无人机液压弹射系统的模型研究与仿真.pdf

2 0 1 4年 1 1 月 第4 2 卷 第 2 2 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS NO V ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． 0 4 2 无人机液压弹射系统的模型研究与仿真 赵灼辉 ，吴素珍 1 ． 四川电力职业技术学院，四川成都 6 1 0 0 0 0 ； 2 ． 河南工程学院，河南郑州4 5 1 1 9 1 摘要以气囊式蓄能器作为主要动力源、滑轮组作为增速机构的无人机液压弹射系统为研究对象 ，介绍了系统弹射阶 段的工作原理，提出一种分析滑轮组模型的新方法，建立了系统的简化模型，并利用功率键合图法推导出了系统的数学模 型。以一个实际系统为例进行仿真，得到了液压缸进油腔压力和无人机及滑车速度的变化曲线。通过类比证明该研究方法 是可行的，为类似系统的设计和研究提供了理论的指导。 关键词无人机液压弹射系统；功率键合图法；数学模型；仿真 中图分类号 T H 4 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 42 21 3 03 Re s e a r c h a nd S i mula t i o n t o t h e M o d e l o f UAV Hy dr a u l i c La un c h Sy s t e m Z HA0 Z h uo h ui ．W U S u z h e n 1 ． S i c h u a n E l e c t r i c V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． H e n a n I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u He n a n 4 5 1 1 9 1 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g u n m a n n e d a e ri a l v e h i c l e U A Vh y d r a u l i c l a u n c h s y s t e m w i t h b l a d d e r a c c u mu l a t o r a s ma i n p o w e r s u p p l y ， p u l l e y b l o c k a s g r o w t h m e c h a n i s m a s r e s e a r c h o b j e c t ， t h e w o r k i n g p ri n c i p l e o f t h e s y s t e m l a u n c h p h a s e w a s i n t r o d u c e d ， a n e w m e t h o d w a s p r o p o s e d t o a n a l y z e p u l l e y b l o c k mo d e l i n g ，t h e s i mp l i fi e d mo d e l o f t h e s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d，a n d t h e ma t h e ma t i c al mo d e l o f t h e s y s t e m wa s d e d u c e d b y u s i n g b o n d g r a p h me t h o d ．B a s e d o n a p r a c t i c a l s y s t e m f o r s i mu l a t i o n，t h e c h a n g i n g c h a r a c t e ri s t i c C H I V e s o f t h e h y - d r a u l i c c y l i n d e r i n t a k e c h a mb e r p r e s s u r e an d s p e e d o f UAV a n d s l i d i n g d o l l y w e r e g o t t e n ．T h e me t h o d f e a s i b i l i t y i s p r o v e d b y a n a l o g y ， wh i c h p r o v i d e s t h e o r e t i c a l g u i d an c e f o r t h e d e s i g n an d r e s e a r c h o f s i mi l a r s y s t e m． Ke y wo r d sUn ma n n e d a e ria l v e h i c l e h y d r a u l i c l a u n c h s y s t e m ；B o n d g r a p h me t h o d；S i mu l a t i o n 伴随着无人机在社会各领域中的广泛应用，与之 配套的弹射装置也得到了长足的发展 ，蓄能器供油式 无人机液压弹射系统因具有可靠性高、反应速度快等 特点 ，常被用于弹射 中小型无 人机⋯。 以往在对类似系统进行建模时，增速机构常被忽 略，而这会对分析系统性能的精确性造成一定的影 响。文中提出一种分析滑轮组模型的新方法，并利用 功率键合图法得到了无人机液压弹射系统的数学模 型，通过对一实际系统进行仿真，得到了一些有益的 结论 。 1 无人机液压弹射系统工作原理 无人机液压弹射系统的工作原理简 图如 图 1 所 示 ，系统 主要 由液压 能源 系统 、控制 元件 、弹射架 、 增速机构、无人机及滑车系统和缓冲装置等组成。系 统工作过程可分为 4个阶段，文中主要研究系统的弹 射阶段 。 弹射阶段，阀2 、6通电，液控单向阀 5反向开 启 ，蓄能器 和液压泵 中油液进人液压缸无杆腔 ，驱 动 活塞杆低速运动，经滑轮组增速后，钢丝绳带动无人 机及滑车实现高速运动，当滑车加速到弹射架指定位 置时，行程开关动作，阀2断电，阀8反向关闭，无 人 机脱离滑 车起 飞 ，系统进入缓 冲阶段 。 1 一 液压 泵 2 一 电磁 溢流 阀 3 一 单 向 阀 4 一气囊式蓄能器 5 一 液控 单 向 阀 6 一 二位 四通 方 向控 制 阀 7 一 二位 二 通方 向控制 阀 8 一 溢 流 阀 9 - 一开 闭 阀 l O 一 液压 缸 l 1 一 连 接体 l 2 一增速机构 l 3 一 缓冲 装 置 I 4 一 钢丝 绳 1 5 一 无人 机 及滑 车 图 1 无人机液压弹射系统工作原理简图 收稿 日期 2 0 1 31 01 9 作者简介赵灼辉 1 9 7 l 一 ，女，硕士，副教授 ，主要研究方向为工程图学教育、计算机辅助设计。Em a i l z z u j x 2 0 1 l l x l 1 2 6． e o m。 第 2 2期 赵灼辉 等无人机液压弹射系统的模型研究与仿真 1 3 1 2 无人机液压弹射 系统模型的简化 2 ． 1 增速机构模型的简化 增速机 构 由动 滑轮 组 、定 滑轮 组 和钢 丝 绳 等组 成 ，图2为增速倍数 n为偶数的增速滑轮组力学模 型，若需 n为奇数，则在钢丝绳末端绕过最后一个定 滑轮后，将其固定在动滑轮组上 。 图2 增速滑轮组力学模型 文中对滑轮组模型作如下考虑 1 考虑到钢丝绳 的伸缩，可将钢丝绳看作弹 性很小的弹簧 ，将钢丝绳与滑轮、滑轮轴承处的摩擦 看作 阻性元 ； 2 将滑轮组间2 n 段钢丝绳按并联规则等效 ； 3 将活塞杆、连接体、动滑轮组和动滑轮组 转换的质量体合并为 m ， ；定滑轮组转换的质量体为 m ，无人机及滑车的质量为 m 。 4 因对滑轮组和钢丝绳进行 了等效，故在简 化模 型 中用杠杆来表示增速关系 。 2 ． 2液压 系统的 简化 为了简化模型，对液压系统作以下处理 1 合并了软管和液压缸的液容、软管和阀口 的液阻 ； 2 相 对于蓄 能器 ，液压 泵 的流 量 较小 ，因此 忽略 了液压泵所在管路的液阻和液容。 2 ． 3无人 机 液压 弹射 系统 的 简化 模型 根据以上分析，可得无人机液压弹射系统的简化 模型如 图 3所示 。 图 3 无人机液压弹射系统简化模型 3 无人机液压弹射系统数学模型建立 3 ． 1 无人机液压弹射 系统的数 学模型 功率键合图，简称键合图，是一种用来描述工程 系统能量结构 的图示表示方法 ，是进行 液压 系统乃至 各类工程动态特性仿真时有效的建模工具 。 根据无人机液压弹射系统简化模型及键合图建模 的有关规则 ，建立了如图4 所示的无人机液压弹射 系统的键合图模型。模型中状态变量有蓄能器容积 的变化 ． ，液压缸 进油 腔容积 的变 化 ，液 压缸 出 油腔容积 的变化 。 ，质 量体 m 的动量 P 质量体 m 的动量 P ，无人机及滑车的动量 P ] ， ，等效钢丝 绳的变形 ，连接滑车钢丝绳的变形 。 c 广 R 2 Fn O／ _ ． 2718 C } c l 。 1 。 TF l 5 ，， l TF 。 I f2 [ c3 T， T l ， 。 l 。 ． 矗． 0 TF ‘ 蓦 ，1 雕 黜 下 舫 秘 ㈩ X2o n X 27 - 击 l_ 一 p， c4n c5 s 岢 毒 i 工 _ V 一 9 A 一 X G 42 一K 一 3 ／ -2 4 一 F 31 拿 z ㈩ 一 肄 丑 。 一 5 ～ Rl R2 6 7 8 9 1 3 2 机床与液压 第 4 2卷 式中 P ， 为蓄能器出口压力；S 为液压泵流量；C 为蓄能器的容性；C 为液压缸进油腔和进油管道液 容之和；C 为液压缸 出油腔和 出油管道液容之和； C 为等效钢丝绳的容性；C 为连接滑车钢丝绳的容 性 ；R 为蓄能器出口液阻；R 为液控单 向阀液阻和 进油管道液阻之和；R ， 为 自制开闭阀的泄漏液阻； 为出油管道液阻和溢流阀液阻之和； 为液压缸 活塞处摩擦力； 为滑轮组 中总摩擦力；F 。 为无人 机及滑车所受阻力；F 。 为无人机 自身动力 ；I m ． 为 m 。 的质量；I m ， 为 m 的质量；， 为 的质量；A 为液 压缸进油腔面积 ；A 为液压缸 出油腔面积 ； n为滑 轮 组增速 比。 3 ． 2 数学模型参数的确定 1 蓄能器供油模型 蓄能器的工作过程可按绝热过程处理，依据绝热 过程气体状态方程可得 qc 1 o 其 中 学 式中 P 为蓄能器内瞬时压力 ；P 。 为蓄能器 的充气 压力 ； P 为蓄能器的充油压力； 为蓄能器的容积； q为蓄能器出口流量；k为气体熵数；E为液压油弹 性模量 。 2 滑轮转动的等效转换 按照能量守恒的原则将滑轮的转动转换为定质量 体的直线运动 ] i ⋯ m 1 2 对定滑轮组 r 4 - 一 1 n 为偶数 i { 1 3 I n 为奇数 对动滑轮组 f n为偶数 i { 1 4 I n为奇数 其中-， 为滑轮的转动惯量； 为动或定滑轮组中第 i 个滑轮的角速度；m 为定质量体的质量； 为定质 量体 的速度 。 4 无人机液压弹射系统的仿真 采用变步长的四阶龙格库塔法 ，通过在 M A T L A B 软件上编写仿真程序求解上述状态微分方程组 ] 。仿 真系统的主要参数蓄能器的容积为0 ． 0 6 3 m ，蓄能 器的充气压力为 1 6 M P a ，蓄能器 的充油压力为 2 3 MP a ，无人机及滑车质量 为 1 1 0 k g ，无 人机最小 安全 起飞速度为 3 5 m ／ s ，滑轮组增速比为 2 0 ，液压缸直 径为 0 ． 1 2 5 m，行程为0 ． 6 m，弹射架导轨长为 8 m， 仿真时间为 0 ． 4 S 。 无人机行程为 6 ． 4 m时仿真结束 ，忽略缓冲阶段 的时间，可得 液压 缸进 油腔 压力 变化 曲线 如 图 5所 示，无人机及滑车速度变化曲线如图6所示。 图 5 液压缸进油腔 图 6 无人机及滑 车 压力变化曲线 速度变化曲线 由仿 真可 知t 0 ． 3 5 S时，无人机 的速度为 3 5 ． 6 m ／ s ，满足了无人机安全起飞的速度要求。通过 与相关试验类比，证明该研究方法是可行的。 5结论 1 提 出了一 种分析 滑轮 组模 型 的新方 法 ，得 到了无人机液压弹射系统的简化模型，为系统的进一 步分析奠定了基础。 2 基于功率键合图法建立了无人机液压弹射 系统的键合图模型，推导出了模型的状态微分方程； 经过仿真与类比分析可知，功率键合图法对研究该系 统是有效的。 参考文献 [ 1 ]国外无人机大全编写组． 国外无人机大全[ M] ． 北京 航 空工业出版社， 2 0 0 1 4 4 7 4 5 7 ． [ 2 ]李悦， 裴锦华． 无人机气液压发射动力学数值仿真 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 1 ， 4 7 8 1 8 31 9 0 ． [ 3 ]刘兴阳， 同智宽， 李永林 ， 等． 无人机液压弹射装置能源 系统仿真研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 1 7 0 1 7 2． [ 4 ]K A R N O P P D， R O S E N B E R G R o n M d C ． S y s t e m D y n a m i c s A U n i fi e d A p p wa e h[ M] ． N e w Y o r k Wi l e y I n t e r s c i e n c e ， 1 9 9 0 ． [ 5 ]王中双． 键图理论及其在系统动力学中的应用[ M] ． 哈 尔滨 哈尔滨工程大学出版社， 2 0 0 0 1 96 0 ． [ 6 ]严金坤． 液压动力控制[ M] ． 上海 上海交通大学 出版 社 。 1 9 8 6 1 3 5 ． [ 7 ]赵俊波． 取料系统起动特性及速度稳定性的理论分析和 试验研究 [ D] ． 郑州 郑州大学， 2 0 1 0 1 8 2 0 ． [ 8 ]刘白雁． 机电系统动态仿真[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 5 1 0 81 1 1 ．