[2-4]，结合对机械臂的控制力学参数分析和机械臂的承重配力分析，采用模糊控制方法实现水下航行器机械臂吊装控制。文献[5]中提出一种基于气动阻尼耦合补偿的水下航行器上舰吊装机械臂承压控制方法，采用多变量的耦合控制系统进行上舰吊装机械臂的耦合控制，提高机械臂的承重力的智能分配能力，但该控制方法的抗扰动能力不好；文献[6]中提出一种基于连续反馈驱动和模糊PID的机械臂智能控制方法，采用连续反馈驱动方法进行水下航行器上舰吊装机械臂承压参数自适应校准，实现承压力学仿真分析，但该方法容易受风阻扰动因素的影响，控制过程的鲁棒性不高。

针对上述问题，本文提出一种基于载荷转移机构加载和末端姿态力学参量调节的水下航行器上舰吊装机械臂智能控制技术。首先分析水下航行器装舰的技术准备流程和关键技术，建立上舰吊装机械臂的移动平台和动力驱动单元，结合反馈补偿方法进行水下航行器上舰吊装机械臂承压力学控制。然后采用有限元动力学分析方法构建水下航行器吊装机械臂的控制律，实现水下航行器上舰吊装机械臂承压力矩控制，提高水下航行器上舰吊装的位姿自动调整能力。最后进行仿真试验分析，展示了本文方法在提高水下航行器上舰吊装机械臂智能控制能力方面的优越性能。

1 水下航行器上舰吊装技术总体设计

1.1 水下航行器上舰吊装操作技术描述

为了实现该型水下航行器的上舰吊装和装管发射的技术指标，首先分析水下航行器上舰吊装的总体实现流程，该型水下航行器在技术阵地完成规定的准备后，其各舱段、各系统和主要组件经过联调检测，完成整个航行器舱段合成[7]，基本状态为：

(1)水下航行器的战斗部内部引信组件装有雷管组合件，水下航行器的壳体下部静水压盖上，并内装防水膜片；

(2)水下航行器的动力系统装满燃料，气瓶装上电爆活门，停车阀装上电爆管。

在上述水下航行器上舰吊装的基本状态分析的基础上，将在技术阵地准备好的水下航行器送往装舰码头，在装舰运输过程中，使用专用运输车，将水下航行器放在专用的包装箱中，行车速度要适当，不能过快。将水下航行器运送到码头后，采用智能机械设备装置进行上舰吊装操作，在机械臂进行吊装过程中，不得取下航行器头部的保护帽和螺旋桨保护罩；在头部和后部栓上保护绳，有专人负责保持水下航行器的两头处于平衡状态，采用智能机械控制设备进行位姿控制，防止水下航行器滑落和与其它物体碰撞，在上舰吊装过程中不允许碰撞和划伤。

1.2 水下航行器上舰吊装装管实现

在将水下航行器采用智能机械臂吊装到舰上后，需要将航行器装管，首先将发射管转到装填位置，将水下航行器装载小车推到装管位置，调整其高度，确认航行器的中轴线与发射管轴线对准，在排气阀上装上推航行器的专用工具，核实水下航行器的4片全动舵对准发射管相应的凹槽，结合智能控制组件和驱动装置，将水下航行器体推入管中，舰上装管的日常维护内容见表1。

表1水下航行器舰上装管的日常维护内容

Tab.1Routinemaintenanceofthepipeinstalledonboardofunderwatervehicle

项目处理措施壳体表面检查不影响水下航行体的装管、卸管和继续使用不应有明显的划痕、掉漆返回技术阵地维修处理设定插座检查如果设定插座出现锈蚀,用酒精擦拭,如果擦洗干净,可继续在管内等待发射,否则应卸管,退回技术阵地进行处理功能检查每6个月进行一次定期检查,采用参数设定与犬类功能检查台对鱼雷进行功能检查,检查合格,该产品正常使用,如果出现异常,将航行器返回技术阵地维修处理

2 水下航行器上舰吊装机械臂的运动学模型及力学参量分析

2.1 水下航行器上舰吊装机械臂的运动学模型

为了实现对水下航行器上舰吊装机械臂的稳定控制，构建水下航行器上舰吊装机械臂的惯性姿态融合空间运动学模型，需要进行水下航行器上舰吊装机械臂的7自由度运动空间规划，设计水下航行器上舰吊装机械臂的7个旋转自由度运动模型，采用末端位姿估计器进行水下航行器上舰吊装机械臂的姿态特征传感采集和控制约束参量分析[8]。对吊装机械臂的智能控制是建立在水下航行器上舰吊装机械臂工作物理环境参量信息的采集和力学传感信息分析基础上的，通过分布式传感阵列基阵进行水下航行器上舰吊装机械臂的力学数据采集和测量，采用敏感元件进行水下航行器上舰吊装机械臂的惯性承压力学分析，本文研究的水下航行器上舰吊装机械臂为某多级的重力吊装机械臂，采用 Numeca Fine/Turbo 软件实现水下航行器上舰吊装机械臂的承压力学模型进行数字分析和力学计算[9]，建立水下航行器上舰吊装机械臂耦合多体动力学模型，并通过求解力学特征方程得出水下航行器上舰吊装机械臂的特征参量模型，得到水下航行器上舰吊装机械臂承压控制的基本几何参数见表2。

表2 基本几何参数模型

根据表2 的约束参量模型，建立水下航行器上舰吊装机械臂承压的承压控制对象模型，在压力传感作用下，水下航行器上舰吊装机械臂承压的模态参量识别模型为：

X(n)=[x1(n),x2(n), ...,xm(n)]T

Wj(n)=[w1(n),w2(n),...,wm(n)]T,j

aj(n)=[a1(n),a2(n),...,am(n)]T,j

Yj-1(n)=[y1(n),y2(n),...,ym(n)]T,j

(1)

根据承压控制的辨识参数模型，得到水下航行器上舰吊装机械臂承压控制的有限元分析模型。

2.2 上舰吊装机械臂的载荷转移机构承载力学分析

在构建水下航行器上舰吊装机械臂承压控制的约束参量模型，进行水下航行器上舰吊装机械臂的载荷转移机构承载力学分析，根据水下航行器上舰吊装机械臂承压控制的有限元分析模型进行特征分解，先采用6 维力传感器进行机械臂的承压力和应力屈服响应特征数据采集[10]，得到水下航行器机械臂承压约束控制的特征矩阵R定义为：

R=X(n)XT(n)=

(2)

基于载荷转移机构模型进行水下航行器上舰吊装机械臂承压的动态几何特征参量排序，得到吊装机械臂的应力屈服响应分布关系可以表示为：

λ1>λ2>...>λj-1>λj>...>λm

(3)

根据水下航行器上舰吊装机械臂承压的载荷转移机构的承压能力，得到机械臂的控制参数模型为：

(4)

根据吊装机械臂在运动中的速度和加速度，结合柔性驱动分析方法，构建水下航行器上舰吊装机械臂各连杆之间的载荷分布模型，进行水下航行器上舰吊装机械臂的载荷转移机构承载力学模型设计，提高机械臂的智能控制能力[11]。

3 机械臂的控制律优化设计

在构建水下航行器上舰吊装机械臂承压控制的约束参量模型，进行水下航行器上舰吊装机械臂的载荷转移机构承载力学分析的基础上，进行机械臂的控制律优化设计，本文提出一种基于载荷转移机构加载和末端姿态力学参量调节的水下航行器上舰吊装机械臂智能控制技术，通过自适应调整起重臂的受力方向，进行机械臂的承压性能自适应调节和反馈控制，提高水下航行器上舰吊装机械臂的载荷转移控制能力。对水下航行器上舰吊装机械臂的载荷转移机构模型进行参数识别，得到加载力矩的逆压可比矩阵为：

(5)

式中,s表示载荷转移机构在角度θ的正弦，c表示取角度θ的余弦。在连续驱动下水下航行器上舰吊装机械臂的扰动力矩为ω(k)，在6自由度空间模型中，得到水下航行器上舰吊装机械臂的轴向压力变换矩阵：

(6)

分析水下航行器上舰吊装机械臂的承压控制辨识参数为mj(j=1,2,…m)∀mj∈M，结合反馈补偿方法进行水下航行器上舰吊装机械臂承压力学控制，得到结构分布和相关参数模型为：

ui/j(k-1/k-1)=P(mi(k-1)/mj(k),zk-1)=

(7)

引入加载力的自适应调整系数，得到水下航行器上舰吊装机械臂的承载力驱动方程为：

(8)

(9)

忽略水下航行器上舰吊装机械臂的动力学和运动控制系统的动态特性的影响，结合反馈补偿方法进行水下航行器上舰吊装机械臂承压力学控制，得到机械臂的力学空间分布函数为：

(10)

采用有限元动力学分析方法构建水下航行器吊装机械臂的控制律，加载力/力矩联合控制项为{Wfinal}，控制器参数特征量为：

(11)

构建上舰吊装机械臂Lyapunov函数为：

(12)

对Lyapunov函数求导：

(13)

根据Lyapunov稳定性原理，得到本文设计的控制律是稳定的。引入机械臂的加载力向量，得到水下航行器上舰吊装机械臂的稳态误差补偿项为：

(14)

当ϑ=±90°时，进行水下航行器的吊装位置矫正，降低位姿调整误差，提高水下航行器的上舰吊装的位姿调整能力。

4 仿真实验与结果分析

为了测试本文方法在实现某型水下航行器上舰吊装机械臂智能控制中的应用性能，进行仿真实验。实验采用Matlab 7 设计，采用三轴电子罗盘LSM303DLH进行水下航行器上舰吊装机械臂的姿态传感数据采集，对吊装机械臂的位姿参量采集的周期为0.56 s，姿态传感数据样本的测试集规模为2 000，训练数据集规模为100，水下航行器的直径设定为324 mm，最大转矩设定为28 KN·m，重心下移量为2～4 mm，静倾角设定为+10°，根据上述仿真环境和参数设定，进行该型水下航行器的上舰吊装机械臂控制仿真测试，得到水下航行器吊装机械臂的传感力学参数采集结果如图1所示。

图1 水下航行器吊装机械臂的力学参数采集

Fig.1Dataacquisitionofmechanicalparametersofhoistingmanipulatorofunderwatervehicle

以图1的采集数据为控制输入，进行机械臂智能控制，得到吊装机械臂的控制输出力矩如图2所示。

分析图2得知，本文设计的控制方法进行水下航行器的吊装的力学配置性能较好，力矩输出的收敛性较好。采用不同方法进行测试，得到控制收敛曲线对比结果如图3所示，分析图3得知，采用本文方法进行水下航行器上舰吊装机械臂智能控制的收敛性、稳定性较好，对水下航行器吊装过程的位姿跟踪准确性较高，提高了水下航行器装舰的安全性和智能性。

图2 吊装机械臂的控制输出力矩

图3 控制性能曲线分析

5 结束语

在某型水下航行器的技术准备中，需要把在技术阵地准备好的航行器装载到舰上，并装载在鱼雷发射管中，实现水下航行器交付装管，上舰吊装是实现该型水下航行器发射准备的关键环节。采用智能机械臂进行吊装控制，本文提出一种基于载荷转移机构加载和末端姿态力学参量调节的水下航行器上舰吊装机械臂智能控制技术。建立上舰吊装机械臂的移动平台和动力驱动单元，结合反馈补偿方法进行水下航行器上舰吊装机械臂承压力学控制，采用有限元动力学分析方法构建水下航行器吊装机械臂的控制律，实现水下航行器上舰吊装机械臂承压力矩控制，提高水下航行器上舰吊装的位姿自动调整能力。研究得知，采用本文方法进行水下航行器上舰吊装机械臂智能控制的稳定性较好，对水下航行器吊装过程的位姿跟踪准确性较高，提高了水下航行器装舰的安全性，在水中兵器的上舰吊装和保障中具有很好的应用价值。