一種變質心飛行器模擬裝置的製作方法
2023-09-22 05:53:30
本發明涉及飛行器控制領域，具體涉及一種飛行器模擬裝置。
背景技術：
在飛行器控制領域，變質心控制的特點使得其獲得了廣泛的應用，如大氣層外飛行器、水下飛行器和大氣層內飛行器。其中大氣層內飛行器的變質心控制是當前研究的熱點，當前對變質心控制技術的研究主要集中在再入飛行器和攔截彈上，國內外研究學者從建模、機理和性能分析以及制導控制系統設計等方面開展了工作。但變質心構型的硬體實現卻遲遲沒有進展。
變質心控制技術是通過主動移動飛行器內部的活動質量體，改變系統質心的位置，引起作用在飛行器上的外力矩發生改變來獲得期望的控制力矩，從而達到對飛行器機動控制的目的。現有的變質心控制方式為氣動舵面和側噴發動機兩種，現有的變質心控制方式以及對應的飛行器有以下缺陷：
1.不利於飛行器獲得良好的氣動外形。
2.舵面控制帶來超高聲速飛行時的舵面燒蝕等一系列問題。
3.對於高速運動的再入飛行器，採用側噴發動機方式不能充分利用氣動力進行機動，獲得很大的控制力和控制力矩，需要大的能量消耗，產生的控制力矩大小與燃料消耗之間的突出矛盾。
所以現有的控制方式所對應的飛行器嚴重製約飛行器的研究和發展。
技術實現要素：
本發明為了解決現有的變質心控制方式對應的飛行器沒有良好的氣動外形和側噴發動機方式不能充分利用氣動力進行機動的問題，進而提出了一種變質心飛行器模擬裝置，以便推動飛行器的研究和設計工作。
一種變質心飛行器模擬裝置，包括：攻角測量碼盤、飛行器殼體、運動齒條、活動質量體、支撐框架、兩個框架聯結軸、步進電機轉角測量碼盤、步進電機、控制計算機、質量體聯結軸和齒輪；
支撐框架包括兩個立柱、一個橫梁；橫梁兩端分別於兩個立柱的頂端連接，構成門型框架，兩個立柱的底端固定在地面或試驗臺上；橫梁的中部、門型框架內側設置兩個框架聯結軸；攻角測量碼盤設安裝在框架聯結軸上，攻角測量碼盤與控制計算機信號連接；攻角測量碼盤用於測量框架聯結軸的角度進而測量飛行器殼體的攻角，並將測量數值傳輸給控制計算機；
飛行器殼體為籠狀錐體，飛行器殼體的錐體底面通過橫梁的中部設置的兩個框架聯結軸與支撐框架鉸接，飛行器殼體的錐體尖端向下，飛行器殼體能夠繞框架聯結軸擺動；
活動質量體為錐體形狀，位於飛行器殼體內部；活動質量體的錐形尖端通過質量體聯結軸與飛行器殼體的錐體尖端鉸接；活動質量體的錐體底面上安裝有步進電機和齒輪，步進電機的輸出軸與齒輪固定連接；弧形的運動齒條固定在飛行器殼體錐體底面的錐體內部一側的面上；齒輪與運動齒條組成齒輪齒條運動副；步進電機通過齒輪齒條運動副驅動活動質量體在飛行器殼體內部以質量體聯結軸為中心擺動；步進電機轉角測量碼盤安裝在步進電機與齒輪固定連接的輸出軸一端，步進電機上設置有電機控制器；控制計算機安裝在活動質量體內部；步進電機的電機控制器與控制計算機信號連接；控制計算機通過電機控制器控制步進電機轉動；步進電機轉角測量碼盤測量步進電機轉角，將測量數值反饋給控制計算機。
一種變質心飛行器模擬裝置，包括：攻角測量碼盤、飛行器殼體、運動齒條、活動質量體、支撐框架、兩個框架聯結軸、步進電機轉角測量碼盤、步進電機、控制計算機、質量體聯結軸和齒輪；
支撐框架包括兩個立柱、一個橫梁；橫梁兩端分別於兩個立柱的頂端連接，構成門型框架，兩個立柱的底端固定在地面或試驗臺上；橫梁的中部、門型框架內側設置兩個框架聯結軸；攻角測量碼盤設安裝在框架聯結軸上，攻角測量碼盤與控制計算機信號連接；攻角測量碼盤用於測量框架聯結軸的角度進而測量飛行器殼體的攻角，並將測量數值傳輸給控制計算機；
飛行器殼體為籠狀錐體，飛行器殼體的錐體底面通過橫梁的中部設置的兩個框架聯結軸與支撐框架鉸接，飛行器殼體的錐體尖端向下，飛行器殼體能夠繞框架聯結軸擺動；
活動質量體包括圓形底板和三角形立板，三角形立板與圓形底板垂直固接；活動質量體位於飛行器殼體內部；活動質量體的三角形立板的尖端通過質量體聯結軸與飛行器殼體的錐體尖端鉸接；活動質量體的圓形底板上安裝有步進電機和齒輪，步進電機的輸出軸與齒輪固定連接；弧形的運動齒條固定在飛行器殼體錐體底面的錐體內部一側的面上；齒輪與運動齒條組成齒輪齒條運動副；步進電機通過齒輪齒條運動副驅動活動質量體在飛行器殼體內部以質量體聯結軸為中心擺動；步進電機轉角測量碼盤安裝在步進電機與齒輪固定連接的輸出軸一端，步進電機上設置有電機控制器；控制計算機安裝在活動質量體三角形立板的側面上；步進電機的電機控制器與控制計算機信號連接；控制計算機通過電機控制器控制步進電機轉動；步進電機轉角測量碼盤測量步進電機轉角，將測量數值反饋給控制計算機。
本發明具有以下有益效果：
1.本發明的變質心控制機構完全在飛行器內部工作，有利於飛行器獲得良好的氣動外形。
2.本發明的變質心控制可以避免氣動舵面控制帶來的一系列問題，如超高聲速飛行時的舵面燒蝕問題等。
3.對於高速運動的再入飛行器可以充分利用氣動力進行機動，這樣既節省了能量上的消耗，同時又能獲得很大的控制力和控制力矩，避免了採用側噴發動機方式產生的控制力矩大小與燃料消耗之間的突出矛盾。相比現有的其他飛行器裝置，在調整相同的攻角情況下，本發明所對應的飛行器的機動能耗理論上降低2.7％以上。
附圖說明
圖1為一種變質心飛行器模擬裝置結構示意圖；
圖2為一種變質心飛行器模擬裝置結構示意圖；
圖3為一種變質心飛行器模擬裝置樣機；
圖4利用樣機實現比例微分控制的階躍響應圖像；
圖5階躍響應圖像對應的步進電機轉角變化曲線。
具體實施方式
具體實施方式一：結合圖1和圖2說明本實施方式，
一種變質心飛行器模擬裝置，包括：攻角測量碼盤1、飛行器殼體2、運動齒條3、活動質量體4、支撐框架5、兩個框架聯結軸6、步進電機轉角測量碼盤8、步進電機9、控制計算機10、質量體聯結軸11和齒輪12；
支撐框架5包括兩個立柱、一個橫梁；橫梁兩端分別於兩個立柱的頂端連接，構成門型框架，兩個立柱的底端固定在地面或試驗臺上；橫梁的中部、門型框架內側設置兩個框架聯結軸6；攻角測量碼盤1設安裝在框架聯結軸6上，攻角測量碼盤1與控制計算機10信號連接；攻角測量碼盤1用於測量框架聯結軸6的角度進而測量飛行器殼體2的攻角，並將測量數值傳輸給控制計算機10；
飛行器殼體2為籠狀錐體，飛行器殼體2的錐體底面通過橫梁的中部設置的兩個框架聯結軸6與支撐框架5鉸接，飛行器殼體2的錐體尖端向下，飛行器殼體2能夠繞框架聯結軸6擺動；
活動質量體4為錐體形狀，位於飛行器殼體2內部；活動質量體4的錐形尖端通過質量體聯結軸11與飛行器殼體2的錐體尖端鉸接；活動質量體4的錐體底面上安裝有步進電機9和齒輪12，步進電機9的輸出軸與齒輪固定連接；弧形的運動齒條3固定在飛行器殼體2錐體底面的錐體內部一側的面上；齒輪12與運動齒條3組成齒輪齒條運動副；步進電機9通過齒輪齒條運動副驅動活動質量體4在飛行器殼體2內部以質量體聯結軸11為中心擺動；步進電機轉角測量碼盤8安裝在步進電機9與齒輪固定連接的輸出軸一端，步進電機9上設置有電機控制器；控制計算機10安裝在活動質量體4內部；步進電機9的電機控制器與控制計算機10信號連接；控制計算機10通過電機控制器控制步進電機9轉動；步進電機轉角測量碼盤8測量步進電機9轉角，將測量數值反饋給控制計算機10。
具體實施方式二：
本實施方式所述的一種變質心飛行器模擬裝置還包括限位開關7，限位開關7安裝在飛行器殼體2錐體底面的錐體外部一側的面上，限位開關7的觸控裝置設置在運動齒條的兩端。當步進電機9運動至齒條兩端時，觸發限位開關，從而使電機停止運動，避免可活動質量體與飛行器殼體的直接碰撞。
其他結構和參數與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：
本實施方式所述的活動質量體4上裝有可拆卸的質量塊。
其他結構和參數與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：
本實施方式所述的控制計算機10為單片機。
其他結構和參數與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：
本實施方式所述的一種變質心飛行器模擬裝置，還包括上位機，所述控制計算機10與上位機信號連接，上位機輸出攻角曲線。
其他結構和參數與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：
一種變質心飛行器模擬裝置，包括：攻角測量碼盤1、飛行器殼體2、運動齒條3、活動質量體4、支撐框架5、兩個框架聯結軸6、步進電機轉角測量碼盤8、步進電機9、控制計算機10、質量體聯結軸11和齒輪12；
支撐框架5包括兩個立柱、一個橫梁；橫梁兩端分別於兩個立柱的頂端連接，構成門型框架，兩個立柱的底端固定在地面或試驗臺上；橫梁的中部、門型框架內側設置兩個框架聯結軸6；攻角測量碼盤1設安裝在框架聯結軸6上，攻角測量碼盤1與控制計算機10信號連接；攻角測量碼盤1用於測量框架聯結軸6的角度進而測量飛行器殼體2的攻角，並將測量數值傳輸給控制計算機10；
飛行器殼體2為籠狀錐體，飛行器殼體2的錐體底面通過橫梁的中部設置的兩個框架聯結軸6與支撐框架5鉸接，飛行器殼體2的錐體尖端向下，飛行器殼體2能夠繞框架聯結軸6擺動；
活動質量體4包括圓形底板和三角形立板，三角形立板與圓形底板垂直固接；活動質量體4位於飛行器殼體2內部；活動質量體4的三角形立板的尖端通過質量體聯結軸11與飛行器殼體2的錐體尖端鉸接；活動質量體4的圓形底板上安裝有步進電機9和齒輪12，步進電機9的輸出軸與齒輪固定連接；弧形的運動齒條3固定在飛行器殼體2錐體底面的錐體內部一側的面上；齒輪12與運動齒條3組成齒輪齒條運動副；步進電機9通過齒輪齒條運動副驅動活動質量體4在飛行器殼體2內部以質量體聯結軸11為中心擺動；步進電機轉角測量碼盤8安裝在步進電機9與齒輪固定連接的輸出軸一端，步進電機9上設置有電機控制器；控制計算機10安裝在活動質量體4三角形立板的側面上；步進電機9的電機控制器與控制計算機10信號連接；控制計算機10通過電機控制器控制步進電機9轉動；步進電機轉角測量碼盤8測量步進電機9轉角，將測量數值反饋給控制計算機10。
具體實施方式七：
本實施方式所述的一種變質心飛行器模擬裝置還包括限位開關7，限位開關7安裝在飛行器殼體2錐體底面的錐體外部一側的面上，限位開關7的觸控裝置設置在運動齒條的兩端。當步進電機9運動至齒條兩端時，觸發限位開關，從而使電機停止運動，避免可活動質量體與飛行器殼體的直接碰撞。
其他結構和參數與具體實施方式六相同。
具體實施方式八：
本實施方式所述的活動質量體4上裝有可拆卸的質量塊。
其他結構和參數與具體實施方式六或七相同。
具體實施方式九：
本實施方式所述的控制計算機10為單片機。
其他結構和參數與具體實施方式六至八之一相同。
具體實施方式十：
本實施方式所述的一種變質心飛行器模擬裝置還包括上位機，所述控制計算機10與上位機信號連接，上位機輸出攻角曲線。
其他結構和參數與具體實施方式六至九之一相同。
實施例
圖3所示為本發明的演示樣機。演示樣機的控制計算機10通過串口與上位機連接。上位機向控制計算機10發送指令攻角，從而使系統開始工作。控制計算機接收到指令攻角後，向步進電機9發送運動指令，從而驅動步進電機9沿著飛行器殼體的運動齒條3運動。由於步進電機9與活動質量體4相對固定，因而在步進電機9運動的過程中，活動質量體4隨著步進電機9繞質量體聯結軸11的鉸接點相對於飛行器殼體2運動，由於飛行器殼體2與系統支撐框架5為鉸接關係，因而飛行器殼體4可相對於系統框架5繞框架聯結軸6轉動，從而使得整個系統的質心位置發生變化，使得攻角測量碼盤1所測得的角度即攻角發生變化，從而實現攻角的改變。
本發明中，測量反饋裝置所包含的兩個攻角測量碼盤1和轉角測量碼盤8與控制計算機10相連，工作過程中兩碼盤將所測數據實時傳送給控制計算機10。
由於步進電機9為步進電機，無測量效果，因而與電機同軸安裝一個轉角測量碼盤8，用來作為電機運動角度的反饋，當控制計算機10給電機發送運動指令後，可以通過轉角測量碼盤8來得到電機實際的轉動角度。
控制計算機10與上位機連接，輸出以下結果圖像：
圖4利用樣機實現比例微分控制的階躍響應圖像；
圖5階躍響應圖像對應的步進電機轉角變化曲線。