CN110928336B - 一种跳伞模拟舱的移动位置检测系统及驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跳伞模拟舱的移动位置检测系统及驱动控制系统，移动位置检测系统包括与控制装置电连接的滑轮圈数计数器、拉绳位移传感器及多个接近传感器；滑轮圈数计数器设置在第一定滑轮上；拉绳式位移传感器的拉绳固定在滑动块上，拉绳式位移传感器的本体设置在龙门架上；多个接近传感器设置在龙门架上且沿着龙门架的高度方向间隔分布以检测跳伞模拟舱移动的位置且将圈数信息发送至控制装置。该移动位置检测系统通过滑轮圈数计数器测量跳伞模拟舱的相对高度位移数据，同时使用拉绳位移传感器测量其绝对值，结合多冗余接近传感器来确定跳伞模拟舱的移动位置，避免了单一传感器出现故障而产生的安全问题。

Description

一种跳伞模拟舱的移动位置检测系统及驱动控制系统

技术领域

本发明涉及跳伞模拟技术领域，尤其涉及一种跳伞模拟舱的移动位置检测系统及驱动控制系统。

背景技术

伞兵跳伞实地训练具有事故发生率高、成本开销多、受外在自然环境影响大等特点，属于高危训练科目，因此，世界各主要空降强国都在研究更先进、更高效的跳伞训练模拟器及训练方法。伞降模拟训练技术能够确保人员安全条件下，帮助受训人员提高复杂情况下的操纵技能、空中特情处置能力，可以显著增强跳伞训练效果，提高伞兵实战化战术水平。

现有的跳伞模拟训练系统，如北京华如科技股份有限公司申请的专利文献CN107492279B“伞降模拟器”、航天科工系统仿真科技(北京)有限公司申请的专利文献CN107600437A“一种VR跳伞训练模拟器”及专利文献CN108053712A“一种伞兵跳伞训练模拟器及其方法”、安徽三弟电子科技有限责任公司申请的专利文献CN108187338A“一种基于VR虚拟体验的高空跳伞系统”等发明专利能够在一定程度上提高模拟跳伞模拟训练的逼真程度，为受训者提供伞降过程中视觉、听觉、体感等多方位的逼真感官刺激，为组训者提供伞降训练组织、考核评估、记录分析等辅助手段。

但是，现有的跳伞模拟训练系统中，一般使用单一传感器进行平台高度的测量，例如使用电机中编码器角度信息进行升降平台空间高度的测量，或在平台高处固定红外测距装置，采用光反射测量距离。前一种方法在使用绳索传动的过程中，由于拉伸应变的存在，使得根据编码器测量值计算得出的平台空间位置与实际高度位置存在一定误差，平台控制系统容易出现运行错误而导致意外发生，后一种方法在测量过程中容易受到障碍物的干扰，造成测量数据出现极大偏差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其通过滑轮圈数计数器测量跳伞模拟舱的相对高度位移数据，同时使用拉绳位移传感器测量其绝对值，结合接近传感器来确定跳伞模拟舱的移动位置，通过多冗余的接近传感器、滑轮圈数计数器以及拉绳位移传感器，综合计算确定平台位移过程中的垂直空间落差，避免了单一传感器出现故障而产生的安全问题。

本发明的目的之二在于提供一种跳伞模拟舱的驱动控制系统，其通过气缸驱动装置控制跳伞模拟舱的空间运动，给予跳伞训练者真实的失重体验，并结合移动位置检测系统实时检测跳伞模拟舱的移动位置，可模拟跳伞下降过程中的各个过程，提高了跳伞模拟训练的逼真性；并且气缸驱动方式具有极快的响应速度，能耗较低，降低跳伞模拟训练的成本。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种跳伞模拟舱的移动位置检测系统，该移动位置检测系统应用在用于跳伞模拟舱的驱动控制系统中，所述用于跳伞模拟舱的驱动控制系统包括：龙门架、气缸驱动装置、滑轮传动装置以及控制装置；所述控制装置与所述气缸驱动装置电连接；

所述滑轮传动装置包括定滑轮组、动滑轮和柔韧绳，所述柔韧绳的抗拉强度大于或等于根据所述柔韧绳在跳伞模拟过程中所受到的最大拉力以及安全系数所确定的最小抗拉强度，所述动滑轮设置在一受所述气缸驱动装置驱动的可沿所述龙门架的高度方向上下滑动的滑动块上；所述定滑轮组包括第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮设置在所述龙门架的顶部，所述第二定滑轮设置在所述龙门架上且位于所述动滑轮的上方；所述柔韧绳的一端固定在所述滑动块上，另一端绕过所述定滑轮组和所述动滑轮并固定在跳伞模拟舱上；

所述移动位置检测系统包括与所述控制装置电连接的滑轮圈数计数器、拉绳式位移传感器及多个接近传感器；所述滑轮圈数计数器设置在所述第一定滑轮上以使第一定滑轮转动时可带动所述滑轮圈数计数器转动以测量第一定滑轮转动的圈数且将圈数信息发送至所述控制装置；所述拉绳式位移传感器的拉绳固定在所述滑动块上，所述拉绳式位移传感器的本体设置在所述龙门架上，所述拉绳式位移传感器用于检测所述气缸的运行行程并发送至所述控制装置；多个所述接近传感器设置在所述龙门架上且沿着所述龙门架的高度方向间隔分布以检测所述跳伞模拟舱移动的位置且将圈数信息发送至所述控制装置。

进一步地，所述移动位置检测系统还包括拉绳式位移传感器，所述拉绳式位移传感器的拉绳固定在所述滑动块上，所述拉绳式位移传感器的本体设置在所述龙门架上，所述拉绳式位移传感器与所述控制装置电连接。

进一步地，所述接近传感器包括：第一机械式接近传感器、第二机械式接近传感器、第一电容式接近传感器、第二电容式接近传感器，所述第一电容式接近传感器和第二电容式接近传感器设置于所述第一机械式接近传感器和所述第二机械式接近传感器之间。

进一步地，所述第一机械式接近传感器设置在所述龙门架的顶端以判断跳伞模拟舱是否已到达顶部；所述第一电容式接近传感器设置在所述龙门架在高度方向上的中部以判断跳伞模拟舱是否已处于中部位置；所述第二电容式接近传感器设置在所述龙门架在高度方向上的下半端以判断跳伞模拟舱是否已接近底部；所述第二机械式接近传感器设置在所述龙门架的底部以检测跳伞模拟舱是否到达龙门架的底部。

进一步地，所述接近传感器还包括第三机械式接近传感器和第三电容式接近传感器。

进一步地，所述第三机械式接近传感器设置在与所述第二电容式接近传感器相邻的位置处；所述第三电容式接近传感器设置在所述第二机械式接近传感器的下方以检测所述跳伞模拟舱是否过度下降。

进一步地，所述接近传感器还包括激光漫反射式传感器，所述激光漫反射式传感器设置在所述第二机械式接近传感器和所述第三机械式接近传感器之间。

进一步地，所述滑轮圈数计数器采用增量型光电旋转编码器。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种跳伞模拟舱的驱动控制系统，包括龙门架、气缸驱动装置、滑轮传动装置、控制装置及如上所述的移动位置检测系统；所述控制装置与所述气缸驱动装置电连接；所述滑轮传动装置包括定滑轮组、动滑轮和柔韧绳，所述柔韧绳的抗拉强度大于或等于根据所述柔韧绳在跳伞模拟过程中所受到的最大拉力以及安全系数所确定的最小抗拉强度，所述动滑轮设置在一受所述气缸驱动装置驱动的可沿所述龙门架的高度方向上下滑动的滑动块上；所述定滑轮组包括第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮设置在所述龙门架的顶部，所述第二定滑轮设置在所述龙门架上且位于所述动滑轮的上方；所述柔韧绳的一端固定在所述滑动块上，另一端绕过所述定滑轮组和所述动滑轮并固定在跳伞模拟舱上；

所述气缸驱动装置包括空气压缩机、储气罐以及气缸，所述空气压缩机通过气管与所述储气罐连接，所述储气罐通过气管与所述气缸连接；

所述气缸设置在所述龙门架上，所述气缸的螺杆与所述滑动块固定连接，所述滑动块设置在所述龙门架上。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

该跳伞模拟舱的移动位置检测系统通过滑轮圈数计数器测量跳伞模拟舱的相对高度位移数据，同时使用拉绳位移传感器测量其绝对值，结合接近传感器来确定跳伞模拟舱的移动位置，通过多冗余的接近传感器、滑轮圈数计数器以及拉绳位移传感器，综合计算确定平台位移过程中的垂直空间落差，避免了单一传感器出现故障而产生的安全问题；

该跳伞模拟舱的移动位置检测系统为驱动控制系统提供跳伞模拟舱在下降或者上升过程中的位置信息，以供驱动控制系统可根据跳伞模拟舱的位置信息对跳伞模拟舱进行精确的控制，实现模拟跳伞过程中的自由落体过程、开伞过程、滑翔过程以及着陆过程。

附图说明

图1为本发明提供的一种包含有移动位置检测系统的跳伞模拟舱的驱动控制系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种跳伞模拟舱的驱动控制系统与跳伞模拟舱的装配示意图；

图3为本发明提供的一种跳伞模拟舱的驱动控制系统的控制流程示意图；

图4为本发明提供的跳伞模拟舱的驱动控制系统与移动位置检测系统之间的信号传递逻辑图。

图中：1、龙门架；2、气缸驱动装置；201、空气压缩机；202、储气罐；203、气缸；2031、螺杆；3、滑轮传动装置；301、动滑轮；302、柔韧绳；303、第一定滑轮；304、第二定滑轮；4、控制装置；5、滑动块；6、排气消音器；7、跳伞模拟舱。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

请参阅图1和图2，一种跳伞模拟舱的驱动控制系统，包括：龙门架1、气缸驱动装置2、滑轮传动装置3以及控制装置4；

所述气缸驱动装置2包括空气压缩机201、储气罐202以及气缸203，所述空气压缩机201通过气管与所述储气罐202连接，所述储气罐202通过气管与所述气缸203连接；

所述气缸203设置在所述龙门架1上，所述气缸203的螺杆2031与一滑动块5固定连接，所述滑动块5设置在所述龙门架1上且能够沿所述龙门架1的高度方向上下滑动，具体地，龙门架1上设有一滑轨，该滑动块5设置在滑轨上，气缸203的螺杆2031驱动该滑动块5沿着龙门架1上的滑轨滑动；

所述滑轮传动装置3具有两组，左右对称设置在所述龙门架1上，所述滑轮传动装置3包括定滑轮组、动滑轮301和柔韧绳302，所述柔韧绳302的抗拉强度大于或等于根据所述柔韧绳302在跳伞模拟过程中所受到的最大拉力以及安全系数所确定的最小抗拉强度，所述柔韧绳302所受到的最大拉力为在开伞的瞬间所受到的拉力，该拉力为柔韧绳302的负载重力加上使跳伞模拟舱产生向上加速度的作用力；该作用力由所需要产生的向上加速度的值来确定，所述定滑轮组设置在所述龙门架1的远离所述气缸203的一端，具体地，当所述气缸203设置在龙门架1底部时，所述定滑轮组设置在靠近龙门架1顶端的位置；当所述气缸203设置在龙门架1顶部时，所述定滑轮组设置在靠近龙门架1底部的位置；所述定滑轮组包括第一定滑轮303和第二定滑轮304，所述第一定滑轮303设置在所述龙门架1的顶部，所述第二定滑轮304设置在所述第一定滑轮303与所述动滑轮301之间；所述动滑轮301设置在所述滑动块5上；所述柔韧绳302的一端固定在所述滑动块5上，该柔韧绳302的另一端依次绕过第二定滑轮304、动滑轮301及第一定滑轮303，然后固定在跳伞模拟舱7上；通过该绕绳方式使得跳伞模拟舱7的行程量是气缸203的螺杆2031的行程量的三倍；当然了，还可增加动滑轮和定滑轮的数量，从而使得在气缸203的螺杆2031的原行程量的基础上增大跳伞模拟舱7的行程量；具体地，柔韧绳302可采用钢丝绳；

所述控制装置4与所述气缸驱动装置2电连接；控制装置4可根据传感器检测装置的检测信号来控制气缸驱动装置2；

当所述跳伞模拟舱7移动至跳伞模拟行程的最低点时，所述气缸203的螺杆2031伸缩量小于或等于最大伸缩量；当所述跳伞模拟舱7移动至跳伞模拟行程的最高点时，所述气缸203的螺杆2031伸缩量大于或等于最小伸缩量。

该驱动控制系统，通过气缸驱动装置2控制跳伞模拟舱7的空间运动，给予跳伞训练者真实的失重体验，可模拟跳伞下降过程中的自由落地过程、滑翔过程和着陆过程，提高了跳伞模拟训练的逼真性；并且气缸驱动方式整体设计结构简单，驱动程序简单，具有极快的响应速度，能耗较低，降低跳伞模拟训练的成本。

下面针对驱动控制装置的主要部件的选型进行相应的描述(需要说明的是，以下选型参数是基于本实施例结构要求计算的，当本领域技术人员基于本实施例的基础上做出适当的变更时，对应部件的选型参数会相应的改变)：

1.钢丝绳滑轮组传动设计：

在本实施例中，设计了两组对称的滑轮传动装置进行动力传递，因此只需要对其中一组滑轮组计算。选用钢丝绳直径d＝11.0mm，根据钢丝绳规格参数表可知选取钢丝绳公称抗拉强度为σ＝140kg/mm²，破断拉力强度为F＝6090kg，取安全系数为η＝5。

确定负载：跳伞模拟舱最多载重3个人，取每个人的重量为m_人＝75kg，m_舱＝1000kg，m_总＝m_人+m_舱＝1225kg；

选取钢丝绳的根数：n＝2，需要四根钢丝绳与跳伞模拟舱相连，则需要使用四组滑轮组。

校核安全系数：η＝2×F/m_总＝9.19；显然满足安全要求。

钢丝绳动载荷计算：动载系数取1.5，则单根钢丝绳的动载荷为：

F_动＝m_总/n×1.5＝918.74kg，远小于钢丝绳的破断拉力。

特别地，滑轮传动装置还可设置为四组，两组采用大滑轮进行设计，另外两组采用小滑轮设计，将一组采用大滑轮设计的滑动传动装置和一组采用小滑轮设计的滑动传动装置集成在一起，也就是将一组滑动传动装置中的大滑轮和另一组滑轮传动装置中对应的小滑轮固定在一起(例如将一大一小滑轮焊接在一起)，由于两者的直径不同，从而有效避免两者所缠绕的钢丝绳之间的干涉。如此一来，在两组滑动传动装置的基础上增加了两组滑动传动装置，具有四根钢丝绳，保证了安全可靠性，但安装位置以及安装方式与原先两组滑动传动装置的安装位置以及安装方式一致。在本实施例中，滑轮材料为40CrNi，调质处理后，屈服极限σ_s＝785MPa,密度7.85g/cm³，泊松比0.3。

2.气缸参数计算与选型

2.1计算气缸缸径与行程

根据钢丝绳和滑轮组之间的缠绕方式可知，跳伞模拟舱的运动行程是气缸行程的三倍，假设跳伞模拟舱的运动行程H_舱＝9m，则L_气缸＝H_舱/3＝3m。气缸受力是整个跳伞模拟舱受力的三倍，但是动滑轮平衡一部分跳伞模拟舱的重量，已知动滑轮重量m_动滑轮＝100kg，则气缸受到的总拉力为：

F_气缸总＝(m_总-m_动滑轮)×9.8×3＝33075N，

使用两个气缸平衡两侧受力，因此单个气缸承受的拉力为：

F_气缸＝F_气缸总/2＝16537.5N，

拟定空压机工作气压为P＝0.8Mpa，计算气缸的缸径为：

根据国家标准气缸参数，选取气缸外缸径为D_气缸＝200mm，气缸行程为L_气缸＝3m。该气缸选型的活塞杆外径d＝80mm，活塞杆内径d₁＝60mm。

2.2校验活塞杆强度是否满足要求

活塞杆采用40Cr锻造成型，40Cr是活塞杆制作中比较常用的一种材料，具有比较好的综合机械性能，适用于中等精度、转速较高的轴类零件的制造，常被应用于一些较大冲击力、重载荷传动要求大的活塞杆中，可以有效地保证活塞杆拥有足够的工作强度。

根据机械设计手册得，40Cr钢材的许用应力[σ]＝365.7MPa。根据要求，活塞杆应力应小于材料许用应力[σ]。

其中，σ为活塞杆应力，单位MPa；F_气缸为最大负载力，单位：N；d：活塞杆外径,d＝80mm，单位：mm；d₁：活塞杆内径,d₁＝60mm，单位：mm。

2.3校验活塞杆稳定性是否满足要求

气压缸承受轴向压缩载荷时,要计算活塞杆稳定性,活塞杆计算长度L(全伸长度)与活塞杆直径d之比大于10时(即L/d>10)应计算活塞杆的稳定性。计算稳定性时一般按照无偏心载荷时计算，当细长比

时，即可按欧拉公式计算临界载荷P_k：

其中P_k：活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷(N)；n：末端条件系数，此处n-1(根据固定类型而定:一端固定，一端自由n-1/4；两端铰接n-1；一端固定，一端铰接n-2；两端固定n-4)；E：活塞杆材料的弹性模量，对于40Cr钢E＝2.1×10¹¹Pa；J：活塞杆截面的转到惯量，计算得

J＝π(d⁴-d1⁴)/64＝1.8894*10^-6kg/m²，其中L：活塞杆计算长度(m)；K：活塞杆断面的回转半径，计算得

其中，m：柔性系数,中碳钢取m＝85；

由于P_k/F_气缸＝52.49>[n]＝2则气缸满足稳定性要求，F_气缸为缸体最大受力，单位N，[n]取安全系数为2到4之间。

2.4空气用量计算

气缸的耗气量可以分成最大耗气量和平均耗气量。最大耗气量是气缸以最大速度运动时所需要的空气用量，可以表示成：

Q_r＝0.0462×D²×V_max×(P+0.102)＝500.06L/min，其中，Q_r：最大耗气量,单位：L/min(ANR)；D：缸径，取D＝200cm,单位：cm；V_max：最大速度，取V_max＝30cm/s，单位：cm/s；P：使用压力，取P＝0.8Mpa，单位：Mpa。

因此选用Cv值为1.0或有效截面积为25mm左右的电磁阀即可满足流量要求。

平均耗气量是气缸在气动系统的一个工作循环周期内所消耗的空气流量，可以表示成：

Q_ca＝0.00157×(D²×L+d^2×ld)×N×(P+0.102)＝182.68L/min，其中Q_ca：气缸的平均耗气量，单位：L/min(ANR)；N：气缸的工作频率，即每分钟内气缸的往复周数,一个往复为一周，取N＝1周/min,单位：周/min；L：气缸的行程，取L＝3000cm,单位：cm；d：换向阀与气缸之间的配管的内径，取d＝3cm，单位：cm；ld：配管的长度，取ld＝10000cm，单位：cm。

3.空气压缩机选型与计算

3.1空气压缩机的分类

根据实际应用情况和工艺要求，选用适合生产需要的空气压缩机。按照压缩机气体方式的不同，通常将压缩机分为两大类，即容积式和动力式(又名速度式)压缩机。容积式和动力式压缩机由于其结构形式的不同，进一步分为：螺杆压缩机、离心式空压机、活塞式压缩机、滚动活塞式压缩机、涡旋式压缩机

由于螺杆压缩机具有可靠性高、维护方便、适应性强等独特优点，随着对其研究的不断深化和设计技术的持续提高，螺杆压缩机的性能在持续改善提高，其应用领域越来越广泛；同时，由于螺杆式压缩机的工作可靠性在不断提高已逐渐替代以往复式压缩机。因此，在本实施例中选用螺杆压缩机作为气源。

3.2螺杆压缩机选型

根据平均耗气量用于选用空压机、计算运转成本。选用CAC-20A玺艾玺CAC永磁变频螺杆空压机15KW型。具有如下产品特点：运转平稳、噪音低；水冷却、低温升；使用寿命更长更久；安装简便、操作方便；适用365天24小时长期运转不停机；刚性高，振动小——压缩机主机一体式结构；轴承长寿命化——润滑油过滤器过滤精度提高；完备的电器保护——标准配置辅机电源回路专用断路器，控制回路电路保护器。

根据CAC-20A玺艾玺CAC永磁变频螺杆空压机技术参数表可得，螺杆压缩机参数为当空气压力为0.8Mpa时排气量2.25m³/min，冷却方式为风冷，驱动方式为皮带驱动，电机启动方式为Y-Δ启动，出口管径为G3/4，满足要求。

3.3储气罐选型与计算

3.3.1储气罐的容量计算

最大耗气量用于选定空气处理原件、控制阀及配管尺寸等。最大耗气量与平均耗气量之差用于选定气罐的容积。即：

V_tank＝(Q_r-Q_ca)*t＝317.38L，其中，V_tank：气罐的容积，单位：L；Q_r：最大耗气量，单位：L/min(ANR)；Q_ca：气缸的平均耗气量，单位：L/min(ANR)；t：用气总时间，t＝1min，单位min；

3.3.2储气罐的选型

储气罐是工业常用的一种净化和压缩空气的工业设备，也是国家严格监管的特种安全设备之一，同时还会直接影响空压机的卸负载，所以对储气罐的正确选择有着至关重要的作用：首先应选择严格执行GB150-98《钢制压力容器》标准的企业生产的产品。其次，很多时候由于用气量的波动会选择变频空压机,其实很大一部分完全可以直接通过选用比较大的储气罐来减少空压机的卸载时间，从而节约大量能源。

因此，在本实施例中，选用储气罐容量为V_tank＝1000L，设计压力位0.84Mpa，试验压力位1.26Mpa，设计温度位150℃，工作介质为空气。储气罐主体材料Q235B，设计寿命10年。

请参阅图3，驱动控制系统在跳伞模拟训练过程中的控制流程如下，包括步骤：

S11、当接收到起跳信号时，控制气缸203的螺杆2031快速伸长以使跳伞模拟舱7在重力作用下快速下降以模拟起跳过程中的自由落体运动过程；

S12、当接收到开伞信号时，控制气缸203的螺杆2031快速收缩以使跳伞模拟舱7上升至预设高度以模拟跳伞过程中开伞瞬间气流产生的阻力使下降速度急速下降并产生向上惯性力的过程；可通过移动位置检测系统来判断是否到达预设高度；

S13、当检测到跳伞模拟舱7上升至所述预设高度后，控制气缸203的螺杆2031匀速伸长以使跳伞模拟舱7匀速下降以模拟开伞后的匀速下降过程；

S131、当接收到伞降速度控制信号时，根据所述伞降速度控制信号控制气缸的螺杆的伸长速度以模拟用户操纵伞绳调整降落速度的过程；

S14、在跳伞模拟舱7匀速下降过程中，实时获取移动位置检测系统的检测信号，当接收到快到底信号时，控制气缸203的螺杆2031减速伸长以使跳伞模拟舱7缓慢减速下降并停在最低点以模拟跳伞落地过程。

作为一种优选的实施方式，所述气缸203采用双列式气缸，采用双列式气缸对称布局，分布设置在龙门架1底部的两侧，能够提高驱动控制系统的运动平稳性。

作为一种优选的实施方式，所述气缸203的上端口和下端口通过第一换向阀连接至所述储气罐202；所述气缸203的上端口和下端口通过第二换向阀连接至排气消音器6。当跳伞模拟舱7需要上升时，控制装置4控制第一换向阀导通上端口，控制第二换向阀导通下端口，使得上端口进气，下端口排气，从而使气缸203的螺杆2031收缩，带动滑轮传动装置3运动，驱动跳伞模拟舱7上升；当跳伞模拟舱7需要下降时，控制装置4控制第一换向阀导通下端口，控制第二换向阀导通上端口，使得下端口进气，上端口排气，从而使气缸203的螺杆2031伸长，跳伞模拟舱7在重力的作用下往下降。当然了，通过控制第一换向阀和第二换向阀以预设的频率进行通断即可控制跳伞模拟舱7的运动速度。

作为一种优选的实施方式，所述控制装置4为可编程逻辑控制器，选用S7-200SMART系列微型可编程逻辑控制器。当然了，控制装置4还可包括主控电脑，主控电脑通过RS485总线与可编程逻辑控制器连接，用户可通过主控电脑向可编程逻辑控制器手动发送相关的控制指令。

作为一种优选的实施方式，所述龙门架1上设置有导电滑轨，所述导电滑轨上设有一导电滑块，所述导电滑块用于给所述跳伞模拟舱7供电。跳伞模拟舱7可以设置在导电滑轨上，然后跳伞模拟舱7中需要供电的电子设备例则可以连接到导电滑块上，从而实现供电。如果通过线缆来供电的话，跳伞模拟舱7在上下运动过程中需要带动线缆运动，为避免长时间往复运动造成线缆疲劳蠕变，使供电系统发生故障引发安全意外，在供电设计上采用导电滑块集中供电的方式，能够大大提高装置使用寿命，同时保证跳伞模拟舱7的使用安全。

所述移动位置检测系统包括滑轮圈数计数器A1、拉绳式位移传感器A2以及多个接近传感器；所述第一定滑轮303转动时通过摩擦式传动来带动所述滑轮圈数计数器的转动轴转动以测量所述第一定滑轮303转动的圈数，所述拉绳式位移传感器的拉绳固定在所述滑动块5上，所述拉绳式位移传感器的本体设置在所述龙门架1上；多个所述接近传感器沿着所述龙门架1的高度方向分布以测量所述跳伞模拟舱7移动的位置；所述控制装置4分别与所述滑轮圈数计数器A1、拉绳式位移传感器A2以及多个接近传感器电连接。

该跳伞模拟舱的移动位置检测系统通过滑轮圈数计数器测量跳伞模拟舱7的相对高度位移数据，同时使用拉绳位移传感器测量其绝对值，结合接近传感器来确定跳伞模拟舱7的移动位置，通过多冗余的接近传感器、滑轮圈数计数器以及拉绳位移传感器，综合计算确定平台位移过程中的垂直空间落差，避免了单一传感器出现故障而产生的安全问题。

如图4所示，该跳伞模拟舱的移动位置检测系统为驱动控制系统提供跳伞模拟舱7在下降或者上升过程中的位置信息，以供驱动控制系统可根据跳伞模拟舱7的位置信息对跳伞模拟舱7进行精确的控制，实现模拟跳伞过程中的自由落体过程、开伞过程、滑翔过程以及着陆过程。例如，当跳伞模拟舱执行跳伞模拟训练时，通过移动位置检测系统实时检测跳伞模拟舱的位置并反馈给驱动控制系统，驱动控制系统根据跳伞模拟舱的位置信息来确定跳伞模拟舱的运行，比如检测到快到底时，则控制跳伞模拟舱减速，模拟着陆过程，当检测到底时，控制跳伞模拟舱停下；而当跳伞模拟舱执行上升操作时，比如从底部上升至顶部，通过移动位置检测系统检测其是否到顶，从而控制其停下。

具体地，滑轮圈数计数器选用增量型光电旋转编码器，该编码器可将被测的角位移直接转换成数字信号(高速脉冲信号)直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。该编码器的工作过程为：当圆光栅与转动轴一起转动时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹，光电元件接受这些明暗相间的光信号，并转换为交替变换的电信号。该增量型光电旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，A、B、Z两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，A、B为相差90度的脉冲，Z相信号在编码器旋转一圈只有一个脉冲，通常用来做零点的依据，连接时需同步PLC输入的响应时间，同时将该增量型光电旋转编码器的屏蔽线接地，提高抗干扰性。

通过测量光电旋转编码器(即滑轮圈数计数器)的脉冲的数目和频率，得到滑轮的转角及转速，从而可以计算出跳伞模拟舱7对应的运行距离。但是经过滑轮组传动和绳索的拉伸变形等一系列的误差积累后，通过测量滑轮的转角及转速无法精确测量跳伞模拟舱7的实际运动速度和距离，因此需要配合使用拉绳式位移传感器。

拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上，拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准；运动发生时，拉绳伸展和收缩，一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变，带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号，测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。通过直接的测量位移可以达到跳伞模拟舱7精确的位置控制。

通过两种不同的编码器来测量跳伞模拟舱7的运行距离，从而来保证该驱动控制系统不会因为一个编码器的失效而产生错误的控制信号，从而大大降低了高平台跳伞训练模拟的故障率，提高装置的安全性。

接近开关的类型有机械式接近开关，电容式接近开关和光电式接近开关。(1)机械式接近开关：机械式接近开关是一种常用的小电流主令电器。使用杠杆原理将触碰时候的机械运动转换成开关的开闭运动来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测，用于控制机械设备的行程及限位保护，主要由操作头、触点系统和外壳组成。由于机械式接近开关为接触式开关，因此使用寿命有限，但是性能稳定可靠，安装简单方便。(2)电容式接近开关：其工作原理是将数百kHz～数MHz的高频振荡电路一部份引出到检出电极板，由电极板产生高频磁场，若有物体接近时，则物体表面和检出电极板表面起分极现象，而使得整体电容量增加或减少，因此由电容量变化可间接推算出移动物或被感测物之运动量或位置变化，此类型感测物可以是金属、塑胶、液体、木材等。(3)光电式接近开关：广泛定义也称光电感测器，它的种类相当多，其中扩散反射型光电接近开关与一般接近开关架构相同，感测器内建光源电路，利用光发射器，由物体表面反射回来的光量强度，来判断物体有无，此类型感测器不需反射板，检出距离设定容易，不过缺点很多，如感测距离短、检出精度不一、感测物体背景需考量、检测感度调整、两个光电接近装置安装过近容易产生干涉误动作等。

在本实施例中，通过采用几种不同种类的接近开关来组合使用，克服使用单一类型接近开关的弊端，合理利用各个类型的接近开关的优势。电容式接近开关检测范围大，即使物体移动地很快都可以检测到物体的移动位置，但是由于其是通过物体表面和检出电极板表面的分极现象使得整体电容量增加或减少来推算物体的位置变化的，当开关表面积累了灰尘之后，会出现检测失效的情况。而光电式接近传感器不会受到灰尘积累的影响，但是当物体移动速度过快时，会出现检测结果不准确的情况。而机械式接近开关，虽然性能稳定可靠，但是其使用寿命有限，更换周期比较短。因此，采用机械式、电容式以及光电式三种接近开关进行组合，并且采用冗余的设计，避免某一接近传感器失效时导致无法检测跳伞模拟舱的移动位置的问题。

多个接近传感器设置位置具体如下：

第一机械式接近传感器S1，安装在龙门架1的顶端，用于判断跳伞模拟舱7是否已经到达最顶部。

第一电容式接近传感器S2，安装在龙门架1的中部，通过检测到跳伞模拟舱7的金属结构的靠近，使得开关内部检测到电容的变化，判断跳伞模拟舱7是否处于中部位置。

第二电容式接近传感器S3设置在龙门架1高度方向上的接近底部的位置，第三机械式接近传感器S4设置在S3下方；当两个开关其中一个触发时认为跳伞模拟舱7已经下降接近底部，控制系统发出减速下降信号，确保跳伞模拟舱7平稳减速过程。

激光漫反射式传感器S5设置在S4下方，通过测量激光的飞行时间来判断传感器前方物体的距离，具有检测区域大，节省安装使用空间的优点。

第二机械式接近传感器S6和第三电容式接近传感器S7，S6设置在龙门架1的底部，用于检测跳伞模拟舱7是否到达龙门架1的最底部；S7设置在S6下方以检测所述跳伞模拟舱7是否过度下降；当跳伞模拟舱7位于龙门架底部时，关闭第一换向阀和第二换向阀，使得跳伞模拟舱7在重力的作用下保持在最低点。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其特征在于，包括：龙门架、气缸驱动装置、滑轮传动装置以及控制装置；所述控制装置与所述气缸驱动装置电连接；

所述滑轮传动装置具有两组，左右对称设置在所述龙门架上，所述滑轮传动装置包括定滑轮组、动滑轮和柔韧绳，所述柔韧绳的抗拉强度大于或等于根据所述柔韧绳在跳伞模拟过程中所受到的最大拉力以及安全系数所确定的最小抗拉强度，所述动滑轮设置在一受所述气缸驱动装置驱动的可沿所述龙门架的高度方向上下滑动的滑动块上；所述定滑轮组包括第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮设置在所述龙门架的顶部，所述第二定滑轮设置在所述龙门架上且位于所述动滑轮的上方；所述柔韧绳的一端固定在所述滑动块上，另一端绕过所述定滑轮组和所述动滑轮并固定在跳伞模拟舱上；

所述移动位置检测系统包括与所述控制装置电连接的滑轮圈数计数器、拉绳式位移传感器及多个接近传感器；所述滑轮圈数计数器设置在所述第一定滑轮上以使第一定滑轮转动时可带动所述滑轮圈数计数器转动以测量第一定滑轮转动的圈数且将圈数信息发送至所述控制装置；所述拉绳式位移传感器的拉绳固定在所述滑动块上，所述拉绳式位移传感器的本体设置在所述龙门架上，所述拉绳式位移传感器用于检测所述气缸的运行行程并发送至所述控制装置；多个所述接近传感器设置在所述龙门架上且沿着所述龙门架的高度方向间隔分布以检测所述跳伞模拟舱移动的位置并将位置信息发送至所述控制装置。

2.如权利要求1所述的跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其特征在于，所述接近传感器包括：第一机械式接近传感器、第二机械式接近传感器、第一电容式接近传感器、第二电容式接近传感器，所述第一电容式接近传感器和第二电容式接近传感器设置于所述第一机械式接近传感器和所述第二机械式接近传感器之间。

3.如权利要求2所述的跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其特征在于，所述第一机械式接近传感器设置在所述龙门架的顶端以判断跳伞模拟舱是否已到达顶部；所述第一电容式接近传感器设置在所述龙门架在高度方向上的中部以判断跳伞模拟舱是否已处于中部位置；所述第二电容式接近传感器设置在所述龙门架在高度方向上的下半端以判断跳伞模拟舱是否已接近底部；所述第二机械式接近传感器设置在所述龙门架的底部以检测跳伞模拟舱是否到达龙门架的底部。

4.如权利要求3所述的跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其特征在于，所述接近传感器还包括第三机械式接近传感器和第三电容式接近传感器。

5.如权利要求4所述的跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其特征在于，所述第三机械式接近传感器设置在与所述第二电容式接近传感器相邻的位置处；所述第三电容式接近传感器设置在所述第二机械式接近传感器的下方以检测所述跳伞模拟舱是否过度下降。

6.如权利要求5所述的跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其特征在于，所述接近传感器还包括激光漫反射式传感器，所述激光漫反射式传感器设置在所述第二机械式接近传感器和所述第三机械式接近传感器之间。

7.如权利要求1所述的跳伞模拟舱的移动位置检测系统，其特征在于，所述滑轮圈数计数器采用增量型光电旋转编码器。

8.一种跳伞模拟舱的驱动控制系统，其特征在于，包括龙门架、气缸驱动装置、滑轮传动装置、控制装置及如权利要求1至7任一项所述的移动位置检测系统；所述控制装置与所述气缸驱动装置电连接；所述滑轮传动装置包括定滑轮组、动滑轮和柔韧绳，所述柔韧绳的抗拉强度大于或等于根据所述柔韧绳在跳伞模拟过程中所受到的最大拉力以及安全系数所确定的最小抗拉强度，所述动滑轮设置在一受所述气缸驱动装置驱动的可沿所述龙门架的高度方向上下滑动的滑动块上；所述定滑轮组包括第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮设置在所述龙门架的顶部，所述第二定滑轮设置在所述龙门架上且位于所述动滑轮的上方；所述柔韧绳的一端固定在所述滑动块上，另一端绕过所述定滑轮组和所述动滑轮并固定在跳伞模拟舱上；

所述气缸驱动装置包括空气压缩机、储气罐以及气缸，所述空气压缩机通过气管与所述储气罐连接，所述储气罐通过气管与所述气缸连接；

所述气缸设置在所述龙门架上，所述气缸的螺杆与所述滑动块固定连接，所述滑动块设置在所述龙门架上。

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