CN111562792B - 一种飞机俯仰角调整控制装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可调整飞机俯仰角的地面测试控制装置及其工作方法，该装置的实时运动控制器实现轨迹生成及PID控制算法，包含倾角传感器接口和POWERLINK驱动器接口；触摸屏用于运动状态显示和运动命令设置；倾角传感器，与飞机固连安装，用于测量飞机俯仰角；吊挂卷扬机构与飞机驾驶舱处的吊挂点相连；可前后水平移动的双支撑杆机构与飞机机翼支撑点处通过球铰相连。其工作方法是通过吊挂卷扬机构和双支撑杆机构的协同运动，使飞机俯仰角发生变化，并一直保持吊挂点处的吊绳处于竖直状态，保证了支撑杆处只受压力，减小了对飞机的水平拉力，提高了系统安全性和整体系统的测试效率。

Description

一种飞机俯仰角调整控制装置及其工作方法

技术领域

本发明属于控制领域，特别涉及一种可调整飞机俯仰角的地面测试控制装置及方法，属于航空航天地面测试设备技术领域。

背景技术

目标雷达散射截面测试时一般要求调整飞机俯仰角到一定角度，以全面评价飞机的电磁散射特性，现有的调整方式一般为两种，一种是用不同高度的泡沫支架在飞机前部和后部进行支撑，通过不同高度的支架获得不同俯仰角，每次调整均需要用其他装备将飞机升起，效率和安全性均较低；另一种是低散射单支架方式，该种方式在支架顶部需要安装二维转台，且需要飞机腹部预留出安装接口，对支撑系统和飞机均提出了较高要求。本发明是针对新型的“两支一吊”的结构形式提出的控制调整装置，该装置从原理上相对双泡沫支架方式提高了测试效率，相对单支架方式，则降低了对飞机的接口要求，提高了安全性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种飞机俯仰角调整控制装置及其工作方法具体包括：

一种飞机俯仰角调整控制装置，包括，飞机；吊挂卷扬机构，所述吊挂卷扬机构与飞机驾驶舱处的吊挂点相连，用于吊起机身前部；双支撑杆机构，竖直支撑飞机机翼；实时运动控制器，包括，以太网接口，CPU主板，倾角传感器接口、POWERLINK驱动器接口，所述CPU主板实现逻辑运算和飞机俯仰角轨迹生成；倾角传感器，与飞机固连安装，所述倾角传感器通过倾角传感器接口与实时运动控制器通讯，用于测量飞机俯仰角；带有POWERLINK接口的驱动器，与吊挂卷扬机构、双支撑杆机构相连、并通过POWERLINK接口与实时运动控制器通讯；还包括触摸屏，通过以太网接口与实时运动控制器通讯，用于飞机俯仰角状态显示和飞机俯仰角大小的命令设置；所述双支撑杆机构可沿飞机纵向方向水平移动，配合吊挂卷扬机构带动飞机做俯仰运动。所述双支撑杆机构与飞机机翼支撑点处通过球铰相连。

还提供一种运用所述一种飞机俯仰角调整控制装置调整飞机俯仰角姿态的方法，包括如下步骤，

步骤一、运用所述权利要求1装置读取当前飞机俯仰角度P1，实时运动控制器通过倾角传感器接口读取由倾角传感器测量的当前飞机俯仰角度P1；

步骤二、实时运动控制器通过以太网接口接收触摸屏设定的飞机期望俯仰角度P2，以及期望角速度V1和期望角加速度A1；

若P1*P2<0即实际角度和期望角度在零度两侧，则设置运动段数为2段，第一段为由P1角度运动到0°，第二段为由0°运动到期望俯仰角度P2；

若P1*P2>＝0即实际角度和期望角度在零度同侧，则设置运动段数为1段，期望俯仰角度为P2；

步骤三、按梯形轨迹生成自俯仰角度P1到俯仰角度P2的轨迹点P，根据该轨迹角度P同时生成对应该角度值的吊挂卷扬机构位置值Y和双支撑杆机构的水平位移位置值X，

Y＝L×sin(P) (1)

X＝L×cos(P) (2)

根据公式(1)、(2)确定X、Y的值后，将该两个期望位置值通过所述POWERLINK驱动器接口发送到吊挂卷扬机构和双支撑杆机构驱动器中，完成两套运动机构的同步协同运动。

本发明的有益效果为：

1.本发明是针对新型的“两支一吊”的结构形式提出的控制调整装置，该装置从原理上相对双泡沫支架方式提高了测试效率，相对单支架方式，则降低了对飞机的接口要求，提高了安全性。

2.基于轨迹插补生成的同一期望俯仰角P实时解算X向和Y向位移值，保证了两套机构的高精度同步协同运动，使吊绳始终处于竖直状态，减小了支撑杆所受的水平力，提高了系统的安全性。

3.针对X向的同一位置对应两个角度的多值问题，设计了两段运动法，解决了轨迹生成中的多值问题。

附图说明

图1飞机测试中的俯仰角调整装置图

图2俯仰角调整关系图

图3软件流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细论述。

如图1所示，本发明提供一种飞机俯仰角调整控制装置及其工作方法，一种飞机俯仰角调整控制装置，包括，飞机；吊挂卷扬机构，所述吊挂卷扬机构与飞机驾驶舱处的吊挂点相连，用于吊起机身前部；双支撑杆机构，竖直支撑飞机机翼；实时运动控制器，包括，以太网接口，CPU主板，倾角传感器接口、POWERLINK驱动器接口，所述CPU主板实现逻辑运算和飞机俯仰角轨迹生成；倾角传感器，与飞机固连安装，所述倾角传感器通过倾角传感器接口与实时运动控制器通讯，用于测量飞机俯仰角；带有POWERLINK接口的驱动器，与吊挂卷扬机构、双支撑杆机构相连、并通过POWERLINK接口与实时运动控制器通讯；还包括触摸屏，通过以太网接口与实时运动控制器通讯，用于飞机俯仰角状态显示和飞机俯仰角大小的命令设置；所述双支撑杆机构可沿飞机纵向方向水平移动，配合吊挂卷扬机构带动飞机做俯仰运动。所述双支撑杆机构与飞机机翼支撑点处通过球铰相连。

结合图2、3，还提供一种运用所述一种飞机俯仰角调整控制装置调整飞机俯仰角姿态的方法，包括如下步骤，

步骤一、运用所述权利要求1装置读取当前飞机俯仰角度P1，实时运动控制器通过倾角传感器接口读取由倾角传感器测量的当前飞机俯仰角度P1；

步骤二、实时运动控制器通过以太网接口接收触摸屏设定的飞机期望俯仰角度P2，以及期望角速度V1和期望角加速度A1；

若P1*P2<0即实际角度和期望角度在零度两侧，则设置运动段数为2段，第一段为由P1角度运动到0°，第二段为由0°运动到期望俯仰角度P2；

若P1*P2>＝0即实际角度和期望角度在零度同侧，则设置运动段数为1段，期望俯仰角度为P2；

步骤三、按梯形轨迹生成自俯仰角度P1到俯仰角度P2的轨迹点P，根据该轨迹角度P同时生成对应该角度值的吊挂卷扬机构位置值Y和双支撑杆机构的水平位移位置值X，

Y＝L×sin(P) (1)

X＝L×cos(P) (2)

根据公式(1)、(2)确定X、Y的值后，将该两个期望位置值通过所述POWERLINK驱动器接口发送到吊挂卷扬机构和双支撑杆机构驱动器中，完成两套运动机构的同步协同运动。

如图1所示；飞机俯仰角调整装置由实时运动控制器、驱动器及配套电机、触摸屏、倾角传感器、卷扬吊挂运动机构和可前后移动的双支撑杆机构组成，其中卷扬吊挂运动机构与飞机驾驶舱处的吊挂点连接，用于使机身前部升降运动；可前后移动的双支撑杆机构与飞机两机翼处的两支撑点连接，主要用于机身后部的支撑，同时可前后移动，以保证前部吊绳一直处于竖直状态；实时运动控制器用于运动轨迹生成以及PID控制算法的实现，实时运动控制器通过POWERLINK驱动器接口与两个运动机构的驱动器通讯，从而控制运动机构按期望的位置曲线运动，触摸屏用于运动参数设置和运动状态显示；倾角传感器用于测量飞机俯仰角度。

在流程步骤中并结合图3所示，飞机俯仰角的调整主要是根据期望俯仰角反解算出对应的X向和Y向位移值(xt,yt)，再根据当前俯仰角计算出当前X向和Y向的位移值(xr,yr)，然后利用实时运动控制器，按梯形轨迹插补生成自(xr,yr)至(xt,yt)的运动轨迹曲线，通过X向和Y向的同步运动，在保证吊挂点处吊绳竖直的状态下完成俯仰角的调整。

在利用这种结构形式进行俯仰角调整过程中，存在X方向同一位置对应两个角度的问题。例如若俯仰角从-5°运动到5°，此时，由于-5°和5°均对应X方向的同一个位置，若直接以起点和终点进行轨迹规划，则X方向不运动(因为已在此位置)，因此设计了两段运动法，即，若起点位置和目标终点位置在零度的同侧，则直接进行自(xr,yr)至(xt,yt)的轨迹规划阶段，若在零度的两侧，则分为两段，首先进行自(xr,yr)至(0,0)的轨迹规划，然后再进行自(0,0)至(xt,yt)的轨迹规划，该方法有效解决了“两支一吊”轨迹规划中的多值问题。

本发明通过吊挂卷扬机构和双支撑杆机构的协同运动，使飞机俯仰角发生变化，并一直保持吊绳处于竖直状态，保证了支撑杆处只受压力，减小了对飞机的水平拉力，提高了系统安全性和整体系统的测试效率。

本发明所述的实时运动控制器采用X20CP1586作为CPU板，完成数据逻辑处理功能，采用X20CS1030串口接收模块(RS422接口)接收来自倾角传感器的飞机实际俯仰角信息，采用POWERLINK接口与吊挂机构和双支撑杆水平运动机构的三台驱动器通讯，触摸屏通过工业以太网接口与实时运动控制器进行通讯。系统结构框图如图1所示。

所述触摸屏通过通讯接口向实时运动控制器下达期望俯仰角位置、角速度、角加速度参数设置命令，然后下达运动启动命令。此时，实时运动控制中的CPU板根据所设置的参数按梯形轨迹进行轨迹规划，同时根据轨迹规划生成的角度值按公式1、2和该飞机对应的L值(即吊挂点与两支撑点连线的垂直距离，吊挂点在飞机的纵轴上，两支撑点对称地分布在纵轴两侧)生成对应的X方向和Y方向的位移值，最终实现飞机俯仰角的调整。

例如，当前飞机实际俯仰角为0°，两支点连线与吊点之间的垂直距离L＝7500mm，设定的期望俯仰角为10°，角速率为0.5°/s，角加速度为0.5°/s²，则本装置可使飞机俯仰角按以下轨迹进行运动：

其中：A＝0.5，V＝0.5

t₃＝t₂+t₁＝21；

对应每一个插补点，X方向运动的位移值为L×cos(P)；Y方向的运动位移值为L×sin(P)。

若要使飞机俯仰角从10°的位置调整为-10°，则首先分为两步运动，第一步先运动到0°，然后再运动到-10°的方法，轨迹生成公式仍按1式进行即可。

Claims (3)

1.一种飞机俯仰角调整控制装置，包括，

—飞机；

—吊挂卷扬机构，所述吊挂卷扬机构与飞机驾驶舱处的吊挂点相连，用于吊起机身前部；

—双支撑杆机构，竖直支撑飞机机翼；

—实时运动控制器，包括，以太网接口，CPU主板，倾角传感器接口、POWERLINK驱动器接口，所述CPU主板实现逻辑运算和飞机俯仰角轨迹生成；

—倾角传感器，与飞机固连安装，所述倾角传感器通过倾角传感器接口与实时运动控制器通讯，用于测量飞机俯仰角；

—带有POWERLINK驱动器接口的驱动器，与吊挂卷扬机构、双支撑杆机构相连、并通过POWERLINK驱动器接口与实时运动控制器通讯；

其特征在于，

还包括触摸屏，通过以太网接口与实时运动控制器通讯，用于飞机俯仰角状态显示和飞机俯仰角大小的命令设置；所述双支撑杆机构可沿飞机纵向方向水平移动，配合吊挂卷扬机构带动飞机做俯仰运动；

飞机俯仰角的调整主要是根据期望俯仰角反解算出对应的X向和Y向位移值(xt,yt)，再根据当前俯仰角计算出当前X向和Y向的位移值(xr,yr)，然后，利用实时运动控制器，按梯形轨迹插补生成自(xr,yr)至(xt,yt)的运动轨迹曲线，通过X向和Y向的同步运动，在保证吊挂点处吊绳竖直的状态下完成俯仰角的调整；

若起点位置和目标终点位置在零度的同侧，则直接进行自(xr,yr)至(xt,yt)的轨迹规划阶段，若起点位置和目标终点位置在零度的两侧，则分为两段，首先，进行自(xr,yr)至(0,0)的轨迹规划，然后，再进行自(0,0)至(xt,yt)的轨迹规划；

所述飞机俯仰角调整控制装置使飞机俯仰角度按以下轨迹进行运动：

t₃＝t₂+t₁；

其中，t为飞机运动开始时刻，t₁为飞机运动过程中的一个时刻，t₂为飞机运动过程中t₁之后的另一个时刻，t₃为飞机运动的最后时刻，A为飞机运动的角加速度，v为飞机运动的角速率；s为飞机运动的期望俯仰角。

2.根据权利要求1所述的一种飞机俯仰角调整控制装置，其特征在于，所述双支撑杆机构与飞机机翼支撑点处通过球铰相连。

3.一种运用权利要求1所述一种飞机俯仰角调整控制装置调整飞机俯仰角姿态的方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一、运用所述权利要求1装置读取当前飞机俯仰角度P1，用于实时运动控制器通过倾角传感器接口读取由倾角传感器测量的当前飞机俯仰角度P1；

步骤二、实时运动控制器通过以太网接口接收触摸屏设定的飞机期望俯仰角度P2，以及期望角速度V1和期望角加速度A1；

若P1*P2＜0即实际角度和期望角度在零度两侧，则设置运动段数为2段，第一段为由P1角度运动到0°，第二段为由0°运动到期望俯仰角度P2；

若P1*P2＞＝0即实际角度和期望角度在零度同侧，则设置运动段数为1段，期望俯仰角度为P2；

步骤三、按梯形轨迹生成自俯仰角度P1到俯仰角度P2的轨迹点P，根据该轨迹角度P同时生成对应该角度值的吊挂卷扬机构位置值Y和双支撑杆机构的水平位移位置值X，

Y＝L×sin(P) (1)

X＝L×cos(P) (2)

其中，L为两支点连线与吊点之间的垂直距离；

根据公式(1)、(2)确定完成X、Y的值后，将X、Y的值通过所述POWERLINK驱动器接口发送到吊挂卷扬机构和双支撑杆机构驱动器中，完成两套运动机构的同步协同运动；

所述飞机俯仰角调整控制装置使飞机俯仰角度按以下轨迹进行运动：

t₃＝t₂+t₁；

其中，t为飞机运动开始时刻，t₁为飞机运动过程中的一个时刻，t₂为飞机运动过程中t₁之后的另一个时刻，t₃为飞机运动的最后时刻，A为飞机运动的角加速度，v为飞机运动的角速率；s为飞机运动的期望俯仰角。