CN107150816B - 一种变质心飞行器模拟装置 - Google Patents

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Abstract

一种变质心飞行器模拟装置，涉及一种飞行器模拟装置。为了解决现有的变质心控制方式对应的飞行器没有良好的气动外形和侧喷发动机方式不能充分利用气动力进行机动的问题。本发明的支撑框架上设置两个框架联结轴；飞行器壳体的锥体底面通过两个框架联结轴与支撑框架铰接，飞行器壳体的锥体尖端向下，飞行器壳体能够绕框架联结轴摆动；活动质量体位于飞行器壳体内部；活动质量体的锥形尖端与飞行器壳体的锥体尖端铰接；活动质量体的锥体底面上安装有步进电机和齿轮；弧形的运动齿条固定在飞行器壳体锥体底面上；齿轮与运动齿条组成运动副；步进电机通过运动副驱动活动质量体在飞行器壳体内部摆动。本发明适用于变质心飞行器的设计和控制研究。

Description

一种变质心飞行器模拟装置
技术领域
本发明涉及飞行器控制领域，具体涉及一种飞行器模拟装置。
背景技术
在飞行器控制领域，变质心控制的特点使得其获得了广泛的应用，如大气层外飞行器、水下飞行器和大气层内飞行器。其中大气层内飞行器的变质心控制是当前研究的热点，当前对变质心控制技术的研究主要集中在再入飞行器和拦截弹上，国内外研究学者从建模、机理和性能分析以及制导控制系统设计等方面开展了工作。但变质心构型的硬件实现却迟迟没有进展。
变质心控制技术是通过主动移动飞行器内部的活动质量体，改变系统质心的位置，引起作用在飞行器上的外力矩发生改变来获得期望的控制力矩，从而达到对飞行器机动控制的目的。现有的变质心控制方式为气动舵面和侧喷发动机两种，现有的变质心控制方式以及对应的飞行器有以下缺陷：
1.不利于飞行器获得良好的气动外形。
2.舵面控制带来超高声速飞行时的舵面烧蚀等一系列问题。
3.对于高速运动的再入飞行器，采用侧喷发动机方式不能充分利用气动力进行机动，获得很大的控制力和控制力矩，需要大的能量消耗，产生的控制力矩大小与燃料消耗之间的突出矛盾。
所以现有的控制方式所对应的飞行器严重制约飞行器的研究和发展。
发明内容
本发明为了解决现有的变质心控制方式对应的飞行器没有良好的气动外形和侧喷发动机方式不能充分利用气动力进行机动的问题，进而提出了一种变质心飞行器模拟装置，以便推动飞行器的研究和设计工作。
一种变质心飞行器模拟装置，包括：攻角测量码盘、飞行器壳体、运动齿条、活动质量体、支撑框架、两个框架联结轴、步进电机转角测量码盘、步进电机、控制计算机、质量体联结轴和齿轮；
支撑框架包括两个立柱、一个横梁；横梁两端分别于两个立柱的顶端连接，构成门型框架，两个立柱的底端固定在地面或试验台上；横梁的中部、门型框架内侧设置两个框架联结轴；攻角测量码盘安装在框架联结轴上，攻角测量码盘与控制计算机信号连接；攻角测量码盘用于测量框架联结轴的角度进而测量飞行器壳体的攻角，并将测量数值传输给控制计算机；
飞行器壳体为笼状锥体，飞行器壳体的锥体底面通过横梁的中部设置的两个框架联结轴与支撑框架铰接，飞行器壳体的锥体尖端向下，飞行器壳体能够绕框架联结轴摆动；
活动质量体为锥体形状，位于飞行器壳体内部；活动质量体的锥形尖端通过质量体联结轴与飞行器壳体的锥体尖端铰接；活动质量体的锥体底面上安装有步进电机和齿轮，步进电机的输出轴与齿轮固定连接；弧形的运动齿条固定在飞行器壳体锥体底面的锥体内部一侧的面上；齿轮与运动齿条组成齿轮齿条运动副；步进电机通过齿轮齿条运动副驱动活动质量体在飞行器壳体内部以质量体联结轴为中心摆动；步进电机转角测量码盘安装在步进电机与齿轮固定连接的输出轴一端，步进电机上设置有电机控制器；控制计算机安装在活动质量体内部；步进电机的电机控制器与控制计算机信号连接；控制计算机通过电机控制器控制步进电机转动；步进电机转角测量码盘测量步进电机转角，将测量数值反馈给控制计算机。
一种变质心飞行器模拟装置，包括：攻角测量码盘、飞行器壳体、运动齿条、活动质量体、支撑框架、两个框架联结轴、步进电机转角测量码盘、步进电机、控制计算机、质量体联结轴和齿轮；
支撑框架包括两个立柱、一个横梁；横梁两端分别于两个立柱的顶端连接，构成门型框架，两个立柱的底端固定在地面或试验台上；横梁的中部、门型框架内侧设置两个框架联结轴；攻角测量码盘安装在框架联结轴上，攻角测量码盘与控制计算机信号连接；攻角测量码盘用于测量框架联结轴的角度进而测量飞行器壳体的攻角，并将测量数值传输给控制计算机；
飞行器壳体为笼状锥体，飞行器壳体的锥体底面通过横梁的中部设置的两个框架联结轴与支撑框架铰接，飞行器壳体的锥体尖端向下，飞行器壳体能够绕框架联结轴摆动；
活动质量体包括圆形底板和三角形立板，三角形立板与圆形底板垂直固接；活动质量体位于飞行器壳体内部；活动质量体的三角形立板的尖端通过质量体联结轴与飞行器壳体的锥体尖端铰接；活动质量体的圆形底板上安装有步进电机和齿轮，步进电机的输出轴与齿轮固定连接；弧形的运动齿条固定在飞行器壳体锥体底面的锥体内部一侧的面上；齿轮与运动齿条组成齿轮齿条运动副；步进电机通过齿轮齿条运动副驱动活动质量体在飞行器壳体内部以质量体联结轴为中心摆动；步进电机转角测量码盘安装在步进电机与齿轮固定连接的输出轴一端，步进电机上设置有电机控制器；控制计算机安装在活动质量体三角形立板的侧面上；步进电机的电机控制器与控制计算机信号连接；控制计算机通过电机控制器控制步进电机转动；步进电机转角测量码盘测量步进电机转角，将测量数值反馈给控制计算机。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明的变质心控制机构完全在飞行器内部工作，有利于飞行器获得良好的气动外形。
2.本发明的变质心控制可以避免气动舵面控制带来的一系列问题，如超高声速飞行时的舵面烧蚀问题等。
3.对于高速运动的再入飞行器可以充分利用气动力进行机动，这样既节省了能量上的消耗，同时又能获得很大的控制力和控制力矩，避免了采用侧喷发动机方式产生的控制力矩大小与燃料消耗之间的突出矛盾。相比现有的其他飞行器装置，在调整相同的攻角情况下，本发明所对应的飞行器的机动能耗理论上降低2.7％以上。
附图说明
图1为一种变质心飞行器模拟装置结构示意图；
图2为一种变质心飞行器模拟装置结构示意图；
图3为一种变质心飞行器模拟装置样机；
图4利用样机实现比例微分控制的阶跃响应图像；
图5阶跃响应图像对应的步进电机转角变化曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，
一种变质心飞行器模拟装置，包括：攻角测量码盘1、飞行器壳体2、运动齿条3、活动质量体4、支撑框架5、两个框架联结轴6、步进电机转角测量码盘8、步进电机9、控制计算机10、质量体联结轴11和齿轮12；
支撑框架5包括两个立柱、一个横梁；横梁两端分别于两个立柱的顶端连接，构成门型框架，两个立柱的底端固定在地面或试验台上；横梁的中部、门型框架内侧设置两个框架联结轴6；攻角测量码盘1安装在框架联结轴6上，攻角测量码盘1与控制计算机10信号连接；攻角测量码盘1用于测量框架联结轴6的角度进而测量飞行器壳体2的攻角，并将测量数值传输给控制计算机10；
飞行器壳体2为笼状锥体，飞行器壳体2的锥体底面通过横梁的中部设置的两个框架联结轴6与支撑框架5铰接，飞行器壳体2的锥体尖端向下，飞行器壳体2能够绕框架联结轴6摆动；
活动质量体4为锥体形状，位于飞行器壳体2内部；活动质量体4的锥形尖端通过质量体联结轴11与飞行器壳体2的锥体尖端铰接；活动质量体4的锥体底面上安装有步进电机9和齿轮12，步进电机9的输出轴与齿轮固定连接；弧形的运动齿条3固定在飞行器壳体2锥体底面的锥体内部一侧的面上；齿轮12与运动齿条3组成齿轮齿条运动副；步进电机9通过齿轮齿条运动副驱动活动质量体4在飞行器壳体2内部以质量体联结轴11为中心摆动；步进电机转角测量码盘8安装在步进电机9与齿轮固定连接的输出轴一端，步进电机9上设置有电机控制器；控制计算机10安装在活动质量体4内部；步进电机9的电机控制器与控制计算机10信号连接；控制计算机10通过电机控制器控制步进电机9转动；步进电机转角测量码盘8测量步进电机9转角，将测量数值反馈给控制计算机10。
具体实施方式二：
本实施方式所述的一种变质心飞行器模拟装置还包括限位开关7，限位开关7安装在飞行器壳体2锥体底面的锥体外部一侧的面上，限位开关7的触控装置设置在运动齿条的两端。当步进电机9运动至齿条两端时，触发限位开关，从而使电机停止运动，避免可活动质量体与飞行器壳体的直接碰撞。
其他结构和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：
本实施方式所述的活动质量体4上装有可拆卸的质量块。
其他结构和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：
本实施方式所述的控制计算机10为单片机。
其他结构和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：
本实施方式所述的一种变质心飞行器模拟装置，还包括上位机，所述控制计算机10与上位机信号连接，上位机输出攻角曲线。
其他结构和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：
一种变质心飞行器模拟装置，包括：攻角测量码盘1、飞行器壳体2、运动齿条3、活动质量体4、支撑框架5、两个框架联结轴6、步进电机转角测量码盘8、步进电机9、控制计算机10、质量体联结轴11和齿轮12；
支撑框架5包括两个立柱、一个横梁；横梁两端分别于两个立柱的顶端连接，构成门型框架，两个立柱的底端固定在地面或试验台上；横梁的中部、门型框架内侧设置两个框架联结轴6；攻角测量码盘1安装在框架联结轴6上，攻角测量码盘1与控制计算机10信号连接；攻角测量码盘1用于测量框架联结轴6的角度进而测量飞行器壳体2的攻角，并将测量数值传输给控制计算机10；
飞行器壳体2为笼状锥体，飞行器壳体2的锥体底面通过横梁的中部设置的两个框架联结轴6与支撑框架5铰接，飞行器壳体2的锥体尖端向下，飞行器壳体2能够绕框架联结轴6摆动；
活动质量体4包括圆形底板和三角形立板，三角形立板与圆形底板垂直固接；活动质量体4位于飞行器壳体2内部；活动质量体4的三角形立板的尖端通过质量体联结轴11与飞行器壳体2的锥体尖端铰接；活动质量体4的圆形底板上安装有步进电机9和齿轮12，步进电机9的输出轴与齿轮固定连接；弧形的运动齿条3固定在飞行器壳体2锥体底面的锥体内部一侧的面上；齿轮12与运动齿条3组成齿轮齿条运动副；步进电机9通过齿轮齿条运动副驱动活动质量体4在飞行器壳体2内部以质量体联结轴11为中心摆动；步进电机转角测量码盘8安装在步进电机9与齿轮固定连接的输出轴一端，步进电机9上设置有电机控制器；控制计算机10安装在活动质量体4三角形立板的侧面上；步进电机9的电机控制器与控制计算机10信号连接；控制计算机10通过电机控制器控制步进电机9转动；步进电机转角测量码盘8测量步进电机9转角，将测量数值反馈给控制计算机10。
具体实施方式七：
本实施方式所述的一种变质心飞行器模拟装置还包括限位开关7，限位开关7安装在飞行器壳体2锥体底面的锥体外部一侧的面上，限位开关7的触控装置设置在运动齿条的两端。当步进电机9运动至齿条两端时，触发限位开关，从而使电机停止运动，避免可活动质量体与飞行器壳体的直接碰撞。
其他结构和参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：
本实施方式所述的活动质量体4上装有可拆卸的质量块。
其他结构和参数与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：
本实施方式所述的控制计算机10为单片机。
其他结构和参数与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十：
本实施方式所述的一种变质心飞行器模拟装置还包括上位机，所述控制计算机10与上位机信号连接，上位机输出攻角曲线。
其他结构和参数与具体实施方式六至九之一相同。
实施例
图3所示为本发明的演示样机。演示样机的控制计算机10通过串口与上位机连接。上位机向控制计算机10发送指令攻角，从而使系统开始工作。控制计算机接收到指令攻角后，向步进电机9发送运动指令，从而驱动步进电机9沿着飞行器壳体的运动齿条3运动。由于步进电机9与活动质量体4相对固定，因而在步进电机9运动的过程中，活动质量体4随着步进电机9绕质量体联结轴11的铰接点相对于飞行器壳体2运动，由于飞行器壳体2与系统支撑框架5为铰接关系，因而飞行器壳体4可相对于系统框架5绕框架联结轴6转动，从而使得整个系统的质心位置发生变化，使得攻角测量码盘1所测得的角度即攻角发生变化，从而实现攻角的改变。
本发明中，测量反馈装置所包含的两个攻角测量码盘1和转角测量码盘8与控制计算机10相连，工作过程中两码盘将所测数据实时传送给控制计算机10。
由于步进电机9为步进电机，无测量效果，因而与电机同轴安装一个转角测量码盘8，用来作为电机运动角度的反馈，当控制计算机10给电机发送运动指令后，可以通过转角测量码盘8来得到电机实际的转动角度。
控制计算机10与上位机连接，输出以下结果图像：
图4利用样机实现比例微分控制的阶跃响应图像；
图5阶跃响应图像对应的步进电机转角变化曲线。

Claims (10)

1.一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，包括：攻角测量码盘(1)、飞行器壳体(2)、运动齿条(3)、活动质量体(4)、支撑框架(5)、两个框架联结轴(6)、步进电机转角测量码盘(8)、步进电机(9)、控制计算机(10)、质量体联结轴(11)和齿轮(12)；
支撑框架(5)包括两个立柱、一个横梁；横梁两端分别于两个立柱的顶端连接，构成门型框架，两个立柱的底端固定在地面或试验台上；横梁的中部、门型框架内侧设置两个框架联结轴(6)；攻角测量码盘(1)安装在框架联结轴(6)上，攻角测量码盘(1)与控制计算机(10)信号连接；
飞行器壳体(2)为笼状锥体，飞行器壳体(2)的锥体底面通过横梁的中部设置的两个框架联结轴(6)与支撑框架(5)铰接，飞行器壳体(2)的锥体尖端向下，飞行器壳体(2)能够绕框架联结轴(6)摆动；
活动质量体(4)为锥体形状，位于飞行器壳体(2)内部；活动质量体(4)的锥形尖端通过质量体联结轴(11)与飞行器壳体(2)的锥体尖端铰接；活动质量体(4)的锥体底面上安装有步进电机(9)和齿轮(12)，步进电机(9)的输出轴与齿轮固定连接；弧形的运动齿条(3)固定在飞行器壳体(2)锥体底面的锥体内部一侧的面上；齿轮(12)与运动齿条(3)组成齿轮齿条运动副；步进电机(9)通过齿轮齿条运动副驱动活动质量体(4)在飞行器壳体(2)内部以质量体联结轴(11)为中心摆动；步进电机转角测量码盘(8)安装在步进电机(9)与齿轮固定连接的输出轴一端，步进电机(9)上设置有电机控制器；控制计算机(10)安装在活动质量体(4)内部；步进电机(9)的电机控制器与控制计算机(10)信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，还包括限位开关(7)，限位开关(7)安装在飞行器壳体(2)锥体底面的锥体外部一侧的面上，限位开关(7)的触控装置设置在运动齿条的两端。
3.根据权利要求2所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，所述的活动质量体(4)上装有可拆卸的质量块。
4.根据权利要求3所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，所述的控制计算机(10)为单片机。
5.根据权利要求1至4之一所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，还包括上位机，所述控制计算机(10)与上位机信号连接，上位机输出攻角曲线。
6.一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，包括：攻角测量码盘(1)、飞行器壳体(2)、运动齿条(3)、活动质量体(4)、支撑框架(5)、两个框架联结轴(6)、步进电机转角测量码盘(8)、步进电机(9)、控制计算机(10)、质量体联结轴(11)和齿轮(12)；
支撑框架(5)包括两个立柱、一个横梁；横梁两端分别于两个立柱的顶端连接，构成门型框架，两个立柱的底端固定在地面或试验台上；横梁的中部、门型框架内侧设置两个框架联结轴(6)；攻角测量码盘(1)安装在框架联结轴(6)上，攻角测量码盘(1)与控制计算机(10)信号连接；
飞行器壳体(2)为笼状锥体，飞行器壳体(2)的锥体底面通过横梁的中部设置的两个框架联结轴(6)与支撑框架(5)铰接，飞行器壳体(2)的锥体尖端向下，飞行器壳体(2)能够绕框架联结轴(6)摆动；
活动质量体(4)包括圆形底板和三角形立板，三角形立板与圆形底板垂直固接；活动质量体(4)位于飞行器壳体(2)内部；活动质量体(4)的三角形立板的尖端通过质量体联结轴(11)与飞行器壳体(2)的锥体尖端铰接；活动质量体(4)的圆形底板上安装有步进电机(9)和齿轮(12)，步进电机(9)的输出轴与齿轮固定连接；弧形的运动齿条(3)固定在飞行器壳体(2)锥体底面的锥体内部一侧的面上；齿轮(12)与运动齿条(3)组成齿轮齿条运动副；步进电机(9)通过齿轮齿条运动副驱动活动质量体(4)在飞行器壳体(2)内部以质量体联结轴(11)为中心摆动；步进电机转角测量码盘(8)安装在步进电机(9)与齿轮固定连接的输出轴一端，步进电机(9)上设置有电机控制器；控制计算机(10)安装在活动质量体(4)三角形立板的侧面上；步进电机(9)的电机控制器与控制计算机(10)信号连接。
7.根据权利要求6所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，还包括限位开关(7)，限位开关(7)安装在飞行器壳体(2)锥体底面的锥体外部一侧的面上，限位开关(7)的触控装置设置在运动齿条的两端。
8.根据权利要求7所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，所述的活动质量体(4)上装有可拆卸的质量块。
9.根据权利要求8所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，所述的控制计算机(10)为单片机。
10.根据权利要求6至9之一所述的一种变质心飞行器模拟装置，其特征在于，还包括上位机，所述控制计算机(10)与上位机信号连接，上位机输出攻角曲线。
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