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摘要：設計了一種室內智能機器人靶車，其能攜帶一個平面半身多部位靶，實現多部位報靶功能，且能攜帶側轉機構組件或起倒機構組件，實現運動過程中側轉或起倒等擬人動作，還能根據激光雷達自主定位，實現靶車按預設路徑運行的要求。靶車經過設計計算確定驅動電機參數，并通過試驗驗證，滿足設計要求。
關鍵詞：智能機器人靶車；平面半身多部位靶；自主定位
0引言
隨著當前警用實彈戰術射擊實戰化訓練的推進，對運動靶標所模擬的假想敵的運動特性逼真度要求也越來越高，為此，本文設計了一種室內智能機器人靶車，其能攜帶一個平面半身多部位靶，實現多部位報靶功能，且能攜帶側轉機構組件或起倒機構組件，實現運動過程中側轉或起倒等擬人動作，還能根據激光雷達自主定位，在多種室內靶場中按預設路徑或自主規劃路徑運行，模擬假想敵目標的多種特征。
1設計要求
某項目要求研制一種室內智能機器人靶車，該機器人靶車總重為60kg，最大速度為4m/s，能夠攜帶平面多部位靶，且能實現起倒功能[0°～90°（前向），起倒時間≯1s]或側轉功能[0°～360°，側轉角速度≮180（°）/s]。
2室內智能機器人靶車組成及設計
室內智能機器人靶車主要由機器人平臺、側轉機構組件或起倒機構組件、攝像頭云臺組件、激光雷達組件、平面多部位靶等部分組成，如圖1所示。機器人平臺主要負責靶車移動，側轉機構組件負責實現靶標側轉功能，起倒機構組件負責實現靶標起倒功能，攝像頭云臺組件用于對訓練人員進行持續跟蹤，激光雷達組件用于建圖和自主定位，平面多部位靶實現多部位報靶功能。
2.1機器人平臺設計。如圖2所示，機器人平臺所有零部件都固定在基板上，平臺主要由基板、輪轂電機、驅動器、主控制器、鋰電池、萬向輪等組成。機器人平臺共有兩個輪轂電機，分別居中安裝在平臺兩側，負責平臺的運動控制，驅動器為一拖二驅動器，分別用來控制兩個輪轂電機。鋰電池負責給設備供電。在平臺四角分別安裝一個萬向輪，對平臺進行支撐。輪轂電機安裝時設計了彈簧減震機構，確保驅動輪時刻與地面接觸，以防失去驅動力。
2.2機器人平臺驅動電機功率計算。室內智能機器人靶車采用低壓直流無刷伺服輪轂電機驅動，通過光電編碼器測量反饋、閉環控制。在當前速度v下，電機轉速為：nmotor=i·nwheel=iv2πr（1）根據電機扭矩的輸出公式：Tmotor=9.549Pnmotor（2）則車輪輸出力矩為：Twheel=η·i·x·Tmotor（3）其中x為驅動電機個數，忽略風阻對車體加速度的影響，車體的加速度為：a=f（v）=Fm=Twheel/r-Frm（4）將式（4）進行積分運算，得到車體從靜止狀態加速運動到最大速度的時間：ta=vmax0乙1adv（5）整理后得到加速時間為：ta=vmax0乙mvηxP-μmgvdv（6）式中的電機功率P單位為瓦。已知η=0.85，m=60kg，μ=0.02，vmax=4m/s，把以上參數代入公式，并通過MATLAB程序仿真輸出電機功率-加速時間曲線圖，如圖3所示。設定靶車加速度為2m/s2，換算成加速時間，即靶車從0加速到4m/s需不大于2s，對應的總功率約為200W?？紤]靶車在橡膠磚地面行駛，摩擦系數大，電機總功率應留些余量，最終選擇總功率為320W。
2.3側轉機構組件設計。如圖4所示，側轉機構組件主要由側轉機構支架、側轉電機、蝸輪蝸桿減速器、光電開關、靶夾轉盤、導電滑環等組成。側轉電機通過蝸輪蝸桿減速器傳動后把動力傳動到靶夾轉盤，側轉靶夾固定在靶夾轉盤上，從而帶動平面半身多部位靶旋轉，實現靶標側轉功能。在蝸輪蝸桿減速器輸出軸另一端安裝一個光電開關，用于零位檢測。導電滑環用于側轉機構組件與平面多部位靶板之間走線，防止側轉機構旋轉時繞線。
2.4起倒機構組件設計。起倒機構組件主要由起倒機構支架、起倒電機、蝸輪蝸桿減速器、扭簧、光電開關、軸承座、靶夾法蘭等組成。起倒電機通過蝸輪蝸桿減速器把動力輸出到傳動軸上，傳動軸帶動靶夾法蘭旋轉運動，從而實現靶標起倒功能。扭簧用來縮小起靶時蝸輪蝸桿減速器間隙造成的晃動。光電開關用于零位檢測。
2.5平面半身多部位靶設計。室內智能機器人靶車可安裝平面半身多部位靶。平面半身多部位靶采用多層導電布組合而成，主要用于室內智能機器人靶車在復雜運行軌跡下的全方位射擊訓練。當子彈穿過平面半身多部位靶時，靶板可產生頭部、心部、胸部、腹部和其他部位5個報靶短路信號。
3試驗驗證
智能機器人靶車經過總裝調試后，進行了試驗驗收。試驗驗收主要對靶車最大速度、側轉角度范圍和側轉角速度、起倒角度范圍和起倒角速度等主要技術指標進行了測試。所選靶車驅動電機為兩個160W低壓伺服輪轂電機，額定轉速為500r/min，輪胎直徑為0.169m。故理論上靶車最大速度為：v=nmotorπD60=500×3.14×0.16960≈4.42m/s用遙控器遙控靶車以最大速度向前直線運行12m，記錄靶車從第4米運行到第9米（5m）的時間t，重復采集3次，采集的時間分別為1.1s、1.09s、1.08s，平均時間為1.09s，則靶車最大速度約為4.6m/s，滿足指標要求。所選靶車側轉電機為200W低壓伺服電機，額定轉速為3000r/min，減速器減速比為60，故理論上側轉機構組件側轉速度為：n=nmotori×60=300060×60≈0.83rad/s即理論側轉角速度為299（°）/s。用遙控器遙控靶車以最大速度側轉299°，記錄時間t，重復采集3次，采集的時間分別為1.05s、1.08s、0.98s，平均時間為1.04s，則靶車實測側轉角速度為288（°）/s，大于指標要求的180（°）/s。所選靶車起倒電機為400W低壓伺服電機，額定轉速為3000r/min，減速器減速比為60，與側轉電機測試方法相同，實測起倒電機起倒角速度同樣為288（°）/s，大于指標要求的90（°）/s。
4結語
試驗結果表明，所設計的室內智能機器人靶車滿足指標要求，設計的側轉機構組件和起倒機構組件實現了靶標運動過程中的側轉或起倒動作，且通過加裝的激光雷達組件，機器人靶車能實現自主定位，從而實現靶車自主路徑規劃和跟蹤功能，大大提高了假想敵目標的運動特性和逼真程度。
[參考文獻]
[1]李建中，牛天宏，王兆旭，等.軌道式遙控靶車系統設計[J].火炮發射與控制學報，2006（4）：50-53.
作者:王聿彪 陳冬波 張千偉 單位:南京模擬技術研究所
