CN103984241B - 小型无人直升机试验台及试验模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直升机飞行仿真试验、测试设备及飞行仿真训练设备等技术领域，尤其涉及一种地面效应模拟装置及模拟方法。小型无人直升机试验台及试验模拟方法，其技术方案是，它包括：安装平台(1)、数据采集系统(2)、三自由度运动平台(3)，地面效应模拟装置(4)、控制计算机(5)、侧风模拟装置(6)以及安装架(7)；本发明通过控制计算机(5)输出控制信号给无人直升机进行飞行机动，通过数据采集系统(2)获得无人直升机力和力矩输入至控制计算机(5)，并解算获得直升机飞行数据，通过三自由度运动平台(3)作动模拟直升机飞行姿态；本发明简化了控制器设计中的直升机模型仿真，并使输出数据更具真实性和可靠性。

Description

小型无人直升机试验台及试验模拟方法

技术领域

本发明涉及直升机飞行仿真试验、测试设备及飞行仿真训练设备等技术领域，尤其涉及一种地面效应模拟装置及模拟方法。

背景技术

在无人直升机的控制律设计过程中，需要采集直升机飞行状态中的参数，并且验证控制律在直升机飞行过程中的可靠性。为了保证直升机在整个实验中的安全，直升机试验台起到了重要的作用。

目前有关于直升机控制律设计的试验台没有统一的标准。大多是根据自身研究的直升机的大小及研究重点来设计符合自身要求的试验台。比较常见的试验台有如下几种：1、为了保护无人直升机在操控中不受意外损害而设计的试验台。这种试验台一般制作简单，无需复杂传感器及机械设备等。直升机固定在试验台上具有一定的无约束范围，由于直升机在整个飞行过程中与试验台相关联，因此直升机即使意外失控也不会造成太大损害。2、为实现姿态的平稳控制而设计的试验转台。此试验台可保证直升机一定范围的多自由度姿态实现。3、在已有模型的基础上，为了直观具体的模拟直升机实时姿态而设计的试验台。试验台主要是由多自由度并联机构组成的运动平台。模型在控制律的控制下产生控制输入及状态输出，将信号进行解算可得到运动平台的作动输入，即可实现试验台对直升机姿态的实时响应。4、针对直升机的某一部分或研究直升机的某一方面而设计的试验台。例如包含有转速系统、六分量天平、数据采集系统及诱导速度测试系统的试验台可以对小型无人直升机的抗风能力进行评估。

直升机控制律的设计需要有精确的直升机模型，模型中需要大量直升机的气动参数、飞行中的参数等等。同时，为了直升机试飞中的安全，尽量多的考虑影响直升机飞行的各种因素。我们需要一种综合性的试验台，它可以保证直升机飞行安全，模拟直升机飞行中的姿态，采集直升机的一些重要参数，仿真直升机在实际空域飞行中的重要影响因素等。

发明内容

本发明的目的是：提供一种综合性的试验台及试验模拟方法，能够较为真实、准确的模拟直升机的飞行状态。

本发明的技术方案是：小型无人直升机试验台，它包括：安装平台、数据采集系统、三自由度运动平台，地面效应模拟装置、控制计算机、侧风模拟装置以及安装架；

安装平台上固定安装无人直升机；

数据采集系统包括：力学传感器以及扭矩传感器；

三自由度运动平台包括：动平台、固定杆、电动缸以及固定平台；动平台包括由立柱固定连接的上层平台以及下层平台，上层平台为口字形结构；固定杆的一端为球头销，固定杆通过其球头销的一端与下层平台的中心处固定连接，固定杆的另一端安装于固定平台；电动缸的数量共有三个，其活塞杆头为球头销，三个电动缸呈等腰直角三角形的布置在固定平台上，活塞杆头与上层平台的底面接触；

地面模拟装置包括：模拟板、舵机以及支架；模拟板的数量有两个，两个模拟板组成圆形平面，在圆心处设有开槽；舵机安装在支架上，并与模拟板连接；

侧风模拟装置包括：风洞、圆形导道和运动杆；风洞由风扇及蜂窝器组成，它通过运动杆在圆形导道内滑动；

整体连接关系为：数据采集系统中的力学传感器安装于下层平台，并与上层平台的内壁贴合；安装平台嵌入上层平台的口字形结构中并与力学传感器的上表面固定；数据采集系统中的扭矩传感器通过法兰安装于安装架中；安装架安装于圆形导道的圆心位置，其顶端固定安装固定平台；地面模拟装置通过其支架安装于固定平台；控制计算机与数据采集系统、三自由度运动平台中的电动缸，地面效应模拟装置中的舵机以及侧风模拟装置中的风洞连接。

本发明的有益效果是：(1)本发明通过控制计算机输出控制信号给无人直升机进行飞行机动，通过数据采集系统获得直升机力和力矩输入至控制计算机，并解算获得直升机飞行数据，通过运动平台作动模拟直升机飞行姿态，简化了控制器设计中的直升机模型仿真，并使输出数据更具真实性和可靠性。(2)三自由度运动平台作为受控对象，按照运动信号作相应的运动，动作精度高，较真实的模拟了直升机在飞行过程中的姿态。(3)本发明搭建了地面效应模拟装置及侧风模拟装置更加逼近现实环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中动平台处的结构爆炸图；

图3为本发明三自由度运动平台的结构示意图；

图4为本发明中地面效应模拟装置的结构示意图；

图5为本发明中侧风模拟装置的结构示意图；

图6为地面效应模拟装置作动时的本发明的结构示意图；

图7为本发明的方法流程图；

其中，1-安装平台、2-数据采集系统、21-力学传感器、22-扭矩传感器、3-三自由度运动平台，31-动平台、32-固定杆、33-电动缸、331-立柱、332-上层平台、333-下层平台、34-固定平台、4-地面效应模拟装置、41-模拟板、42-舵机、43-支架、5-控制计算机、6-侧风模拟装置、61-风洞、62-圆形导道、7-安装架。

具体实施方式：

参见附图1，小型无人直升机试验台，它包括：安装平台1、数据采集系统2、三自由度运动平台3，地面效应模拟装置4、控制计算机5、侧风模拟装置6以及安装架7；

安装平台1上固定安装无人直升机；

数据采集系统2包括：力学传感器21以及扭矩传感器22；

参见附图2、3，三自由度运动平台3包括：动平台31、固定杆32、电动缸33以及固定平台34；动平台31包括由立柱331固定连接的上层平台332以及下层平台333，上层平台332为口字形结构；固定杆32的一端为球头销，固定杆32通过其球头销的一端与下层平台333的中心处固定连接，固定杆32的另一端安装于固定平台34；电动缸33的数量共有三个，其活塞杆头为球头销，三个电动缸33呈等腰直角三角形的布置在固定平台34上，活塞杆头与上层平台332的底面接触；

参见附图4、6，地面模拟装置4包括：模拟板41、舵机42以及支架43；模拟板41的数量有两个，两个模拟板41组成圆形平面，在圆心处设有开槽；舵机42安装在支架43上，并与模拟板41连接；

参见附图5，侧风模拟装置6包括：风洞61、圆形导道62和运动杆63；风洞61由风扇及蜂窝器组成，它通过运动杆63在圆形导道62内滑动；

整体连接关系为：数据采集系统2中的力学传感器21安装于下层平台333，并与上层平台332的内壁贴合，力学传感器21为但风量力传感器，数量共有四个，对称分布；安装平台1嵌入上层平台332的口字型结构中并与力学传感器21的上表面固定；数据采集系统2中的扭矩传感器22通过法兰安装于安装架7中；安装架7安装于圆形导道62的圆心位置，其顶端固定安装固定平台34；地面模拟装置4通过其支架43安装于固定平台34；控制计算机5与数据采集系统2、三自由度运动平台3中的电动缸33，地面效应模拟装置4中的舵机42以及侧风模拟装置6中的风洞61连接。

参见附图7，小型无人直升机的试验模拟方法，它基于如权利要求1或2的试验台，并包括如下步骤：

A.通过在控制计算机5向无人直升机发送当前控制信号，使无人直升机向期望状态作动；

B.扭矩传感器22检测无人直升机的偏航运动，力学传感器21测量无人直升机不同方向的受力状况，并向控制计算机5传输无人直升机实时受力数据，以判定无人直升机的运动方向；

C.控制计算机5接收受力数据，分析直升机受力，输出运动信号给三自由度运动平台3；

D.三自由度运动平台3调节其电动缸33直至动平台31姿态与无人直升机目标姿态一致；此时，即可认为模拟了直升机的姿态动作；

E.通过控制计算机5控制地面模拟装置4及侧风模拟装置6，展示无人直升机在不同近地情况下所受地面效应及不同方向所受风速的影响。

Claims (2)

1.小型无人直升机试验台，其特征是，它包括：安装平台(1)、数据采集系统(2)、三自由度运动平台(3)，地面效应模拟装置(4)、控制计算机(5)、侧风模拟装置(6)以及安装架(7)；

所述安装平台(1)上固定安装无人直升机；

所述数据采集系统(2)包括：力学传感器(21)以及扭矩传感器；

所述三自由度运动平台(3)包括：动平台(31)、固定杆(32)、电动缸(33)以及固定平台(34)；所述动平台(31)包括由立柱(331)固定连接的上层平台(332)以及下层平台(333)，所述上层平台(332)为口字形结构；所述固定杆(32)的一端为球头销，所述固定杆(32)通过其球头销的一端与所述下层平台(333)的中心处固定连接，所述固定杆(32)的另一端安装于所述固定平台(34)；所述电动缸(33)的数量共有三个，其活塞杆头为球头销，所述三个电动缸(33)呈等腰直角三角形的布置在所述固定平台(34)上，活塞杆头与所述上层平台(332)的底面接触；

所述地面效应模拟装置(4)包括：模拟板(41)、舵机(42)以及支架(43)；所述模拟板(41)的数量有两个，两个所述模拟板(41)组成圆形平面，在圆心处设有开槽；所述舵机(42)安装在所述支架(43)上，并与所述模拟板(41)连接；

所述侧风模拟装置(6)包括：风洞(61)、圆形导道(62)和运动杆(63)；所述风洞(61)由风扇及蜂窝器组成，它通过所述运动杆(63)在所述圆形导道(62)内滑动；

整体连接关系为：所述数据采集系统(2)中的力学传感器(21)安装于所述下层平台(333)，并与所述上层平台(332)的内壁贴合；所述安装平台(1)嵌入所述上层平台(332)的口字形结构中并与所述力学传感器(21)的上表面固定；所述数据采集系统(2)中的扭矩传感器通过法兰安装于所述安装架(7)中；所述安装架(7)安装于所述圆形导道(62)的圆心位置，其顶端固定安装所述固定平台(34)；所述地面效应模拟装置(4)通过其支架(43)安装于所述固定平台(34)；所述控制计算机(5)与所述数据采集系统(2)、所述三自由度运动平台(3)中的电动缸(33)，所述地面效应模拟装置(4)中的舵机(42)以及所述侧风模拟装置(6)中的风洞(61)连接。

2.如权利要求1所述的小型无人直升机试验台，其特征是，所述力学传感器(21)为单分量力传感器，数量共有四个，对称分布。