CN108344553A - 用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞试验技术领域，特别涉及一种用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置。该并联机构支撑装置包括机架、编队飞行用的飞行器模型、多个第一绳牵引组件、多个第二绳牵引组件、两个导轨组件以及机器视觉相机。飞行器模型均由若干绳牵引，通过并联机构实现六自由度运动。该并联机构支撑装置不仅刚度高，稳定性好，工作空间大，且可方便地实现飞行器模型的多种编队飞行，还可有效避免牵引绳与牵引绳、牵引绳与飞行器模型、以及飞行器模型与周边障碍物的干涉。该并联机构支撑机构对模型周围流场干扰小，有助于模拟编队飞行的飞行器模型之间气流的相互影响，提高风洞试验结果的有效性和可信度。

Description

用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，特别涉及一种用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置。

背景技术

风洞试验是获取飞行器气动参数的重要手段。在风洞中实现飞行器模型编队飞行对获取飞行器编队飞行时的气动参数具有重要的工程意义，对飞行器设计及编队飞行具有指导价值。在风洞试验中不仅需要考虑环境周围建筑物空间结构对飞行器编队飞行的影响，还需考虑模型支撑与飞行器模型的干涉，以及若干飞行器模型间的干扰。除了支撑机构，还需要配备完善的气动力和模型位姿的测试系统。

现有技术中已经具有用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人和实现风洞虚拟飞行的模型绳索支撑系统。变结构绳牵引并联机器人具有对空气流场干扰小、试验项目多样化、工作空间大、响应速度快、克服传统硬式风洞支撑方式破坏空气流场的弊病、结构简单、易于制造和维护的优势，但是只适用于单机飞行器模型做风洞试验，未考虑飞行器编队飞行时模型与牵引绳系之间、模型与周围障碍物之间的干涉问题，且不能解决支撑若干飞机模型的绳系之间的干涉问题。而实现风洞虚拟飞行的模型绳索支撑系统虽然解决了模型、内置天平与绳之间的连接问题，但是同样只适用于单机飞行器模型做风洞试验，未考虑飞行器编队飞行时模型与牵引绳系之间、模型与周围障碍物之间的干涉问题。

另外，现有技术中的模型支撑多为杆件或柱式硬式支撑，其不仅会改变飞行器模型原有的气动外形，且对流场干扰大，影响风洞试验结果准确性。

发明内容

本发明提供了一种风洞试验模型支撑、尤其是一种用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置，是一种绳牵引并联机构。编队飞行的飞行器模型均由若干绳牵引，通过并联机构进行运动控制实现六自由度运动，且可实现编队的协同飞行运动。该并联机构支撑装置不仅刚度高，稳定性好，工作空间大，且可方便地实现飞行器模型的多种编队飞行，还可有效避免牵引绳与牵引绳、牵引绳与飞行器模型、以及飞行器模型与周边障碍物的干涉。支撑机构对流场干扰小，有助于模拟编队飞行的飞行器模型之间气流的相互影响，提高风洞试验结果的有效性和可信度。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置，该并联机构支撑装置设有机架、编队飞行用的飞行器模型、多个第一绳牵引组件、多个第二绳牵引组件、两个导轨组件、以及机器视觉相机；编队飞行的飞行器模型均由若干绳牵引，通过并联机构进行运动控制实现六自由度运动，且可实现编队的协同飞行运动；

每个第一绳牵引组件包括第一牵引绳、固定万向滑轮、第一驱动电机以及第一绞车；所述第一绞车设置有第一绞盘；所述固定万向滑轮、所述第一驱动电机以及所述第一绞车均安装于所述机架上；所述第一牵引绳的一端固定连接于所述飞行器模型的机身上，另一端经过所述固定万向滑轮后固定连接于所述第一绞盘上；所述第一驱动电机与所述第一绞车传动连接以驱动所述第一绞盘转动，用于改变所述第一牵引绳位于所述飞行器模型与所述第一绞盘之间的长度，以控制所述飞行器模型的位姿；

每个第二绳牵引组件包括第二牵引绳、可移动万向滑轮、第二驱动电机以及第二绞车；所述第二绞车设置有第二绞盘；所述第二牵引绳的一端固定连接于所述飞行器模型的机身上，另一端经过所述可移动万向滑轮后固定连接于所述第二绞盘上；所述第二驱动电机与所述第二绞车均安装于所述机架上，所述第二驱动电机与所述第二绞车传动连接以驱动所述第二绞盘转动，用于改变所述第二牵引绳位于所述飞行器模型与所述第二绞盘之间的长度，以控制所述飞行器模型的位姿；

每个导轨组件包括第三驱动电机、滚珠丝杠、与所述可移动万向滑轮一一对应且与所述滚珠丝杠螺旋配合的丝杠螺母、与所述丝杠螺母一一对应且固定安装于所述丝杠螺母的滑块、以及安装于所述机架的导轨；所述滚珠丝杠通过轴承座安装于所述机架；所述丝杠螺母能够沿所述导轨的延伸方向滑动地安装于所述导轨；所述可移动万向滑轮固定安装于对应的滑块；所述第三驱动电机与所述滚珠丝杠之间通过联轴器传动连接，用于驱动所述滚珠丝杠使所述丝杠螺母沿所述导轨往复直线运动，以通过对应的所述丝杠螺母和所述滑块带动所述可移动万向滑轮协同移动；

所述机器视觉相机用于测量所述飞行器模型的位姿。

优选地，所述飞行器模型内设置有六分力天平，所述六分力天平用于测量所述飞行器模型在风洞试验过程中所受的气动力。

优选地，所述第一驱动电机、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机均采用伺服电机、步进电机或直线电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置。该并联机构支撑装置采用若干绳牵引飞行器模型，通过并联机构对所述飞行器模型进行运动控制以实现其六自由度运动，与现有技术的硬式支撑相比，该并联机构支撑装置，刚度高，稳定性好，对流场干扰小，工作空间大，姿态角控制精度高；由于第二绳牵引组件中采用可移动万向滑轮和导轨组件，在风洞试验过程中，能够通过导轨组件带动可移动万向滑轮的移动改变牵引绳的牵引位置，有效避免绳与绳之间、绳与飞行器模型之间的干涉、以及飞行器模型与周边障碍物之间的干涉；根据飞行环境周围的建筑物空间结构或障碍的分布情况，能够方便地实现飞行器模型的多种协同编队飞行，包括模拟着舰、山间峡谷中飞行、街道建筑物间的飞行等。

附图说明

图1为本发明一种实施例提供的用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置的整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，飞行器模型以直升机模型为例进行说明，但是，在实际风洞试验中，飞行器模型并不限于直升机，也可以为其它类型的任何飞行器；为了在附图中能够更加清晰地突出并联机构支撑装置，在本发明实施例的图1中用十字架作为直升机等飞行器模型的抽象模型。

本发明实施例的并联机构支撑装置的具体结构可以根据直升机等飞行器模型风洞编队飞行试验的具体要求进行设计，如，参加编队飞行的直升机数量、编队飞行的规律、直升机模型的位姿变化规律等。

并且，在本发明实施例中以前、后排列的两架直升机进行编队飞行为例模拟着舰的风洞试验模型绳牵引并联机构支撑装置为具体实施例说明本发明的实施方案。并联机构支撑装置的具体尺寸结构可以根据舰艇上层甲板直升机着舰区域的宽度、长度，舰岛的高度、长度与位置，以及直升机外形和运动规律进行设计。参加编队飞行的两架直升机模型分别由八根绳牵引实现六自由度运动。

其中，请参考图1，本发明一种实施例提供的用于飞行器模型12编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置1，该并联机构支撑装置1设有机架11、编队飞行的飞行器模型12、多个第一绳牵引组件13、多个第二绳牵引组件14、两个导轨组件15、以及机器视觉相机16；编队飞行的飞行器模型12均由若干绳牵引，通过并联机构进行运动控制实现六自由度运动，且能够实现飞行器模型12的编队的协同飞行运动；导轨组件15以及机器视觉相机16可以设置于机架11上，也可以独立设置；如图1结构所示，编队飞行的飞行器模型12包括两个直升机模型，具体地，两个直升机模型可以包括僚机模型121和长机模型122，直升机模型的具体数量可以根据实际需要增减，并且直升机模型的位置关系也可以与图1中的僚机模型121和长机模型122的设置位置不同，并不限于图1中结构所示的直升机模型的编队方式；

每个第一绳牵引组件13包括第一牵引绳131、固定万向滑轮132、第一驱动电机133以及第一绞车134；第一绞车134设置有第一绞盘；固定万向滑轮132、第一驱动电机133以及第一绞车134均安装于机架11上；第一牵引绳131的一端固定连接于飞行器模型12的机身上，另一端经过固定万向滑轮132后固定连接于第一绞盘上；第一驱动电机133与第一绞车134传动连接以驱动第一绞盘转动，用于改变第一牵引绳131位于飞行器模型12与第一绞盘之间的长度，以控制飞行器模型12的位姿；

每个第二绳牵引组件14包括第二牵引绳141、可移动万向滑轮142、第二驱动电机143以及第二绞车144；第二绞车144设置有第二绞盘；第二牵引绳141的一端固定连接于飞行器模型12的机身上，另一端经过可移动万向滑轮142后固定连接于第二绞盘上；第二驱动电机143与第二绞车144均安装于机架11上，第二驱动电机143与第二绞车144传动连接以驱动第二绞盘转动，用于改变第二牵引绳141位于飞行器模型12与第二绞盘之间的长度，以控制飞行器模型12的位姿；

每个导轨组件15包括第三驱动电机151、滚珠丝杠152、与可移动万向滑轮142一一对应且与滚珠丝杠152螺旋配合的丝杠螺母153、与丝杠螺母153一一对应且固定安装于丝杠螺母153的滑块154、以及安装于机架11的导轨155；滚珠丝杠152通过轴承座156能够旋转地安装于机架11；丝杠螺母153能够沿导轨155的延伸方向滑动地安装于导轨155；可移动万向滑轮142固定安装于对应的滑块154；第三驱动电机151与滚珠丝杠152之间通过联轴器传动连接，用于驱动滚珠丝杠152使丝杠螺母153沿导轨155往复直线运动，以通过对应的丝杠螺母153和滑块154带动可移动万向滑轮142协同移动；

机器视觉相机16用于测量飞行器模型12的位姿；如图1结构所示，在并联机构支撑装置1的机架11上设置有两个机器视觉相机16，其中，两个机器视觉相机16分别设置在编队飞行的飞行器模型12相对的两端，在具体试验过程中，在机架11上还可以设置多个机器视觉相机16，并且机器视觉相机16的固定位置也可以根据实际情况进行设置，如，设置在飞行器模型12的四周。

上述并联机构支撑装置1在具体使用过程中，机架11的底部设置有一个假想舰艇上层甲板111，飞行器模型12中长机模型122相对的两端与4个第一牵引绳131的一端固定连接，第一牵引绳131的另一端绕过固定万向滑轮132后与第一绞车134的第一绞盘固定连接，通过第一驱动电机133驱动第一绞车134能够调节第一牵引绳131的长度；长机模型122另外相对的两端与4个第二牵引绳141的一端固定连接，第二牵引绳141的另一端绕过可移动万向滑轮142后与第二绞车144的第二绞盘固定连接，通过第二驱动电机143驱动第二绞车能够调节第二牵引绳141位于飞行器模型12与第二绞盘之间的长度；通过与长机模型122配合的4个第一绳牵引组件13和4个第二绳牵引组件14能够实现对长机模型122的位姿调节；第二绳牵引组件14中的可移动万向滑轮142设置在假想舰艇上层甲板111与机架11的相接处。

同理，通过与僚机模型121配合的4个第一绳牵引组件13和4个第二绳牵引组件14能够实现对僚机模型121的位姿调节。

同时，如图1结构所示，在机架11上设置有对称的两个导轨组件15，每个导轨组件15的第三驱动电机151驱动滚珠丝杠152旋转，通过滚珠丝杠152与丝杠螺母153的螺纹配合使丝杠螺母153沿其轴向移动，并在滑块154与导轨155的滑动配合下，使丝杠螺母153和滑块154沿导轨155的延伸方向移动，由于可移动万向滑轮142固定安装于滑块154，进而能够通过滑块154带动可移动万向滑轮142沿导轨155的延伸方向移动，从而调节与可移动万向滑轮142配合的第二牵引绳141的长度，最后实现对飞行器模型12的位姿的调节。

由于第二绳牵引组件14中的可移动万向滑轮142均固定安装于导轨组件15的滑块154上，因此，能够通过导轨组件15实现编队飞行的飞行器模型12的同步动作，并能够方便地实现飞行器模型的多种编队飞行。

因此，上述并联机构支撑装置1采用第一牵引绳131和第二牵引绳141从飞行器模型12周向实现对飞行器模型12的位姿控制，与现有技术中采用硬式支撑相比，该并联机构支撑装置1，刚度高，稳定性好，对流场干扰小，工作空间大，姿态角控制精度高；由于第二绳牵引组件14中采用可移动万向滑轮142和导轨组件15，在风洞试验过程中，能够通过导轨组件15带动可移动万向滑轮142的移动改变第二牵引绳141的牵引位置，有效避免绳与绳之间、绳与飞行器模型12之间的干涉、以及飞行器模型12与周边障碍物之间的干涉；根据飞行环境周围的建筑物空间结构或障碍的分布情况，能够方便地实现直升机模型的多种协同编队飞行，包括模拟着舰、山间峡谷中飞行、街道建筑物间的飞行等。

一种具体的实施方式中，飞行器模型12内设置有六分力天平，六分力天平用于测量飞行器模型12在风洞试验过程中所受的气动力。

由于在飞行器模型12内设置有六分力天平，六分力天平能够测量空气流动作用的升力、阻力、侧力、俯仰力矩、滚动力矩和偏航力矩，因此，能够通过六分力天平测量飞行器模型12在风洞试验过程中所受的各种气动力。

具体地，飞行器模型12可以设置有旋翼和用于驱动旋翼旋转的电机。

更进一步地，第一驱动电机133、第二驱动电机143和第三驱动电机151均可以采用伺服电机、步进电机或直线电机。

在上述实施例的基础上，第三驱动电机151与滚珠丝杠152之间可以通过联轴器传动连接。

并且，为了实现两个以上飞行器模型12的编队飞行试验，多个第一绳牵引组件13和多个第二绳牵引组件14可以根据直升机编队飞行的规律增减设置。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.用于飞行器编队飞行的风洞试验模型并联机构支撑装置，其特征在于，设有机架、编队飞行用的飞行器模型、多个第一绳牵引组件、多个第二绳牵引组件、两个导轨组件、以及机器视觉相机；编队飞行的飞行器模型均由若干绳牵引，通过并联机构进行运动控制实现六自由度运动，且能够实现编队的协同飞行运动；

每个第一绳牵引组件包括第一牵引绳、固定万向滑轮、第一驱动电机以及第一绞车；所述第一绞车设置有第一绞盘；所述固定万向滑轮、所述第一驱动电机以及所述第一绞车均安装于所述机架上；所述第一牵引绳的一端固定连接于所述飞行器模型的机身上，另一端经过所述固定万向滑轮后固定连接于所述第一绞盘上；所述第一驱动电机与所述第一绞车传动连接以驱动所述第一绞盘转动，用于改变所述第一牵引绳位于所述飞行器模型与所述第一绞盘之间的长度，以控制所述飞行器模型的位姿；

每个第二绳牵引组件包括第二牵引绳、可移动万向滑轮、第二驱动电机以及第二绞车；所述第二绞车设置有第二绞盘；所述第二牵引绳的一端固定连接于所述飞行器模型的机身上，另一端经过所述可移动万向滑轮后固定连接于所述第二绞盘上；所述第二驱动电机与所述第二绞车均安装于所述机架上，所述第二驱动电机与所述第二绞车传动连接以驱动所述第二绞盘转动，用于改变所述第二牵引绳位于所述飞行器模型与所述第二绞盘之间的长度，以控制所述飞行器模型的位姿；

每个导轨组件包括第三驱动电机、滚珠丝杠、与所述可移动万向滑轮一一对应且与所述滚珠丝杠螺旋配合的丝杠螺母、与所述丝杠螺母一一对应且固定安装于所述丝杠螺母的滑块、以及安装于所述机架的导轨；所述滚珠丝杠通过轴承座安装于所述机架；所述丝杠螺母能够沿所述导轨的延伸方向滑动地安装于所述导轨；所述可移动万向滑轮固定安装于对应的滑块；所述第三驱动电机与所述滚珠丝杠之间通过联轴器传动连接，用于驱动所述滚珠丝杠使所述丝杠螺母沿所述导轨往复直线运动，以通过对应的所述丝杠螺母和所述滑块带动所述可移动万向滑轮协同移动；

所述机器视觉相机用于测量所述飞行器模型的位姿。

2.根据权利要求1所述的并联机构支撑装置，其特征在于，所述飞行器模型内设置有六分力天平，所述六分力天平用于测量所述飞行器模型在风洞试验过程中所受的气动力。

3.根据权利要求1所述的并联机构支撑装置，其特征在于，所述第一驱动电机、所述第二驱动电机和所述第三驱动电机均采用伺服电机、步进电机或直线电机。