CN111653174A - 一种应用于科普教育的火箭模型稳定控制演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于科普教育的火箭模型稳定控制演示装置，包括：夹持机构，用于固定火箭模型；以及与所述夹持机构连接的水平转动机构，所述水平转动机构用于带动所述夹持机构在水平方向上转动；以及与所述水平转动机构连接的升降机构，所述升降机构用于带动所述水平转动机构沿竖直方向运动；以及固定所述升降机构的基座；本发明通过夹持机构夹持住火箭模型，在通过水平转动机构带动火箭模型在水平方向上转动，利用升降机构带动火箭模型在竖直方向上移动，能够模拟火箭垂直上升段的运动轨迹，向学生直观地展示运载火箭姿态控制系统工作原理以及相关物理知识。

Description

一种应用于科普教育的火箭模型稳定控制演示装置

技术领域

本发明涉及教学装置领域，特别涉及一种应用于科普教育的火箭模型稳定控制演示装置。

背景技术

航天技术的迅猛发展，在载人航天工程、空间站计划、嫦娥探月工程等多项重大工程计划中都取得了不锈成绩，这也引发了全民航天热的浪潮，航天知识也越来越成为大众想要学习、了解和掌握的知识。

2016年3月8日，国务院批复设立“中国航天日”，目的是激发全民尤其是青少年崇尚科学、探索未知、敢于创新的热情。为了响应号召，全国各省市多所中小学开设了航天相关基础性教学课程。当前，国内外相关航天教学模具缺乏，导致老师面向不具备一定专业基础知识的学生授课难度大大增加。这一现象激起了航天教学模具的进一步发展。

运载火箭体积巨大，如何在火箭发射过程中实现稳定控制，是航天工程中的一大难题，也是很多青少年感兴趣的问题。而在实际工程应用中火箭控制需要考虑的因素很多，原理较为复杂，对于大部分中小学生理解起来有一定难度。

现有技术中的演示装置只有对于火箭发射阶段的演示，没有对于火箭升空阶段的演示，例如公开号为CN207233259U，公开日为2018年4月13日的中国专利申请公开了一种火箭发射演示装置，包括火箭拼装装置和火箭发射装置，火箭拼装装置包括拼装模型、拼装台、操作按钮、收纳槽，拼装模型为对应于长征二号F型火箭多个部件的等比模型，拼装台的上端面上设有对应地容置拼装模型的拼装凹槽，操作按钮包括设于拼装台上的发射按钮，收纳槽设于拼装台内。这种类型的显示装置只能够对于火箭发射的瞬间状态进行演示，无法演示火箭升空阶段的姿态。

发明内容

为了解决让青少年更直观地了解火箭升空过程中的姿态，本发明提供一种能够演示火箭升空姿态的演示教学装置。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种应用于科普教育的火箭模型稳定控制演示装置，包括：夹持机构，用于固定火箭模型；以及与所述夹持机构连接的水平转动机构，所述水平转动机构用于带动所述夹持机构在水平方向上转动；以及与所述水平转动机构连接的升降机构，所述升降机构用于带动所述水平转动机构沿竖直方向运动；以及固定所述升降机构的基座。

进一步的，所述夹持机构包括：摆杆夹持件，用于固定火箭模型；以及与所述摆杆夹持件连接的旋转臂夹持件，所述旋转臂夹持件用于夹持所述水平转动机构。

可选的，所述旋转臂夹持件上固定有摆杆角度编码器。

在上述技术方案中，作为一种优选的技术方案，所述升降机构包括丝杠，所述丝杠的一端固定在所述基座上，所述丝杠上套有丝杠螺母，所述丝杠螺母连接有第一电机。

可选的，所述丝杠螺母外套有上升平台，所述上升平台能够与所述丝杠螺母一起上下移动。

作为优选的技术方案，所述上升平台的底部表面设置有加强筋。

进一步的，所述水平转动机构包括旋转臂，所述旋转臂的一端连接在所述上升平台上，另一端与所述夹持机构连接，所述旋转臂通过联轴器连接有第二电机，所述第二电机能够带动所述旋转臂在水平方向上转动。

优选的，所述旋转臂的长度小于所述上升平台的半径。

作为另外一种优选的技术方案，所述升降机构包括滑轨，所述滑轨的一端固定在所述基座上，所述滑轨上连接有能够上下移动的滑块，所述滑块连接有气缸。

在上述的技术方案中，所述水平转动机构包括旋转臂，所述旋转臂的一端连接在所述滑块上，另一端与所述夹持机构连接，所述旋转臂还连接有第二电机，所述第二电机能够带动所述旋转臂在水平方向上转动。

本发明通过夹持机构夹持住火箭模型，在通过水平转动机构带动火箭模型在水平方向上转动，利用升降机构带动火箭模型在竖直方向上移动，能够非常真实的模拟火箭在整个发射过程中的运动轨迹，向学生直观地展示运载火箭姿态控制系统工作原理以及相关物理知识，这丰富了航天科普教具的形式，顺应了国家航天知识普及的发展以及对航天文化的传播。

附图说明

图1是本发明一实施例的整体结构图；

图2是本发明中水平转动机构的结构图；

图3是本发明中升降机构的结构图；

图4是本发明另一实施例的整体结构图；

图5是本发明中软件流程设计框图。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-3所示，本发明提供一种应用于科普教育的火箭模型稳定控制演示装置，包括：夹持机构10，夹持机构10用于固定火箭模型20，夹持机构10包括摆杆夹持件101，摆杆夹持件101可采用夹钳、螺旋夹紧机构、吸盘等等，其作用是夹紧火箭模型20，可选的，在火箭模型20的底部设置一根用于固定的摆杆201，通过摆杆夹持件101夹住摆杆201即可固定住火箭模型20，另外，摆杆夹持件101连接有旋转臂夹持件102，旋转臂夹持件102是用来固定水平转动机构30中的旋转臂301的，后续会具体对水平转动机构30以及旋转臂301进行详细的介绍，旋转臂夹持件102的结构与摆杆夹持件101的结构相似，可采用夹钳、螺旋夹紧机构、吸盘等等。

被旋转臂夹持件102夹持的是旋转臂301，旋转臂301属于水平转动机构30的一个组件，在上升平台302上固定有步进电机303，步进电机303的输出轴通过联轴器304与旋转臂301连接，步进电机303能够带动旋转臂301在水平面上自由旋转。

可选的，旋转臂夹持件102上固定有摆杆角度编码器305，摆杆角度编码器305用来检测旋转臂的旋转角度，用来控制火箭在水平方向上的移动距离。

进一步的，火箭模型稳定控制演示装置还包括升降机构40，升降机构40用于带动水平转动机构30沿竖直方向运动；在一些实施例中，升降机构40包括丝杠401，丝杠401的一端固定在基座50上，丝杠401上套有丝杠螺母402，丝杠螺母402连接有直流电机403，直流电机403带动丝杠螺母402转动，丝杠螺母402沿丝杠401上下移动，在丝杠螺母402外套有上升平台302，在丝杠螺母402的带动下，上升平台302能够与丝杠螺母402一起沿丝杠401上下移动。

在一些实施例中，为了提高上升平302的机械强度，在上升平台302的底部表面设置有加强筋。

另外，为了旋转臂301在转动的过程中与丝杠401发生干扰，旋转臂301的长度要小于上升平台302的半径。

火箭在上升过程中由于地球自转的影响以及发射位置到预定位置的距离差异，整个上升的轨迹成一定的弧形，所以为了提高演示的真实性，火箭模型在整个上升的过程中也是呈现弧形，由于在本实施例中，升降机构40采用丝杠401和丝杠螺母402，上升过程中火箭模型会跟着丝杠螺母402一直围着丝杠401旋转，所以在上升的同时需要水平转动机构30也工作，利用步进电机303带动旋转臂301朝向螺母运动的反方向旋转，这样丝杆螺母402旋转的角度与旋转臂301旋转的角度之差即为火箭模型在该上升过程中偏转的角度。

在一些实施例中，将升降机构设置成直上直下的形式可以简化控制算法，如图4所示，升降机构40包括丝杠404，丝杠404上套有丝杠螺母405，丝杠404的一端连接有直流电机406，直流电机406带动丝杠404转动，从而使得丝杠螺母405沿丝杠404上下直线移动，同样的在丝杠螺母405外套有上升平台，在丝杠螺母405的带动下，上升平台能够与丝杠螺母405一起沿丝杠404上下移动，另外，为了保证整个装置在上述过程中的稳定性，在上升平台302的两侧还设置有导向杆407。这样火箭在上升过程中的偏转只需要通过水平转动机构来完成即可，旋转臂旋转的角度即为火箭的偏转监督，这样方便计算。

在一些实施例中，升降机构的功能还可以通过滑轨、滑块以及气缸来实现，具体的，将滑轨的一端固定在基座上，滑轨上连接有能够上下移动的滑块，滑块连接有气缸。通过气缸带动滑块在滑轨上移动实现火箭模型的上下，这样火箭在上升过程中的偏转只需要通过水平转动机构来完成即可，旋转臂旋转的角度即为火箭的偏转监督，这样方便计算。

上述阐述的是本发明的硬件部分，本发明的软件部分主要包括具有通信及显示功能的上位机和下位机控制算法，两部分相互独立。其中上位机软件采用MATLAB/APP软件编写，下位机采用C语言为主体的编程方式，利用了C语言编写算法的方便性，保证了整个软件系统的紧凑性。下位机软件在Keil开发环境中进行程序编译调试，采用模块化方式进行编写，如图5所示，包括系统初始化程序、外设和中断初始化程序、主循环中断程序和控制算法程序的编写。主控在运行算法之前需要对其内部的时钟、中断和外设输入/输出通道进行初始化，设置数据采样周期为5毫秒，控制周期为25毫秒。CPU0由步进电机控制算法输出时序脉冲控制步进电机转动速率；CPU1通过ADC通道采集直流电机编码器及摆杆角度编码器的数据，并输入到控制算法程序，运算后产生PWM波形输出到直流电机，由直流电机产生相应的控制力矩，实现火箭模型的姿态稳定控制。本发明利用MATLAB语言进行上位机软件的开发。该上位机界面主要分为两个个模块：串口配置模块和曲线绘制模块。各模块功能如下：

(1)串口配置模块：该部分包括四个可配置的参数，调整改组参数，调整改组参数可以改变上位机数据收发协议类型，在软件开始使用前，需将该组的四个参数配置为与下位机相一致的通信规则

(2)曲线绘制模块：上位机将接收到的模型的位置信息和姿态信息以10毫秒的时间间隔绘制在曲线绘制窗口中。

本发明基于实际的运载火箭发射姿态控制系统，研制一款适用于青少年航天科普实物演示的火箭稳定控制演示装置。该装置引入了抬升机构模拟了火箭上升运动，向学生直观地展示运载火箭姿态控制系统工作原理以及相关物理知识，这丰富了航天科普教具的形式，顺应了国家航天知识普及的发展以及对航天文化的传播；同时引入PC上位机实现火箭模型状态参数动态显示，增强了试验数据的可视化程度，改善教学效果，有助于加深青少年对火箭姿态控制工作原理的理解。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于科普教育的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于，包括：

夹持机构，用于固定火箭模型；以及

与所述夹持机构连接的水平转动机构，所述水平转动机构用于带动所述夹持机构在水平方向上转动；以及

与所述水平转动机构连接的升降机构，所述升降机构用于带动所述水平转动机构沿竖直方向运动；以及固定所述升降机构的基座。

2.根据权利要求1所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于，所述夹持机构包括：

摆杆夹持件，用于固定火箭模型；以及

与所述摆杆夹持件连接的旋转臂夹持件，所述旋转臂夹持件用于夹持所述水平转动机构。

3.根据权利要求2所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述旋转臂夹持件上固定有摆杆角度编码器。

4.根据权利要求1所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述升降机构包括丝杠，所述丝杠的一端固定在所述基座上，所述丝杠上套有丝杠螺母，所述丝杠螺母连接有第一电机。

5.根据权利要求4所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述丝杠螺母外套有上升平台，所述上升平台能够与所述丝杠螺母一起上下移动。

6.根据权利要求5所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述上升平台的底部表面设置有加强筋。

7.根据权利要求5所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述水平转动机构包括旋转臂，所述旋转臂的一端连接在所述上升平台上，另一端与所述夹持机构连接，所述旋转臂通过联轴器连接有第二电机，所述第二电机能够带动所述旋转臂在水平方向上转动。

8.根据权利要求7所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述旋转臂的长度小于所述上升平台的半径。

9.根据权利要求1所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述升降机构包括滑轨，所述滑轨的一端固定在所述基座上，所述滑轨上连接有能够上下移动的滑块，所述滑块连接有气缸。

10.根据权利要求9所述的火箭模型稳定控制演示装置，其特征在于：所述水平转动机构包括旋转臂，所述旋转臂的一端连接在所述滑块上，另一端与所述夹持机构连接，所述旋转臂还连接有第二电机，所述第二电机能够带动所述旋转臂在水平方向上转动。

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