一種三自由度直升機實時仿真平臺的製作方法

2023-07-23 10:31:36 2

一種三自由度直升機實時仿真平臺的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可用於自動控制和直升機實驗的三自由度直升機實時仿真平臺，其包括機械本體、螺旋槳、直流無刷電機、位置傳感器、聯軸器、集電環、平衡塊、電源，其中機械本體包括基座、旋轉軸、俯仰軸、橫側軸、鉸鏈；基座包括上支撐板、下支撐板、四個支撐柱、圓錐滾子軸承、軸承座；兩個直流電機安裝在三自由度直升機橫側軸的上分別驅動兩個螺旋槳，位置傳感器分別用來採集直升機的俯仰角、旋轉角、旋轉速度以及橫側角數據。本實驗系統能滿足自動控制和直升機的相關算法驗證和課程教學需要，同時可以對直升機動力系統和電子系統的原理進行模擬，驗證不同控制策略的性能。
【專利說明】一種三自由度直升機實時仿真平臺

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種三自由度直升機實時仿真平臺，尤其是涉及用於自動控制和直升機控制策略驗證的實時仿真平臺。

【背景技術】
[0002]由於軍事、民生等各方面要求的日益提高，直升機的各項性能也逐漸提高，如直升機飛行控制技術的迅速發展，就大大改善了現代直升機的飛行品質，提高了現代直升機的戰場生存性。在實際飛行實驗之前，考慮到安全和經濟環保等因素，通常都會對直升機進行模型仿真飛行實驗，這樣即節省了人力、財力、物力和時間，還能對直升機實際試飛結果有一定的預測作用，也為直升機飛行控制系統方面的關鍵問題和技術的研究提供了方便。此夕卜，在控制理論發展的過程中，某一理論的正確性及其實際應用中的可行性需要一個按其理論設計的控制器去控制一個典型對象來驗證。三自由度直升機就是這樣一個被控對象，其本身是一個自然不穩定體，在控制過程中能有效地反映控制中的許多關鍵問題，如非線性問題、魯棒性問題、隨動問題等，可以進行自動控制算法和直升機控制實驗驗證。
[0003]目前市面上的三自由度直升機的旋轉軸部分一般採用二層架構，增加了機體的重量，便攜性能差；三個轉動軸均安裝有軸承，也增加了機體的重量和生產成本；平衡機構主要通過螺紋孔位置的來調節配重塊的位置，由於螺紋孔之間有一定間隔，因此很難使配重塊剛好與機頭平衡，無法使俯仰軸處於自然水平狀態，因此需要人工幹預才能進行俯仰軸零位的標定，並且使得三自由度直升機在進行俯仰運動的時候需要螺旋槳輸出更大的抬升力。


【發明內容】

[0004]為了提高直升機設計的成功率，在實際飛行前，對直升機模型進行仿真飛行實驗，以及對不同控制系統的性能進行驗證，本實用新型提供了一種可用於自動控制算法和直升機實驗驗證的三自由度直升機實時仿真平臺。
[0005]本實用新型可用於自動控制和直升機實驗的三自由度直升機實時仿真平臺包括機械本體1、螺旋槳I 2、螺旋槳II 7、直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8、位置傳感器
I4、位置傳感器II 23、位置傳感器III 24、集電環5、平衡塊6、電源13，其中機械本體1包括基座9、旋轉軸10、俯仰軸11、橫側軸12，兩個直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8分別安裝在橫側軸12兩端，螺旋槳I 2、螺旋槳II 7安裝在直流無刷電機I 3、直流無刷電機Π8上並由其驅動，橫側軸12通過鉸鏈II 26設置在俯仰軸11 一端，俯仰軸11另一端裝有平衡塊6，俯仰軸11通過鉸鏈I 25安裝在旋轉軸10上，鉸鏈I 25與旋轉軸10固連，集電環5安裝在旋轉軸10上，止轉片20安裝在上基座5上並與集電環5外殼固連，旋轉軸10固定於基座9上，電源13設置在基座9上，在俯仰軸11和橫側軸12連接處設置有位置傳感器III 24，在俯仰軸11和鉸鏈I 25連接處設置有位置傳感器II 23，旋轉軸10下部裝有位置傳感器I 4，位置傳感器II 23、位置傳感器III 24分別通過聯軸器I 21、聯軸器II 22與連接，聯軸器I 21、聯軸器II 22在緊定螺釘的作用下其兩端分別與位置傳感器II 23、位置傳感器III 24和鉸鏈I 25、鉸鏈II 26抱死。
[0006]其中所述基座9包括上支撐板14、下支撐板15、四個支撐柱16、圓錐滾子軸承17、軸承座18，上支撐板14和下支撐板15通過四個支撐柱16支撐，圓錐滾子軸承17安裝於軸承座18內，軸承座18固定在下支撐板15上，旋轉軸10安裝在圓錐滾子軸承17內，位置傳感器I 4設置在軸承座18上方，彈簧板19裝在位置傳感器I 4的下表面，限制該傳感器外圈的轉動。
[0007]本實用新型中所述位置傳感器I為增量式編碼器，位置傳感器II與位置傳感器III均為絕對式編碼器。
[0008]本實用新型中所述集電環採用過孔式集電環，安裝於上支撐板上方的旋轉軸上。
[0009]本實用新型具有的有益效果是:
[0010]1、可以對直升機的控制算法進行仿真驗證。
[0011]2、基於採用單層架構，減輕了整機重量，降低了系統功耗。
[0012]3、俯仰軸和橫側軸的旋轉運動由鉸鏈支撐，可以減輕整機重量同時也可以降低製造成本。
[0013]4、配重塊可以在俯仰軸上連續滑動，便於標定俯仰軸的零位，並減小需要的抬升力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型裝置的結構示意圖；
[0015]圖2是本實用新型基座的部分結構示意圖；
[0016]圖3是本實用新型旋轉軸與俯仰軸連接示意圖；
[0017]圖4是本實用新型俯仰軸與橫側軸連接示意圖；
[0018]圖中:1是機械本體，2是螺旋獎I，3是直流無刷電機，4是位置傳感器1、5是集電環，6是平衡塊，7是螺旋獎II，8是直流無刷電機II，9是基座，10是旋轉軸，11是俯仰軸，12是橫側軸，13是電源，14是上支撐板，15是下支撐板，16是支撐柱，17是圓錐滾子軸承，18是軸承座，19是彈簧板，20是止轉片，21是聯軸器I，22是聯軸器II，23是位置傳感器II，24是位置傳感器III，25是鉸鏈I，26是鉸鏈II。

【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明，但本實用新型保護範圍不局限於所述內容。
[0020]本實用新型主要包括機械本體1、螺旋槳I 2、螺旋槳II 7、直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8、位置傳感器I 4、集電環5、平衡塊6、電源13，其中機械本體1包括基座9、旋轉軸10、俯仰軸11、橫側軸12，兩個直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8分別安裝在橫側軸12兩端，螺旋槳I 2和螺旋槳II 7分別安裝在直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8上並由其驅動，橫側軸12通過鉸鏈II 26安裝在俯仰軸11 一端，俯仰軸11另一端裝有平衡塊6，俯仰軸11通過鉸鏈I 25安裝在旋轉軸10上，鉸鏈I 25與旋轉軸10焊接，集電環5安裝在旋轉軸10上，止轉片20安裝在上基座5上並與集電環5外殼固連，旋轉軸10固定於基座9上，電源13設置在基座9上，在俯仰軸11和橫側軸12連接處設置有位置傳感器III 24，在俯仰軸11和鉸鏈I 25連接處設置有位置傳感器II 23，旋轉軸10下部裝有位置傳感器
I4，位置傳感器II 23、位置傳感器III 24分別通過聯軸器21、聯軸器22與鉸鏈I 25、鉸鏈
II26連接，其中聯軸器21在緊定螺釘的作用下兩端分別與位置傳感器II 23和鉸鏈I 25抱死，聯軸器22在緊定螺釘的作用下兩端分別與位置傳感器III 24和鉸鏈II 26抱死；基座9包括上支撐板14、下支撐板15、四個支撐柱16、圓錐滾子軸承17、軸承座18，上支撐板14和下支撐板15通過四個支撐柱16支撐，圓錐滾子軸承17安裝於軸承座18內，軸承座18固定在下支撐板15上，旋轉軸10安裝在圓錐滾子軸承17內，位置傳感器I 4設置在軸承座18上方，彈簧板19裝在位置傳感器I 4的下表面，限制該傳感器外圈的轉動(見圖1、2、3、4)。
[0021]直流無刷電機3和直流無刷電機8分別驅動螺旋槳I 2和螺旋槳II 7轉動，並分別產生大小不等的向上的升力，螺旋槳I 2和螺旋槳II 7升力之和使得俯仰軸11在平衡塊6的共同作用下以鉸鏈I 25為支點旋轉，產生俯仰角，而升力之差使得橫側軸12圍繞鉸鏈
II26為支點旋轉，最終維持一個橫測角。此時由於螺旋槳I 2和螺旋槳II 7的升力方向始終垂直於橫側軸12，因此隨著橫側軸12的偏轉螺旋槳I 2和螺旋槳II 7的升力方向發生變化，其升力分解產生的垂直水平方向的力依然作用於俯仰軸11、橫側軸12，產生俯仰角、橫測角，而該升力分解後的切向力則驅動旋轉軸10帶動俯仰軸11、橫側軸12 —起旋轉。
[0022]在對控制系統算法或直升飛機進行仿真驗證時，可以在運行系統前對運動控制卡進行編程。運動控制卡通過USB線與PC機連接，此時運動控制卡由USB供電，將電調電源上電後，PC機運行程序啟動三自由度直升機系統，設置其俯仰角、橫側角、旋轉速度，運動控制卡根據上位機所設置的數據輸出控制量至電調，電調控制直流無刷電機I 3和直流無刷電機II 8的轉速，直流無刷電機I 3和直流無刷電機II 8轉速發生改變導致螺旋槳I 2和螺旋槳II 7升力發生變化，從而直升機三個軸的姿態以及旋轉軸10的速度發生變化。三個位置傳感器分別將直升機旋轉軸10、俯仰軸11、橫側軸12的姿態以及旋轉軸10的速度反饋至PC機，構成控制系統的閉環控制，實現對三自由度直升機的姿態和速度控制。
【權利要求】
1.一種三自由度直升機實時仿真平臺，其特徵在於:其包括機械本體(I)、螺旋槳I(2)、螺旋槳II(7)、直流無刷電機I (3)、直流無刷電機II (8)、位置傳感器I (4)、位置傳感器II (23)、位置傳感器111(24)、集電環(5)、平衡塊(6)、電源(13)，其中機械本體(I)包括基座(9 )、旋轉軸(10 )、俯仰軸(11)、橫側軸(12 )，兩個直流無刷電機I (3 )、直流無刷電機II(8)分別安裝在橫側軸(12)兩端，螺旋槳I (2)、螺旋槳II (7)安裝在直流無刷電機I(3)、直流無刷電機II(8)上並由其驅動，橫側軸(12)通過鉸鏈II (26)設置在俯仰軸(11)一端，俯仰軸(11)另一端裝有平衡塊(6 )，俯仰軸(11)通過鉸鏈1(25)安裝在旋轉軸(10 )上，鉸鏈I (25)與旋轉軸(10)固連，集電環(5)安裝在旋轉軸(10)上，止轉片(20)安裝在上基座(5)上並與集電環(5)外殼固連，旋轉軸(10)固定於基座(9)上，電源(13)設置在基座(9)上，在俯仰軸(11)和橫側軸(12)連接處設置有位置傳感器III(24),在俯仰軸(11)和鉸鏈I (25)連接處設置有位置傳感器II (23)，旋轉軸(10)下部裝有位置傳感器I (4)，位置傳感器II (23)、位置傳感器111(24)分別通過聯軸器I (21)、聯軸器II (22)與鉸鏈I(25)、鉸鏈II (26)連接，聯軸器I (21)、聯軸器II (22)在緊定螺釘的作用下其兩端分別與位置傳感器II (23)、位置傳感器III (24)和鉸鏈I (25)、鉸鏈II (26)抱死。
2.根據權利要求1所述的三自由度直升機實時仿真平臺，其特徵在於:基座(9)包括上支撐板(14)、下支撐板(15)、四個支撐柱(16)、圓錐滾子軸承(17)、軸承座(18)，上支撐板(14)和下支撐板(15)通過四個支撐柱(16)支撐，圓錐滾子軸承(17)安裝於軸承座(18)內，軸承座(18)固定在下支撐板(15)上，旋轉軸(10)安裝在圓錐滾子軸承(17)內，位置傳感器I (4)設置在軸承座(18)上方，彈簧板(19)裝在位置傳感器I (4)的下表面。
【文檔編號】B64F5/00GK204056316SQ201420438926
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】楊慧萍, 高貫斌, 那靖 申請人:昆明理工大學