無人機(jī)全電剎車控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

1、 無人機(jī)全電剎車控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 摘要：文章主要是分析了全電剎車系統(tǒng)的原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上講解了全電剎車系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，最后探討了基于無人機(jī)的作動(dòng)器和控制律設(shè)計(jì)，望能為有關(guān)人員提供到一定的幫助和參考。關(guān)鍵字：全電剎車；機(jī)電作動(dòng)器；剎車系統(tǒng)1、前言全電剎車系統(tǒng)指的是用機(jī)電作動(dòng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓活塞，控制和作動(dòng)均實(shí)現(xiàn)了全電化的飛機(jī)剎車系統(tǒng)。全電剎車系統(tǒng)具有了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、重量輕、易維修以及剎車效率高等優(yōu)勢(shì)。剎車系統(tǒng)是飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了全電化系統(tǒng)裝機(jī)工程化應(yīng)用的少數(shù)幾個(gè)子系統(tǒng)之一，代表了飛機(jī)全電化的發(fā)展方向。文章主要是對(duì)無人機(jī)的全電剎車系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析。2、車原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1、剎車原理飛機(jī)剎車制動(dòng)

2、主要取決于剎車時(shí)輪胎和地面之間的制動(dòng)力矩，以使飛機(jī)減速。在一定重量的無人機(jī)上，制動(dòng)力矩越大，飛機(jī)減速越快，制動(dòng)距離越短。影響制動(dòng)力矩的因素是接合系數(shù)，它不僅與滑移率，機(jī)輪載荷，機(jī)輪速度和跑道狀況有關(guān)，而且還受輪胎尺寸和形狀以及充氣壓力的影響。在這些因素中，滑移率是最重要的。在干跑道條件下，影響最重要的是接合系數(shù)與滑移率之間的關(guān)系，滑移率在特定的范圍內(nèi)時(shí)輪胎與地面之間的接合系數(shù)最大。剎車系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)飛機(jī)輪胎的打滑情況調(diào)節(jié)對(duì)機(jī)輪施加的剎車力矩，控制機(jī)輪轉(zhuǎn)速，以使輪胎滑移率盡可能保持在最大接合系數(shù)的區(qū)域，從而獲得最大的制動(dòng)力矩并使飛機(jī)快速停止。2.2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無人機(jī)全電剎車系統(tǒng)由機(jī)輪速度傳感

3、器，制動(dòng)力矩傳感器，剎車控制單元、機(jī)輪和剎車裝置幾部分組成。剎車裝置又包含剎車盤和機(jī)電作動(dòng)器。全電剎車系統(tǒng)的基本工作原理是：將機(jī)輪速度信號(hào)和制動(dòng)力矩信號(hào)通過機(jī)輪速度傳感器和制動(dòng)力矩傳感器發(fā)送給剎車控制單元。剎車控制單元根據(jù)機(jī)輪速度信號(hào)和制動(dòng)力矩信號(hào)進(jìn)行綜合處理，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)來控制作動(dòng)器。作動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)來調(diào)節(jié)輸出到剎車盤上的剎車力。全電剎車系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓剎車系統(tǒng)有明顯的區(qū)別：1.用機(jī)電作動(dòng)器代替了液壓活塞；2.除了機(jī)輪速度反饋之外，系統(tǒng)中還添加了制動(dòng)扭矩反饋。按系統(tǒng)架構(gòu)安全性等級(jí)確定，機(jī)電作動(dòng)器和剎車控制單元是無人機(jī)全電剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接決定剎車系統(tǒng)的性能和效率。3、全電剎

4、車系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)全電剎車系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)起步較晚，與國(guó)外相比仍有較大差距。在我國(guó)，在仿真環(huán)境下對(duì)全電剎車進(jìn)行了大量的研究，并對(duì)全電剎車的控制算法進(jìn)行了分析，為系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著中國(guó)飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)的深入，對(duì)全電剎車測(cè)試系統(tǒng)的需求將不斷增加。剎車系統(tǒng)中用機(jī)電作動(dòng)器代替液壓活塞，避免了液壓油泄漏和燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性，減輕了飛機(jī)的重量;增加了制動(dòng)力矩反饋控制，顯著提高了防滑性能，延長(zhǎng)了輪胎和制動(dòng)裝置的使用壽命；該系統(tǒng)的模塊化和實(shí)時(shí)檢測(cè)功能使飛機(jī)易于維護(hù)并提高了飛機(jī)的生存能力。全電剎車動(dòng)態(tài)響應(yīng)估于液壓剎車系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使剎車效率高于液壓剎車系統(tǒng)的剎車效率，因此，從發(fā)展的角度看，全電剎車系統(tǒng)必然取

5、代現(xiàn)有的液壓剎車系統(tǒng)。當(dāng)然，這對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)師來說是巨大的挑戰(zhàn)。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)全電剎車技術(shù)已經(jīng)越來越成熟。國(guó)外對(duì)全電動(dòng)剎車進(jìn)行約四十多年的研究，全電剎車系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)個(gè)新研制機(jī)型上實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。今后會(huì)有越來越多的飛機(jī)用全電剎車系統(tǒng)取代原來的液壓剎車系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)在全電動(dòng)飛機(jī)的研究方面與國(guó)外相比有很大的差距，國(guó)內(nèi)僅在仿真實(shí)驗(yàn)方面做一定的工作。但今后國(guó)內(nèi)會(huì)有越來越多資源會(huì)投入到全電剎車的工程化研究中。在研制全電剎車系統(tǒng)的過程中，試驗(yàn)系統(tǒng)是不可或缺的。目前，國(guó)內(nèi)的剎車試驗(yàn)系統(tǒng)都是針對(duì)液壓剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，僅能對(duì)全電剎車系統(tǒng)進(jìn)行很少的測(cè)試，這將嚴(yán)重限制全電剎車技術(shù)的深入研究和發(fā)展。針對(duì)

6、這種情況，設(shè)計(jì)了全電剎車試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全電剎車系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的功能，對(duì)加速全電剎車系統(tǒng)的研究具有重要意義。4、機(jī)電作動(dòng)器設(shè)計(jì)機(jī)電作動(dòng)器的主要功能是將輸入的目標(biāo)速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的剎車推力，并利用剎車推力壓緊剎車盤。由于沒有填充活塞腔的過程，因此全電剎車系統(tǒng)對(duì)指令信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比液壓剎車系統(tǒng)快得多。全電剎車裝置具有四作動(dòng)器布局，每作動(dòng)器均包含一個(gè)小型無刷直流電機(jī)、減速齒輪組和一個(gè)滾珠絲杠組件，每個(gè)作動(dòng)器均進(jìn)行獨(dú)立控制。減速齒輪組包含兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，其中第一級(jí)齒輪傳動(dòng)是錐齒輪傳動(dòng)；第二級(jí)為圓柱直齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的減速比取決于電機(jī)功率、滾珠絲杠組件參數(shù)和剎車性能要求。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪上的力傳遞

7、到螺母輸出，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)/直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換是由滾珠絲杠組件完成的。齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲杠的比桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾珠絲杠的螺母軸向直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠絲杠的螺母會(huì)后退，從而松開剎車盤。四個(gè)機(jī)電作動(dòng)器分成兩組，每個(gè)兩個(gè)作動(dòng)器。兩個(gè)工作，其余兩個(gè)備用，冗余性好。滾珠絲杠組件的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是選擇電動(dòng)機(jī)參數(shù)的重要依據(jù)。滾珠絲杠的慣性矩，克服軸向載荷和移動(dòng)螺母所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及阻力矩對(duì)于選擇電動(dòng)機(jī)非常重要。在此基礎(chǔ)上，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母的直性運(yùn)動(dòng)，另外在螺母上增加了一塊壓塊。電動(dòng)機(jī)采用傳統(tǒng)的電流反饋和速度反饋雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)。在選擇滾珠絲杠副的直徑和導(dǎo)程等參數(shù)時(shí)，必須綜合考慮，并

8、根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳模型。5、控制律設(shè)計(jì)全電剎車控制律基本思想與傳統(tǒng)剎車控制邏輯相同，是基于壓力p1d控制算法。但隨著控制理論的深入，p1d這種控制方法存在不能充分利用地面結(jié)合系數(shù)、制動(dòng)效率低、實(shí)時(shí)跟蹤精度差等缺點(diǎn)，控制具有模糊比例微分控制功能，但缺乏模糊積分功能控制，所以控制器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)差；且由于閾值的影響，系統(tǒng)經(jīng)常以較低的速度滑動(dòng)速度，剎車辨識(shí)能力會(huì)降低。近年來，模糊控制理論發(fā)展迅速，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用練習(xí)。模糊控制器具有更快的動(dòng)態(tài)性回應(yīng)， 一般認(rèn)為傳統(tǒng)pid控制器的積分控制功能可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)卻很差慢點(diǎn)，如果兩者的優(yōu)點(diǎn)是有機(jī)結(jié)合的，控制效果一般會(huì)滿

9、足要求。6、仿真分析以某型無人機(jī)為例，建立了全電制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在濕態(tài)環(huán)境下進(jìn)行了仿真跑道。從仿真曲線可以看出飛機(jī)在剎車時(shí)減速平穩(wěn)，而且沒有低速現(xiàn)象打滑率始終在最佳打滑率0.15左右波動(dòng)，這顯著改善了制動(dòng)性能效率組合系數(shù)的效率可達(dá)96%。7. 結(jié)束語由上可知，與傳統(tǒng)的液壓剎車系統(tǒng)相比較，全電剎車系統(tǒng)具有了其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。為此在我國(guó)進(jìn)行全電剎車系統(tǒng)的研究，對(duì)提升我國(guó)整體的機(jī)輪剎車水平有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)1陸垚,仲俊鑫,徐皓博.大型無人機(jī)剎車控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證j.航空精密制造技術(shù),2020,56(05):26-30.2尹喬之. 無人機(jī)低頻剎車與地面滑跑穩(wěn)定性研究d.南京航空航天大學(xué),2018.3王彥雄. 飛翼布局無人機(jī)