CN111947523A - 一种用于火箭垂直度全自动调整的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于火箭垂直度全自动调整的控制系统及控制方法，其可以自动精确读取火箭箭体水平仪测量数据，并将水平数据自动解算为箭体垂直度参数，并通过支撑臂控制器自动进行数值解算及判断，分配予不同位置的火箭支撑臂以不同的调整量及调整速度，自动进行迭代及进行调整动作，进而完成火箭垂直度全自动调整工作。与现有的通过人工读数并计算相比，本发明所提供的用于火箭垂直度全自动调整的控制系统及控制方法可以自动精确读取火箭箭体水平仪测量数据，并进一步判断火箭垂直度是否满足要求，操作人员可以直接根据显示装置的对比结果，判断是否需要进行调整。

Description

一种用于火箭垂直度全自动调整的控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于火箭发射技术领域，具体涉及一种用于火箭垂直度全自动调整的控制系统及控制方法。

背景技术

火箭调平机构一般包括支撑臂、电气控制系统、伺服电机等部件，火箭支撑臂数量依据火箭型号的不同可以为4个、8个或者12个，具体形式为螺杆—螺母传动机构，火箭支撑臂设置于发射平台上表面，火箭底部支腿上有安装孔，火箭支撑臂防风拉杆穿过通孔，并通过防风螺母固定，进而实现火箭箭体与支撑臂的稳定连接。

理想状态下，火箭支撑臂安装后，整个全自动调平机构处于水平状态，便于起竖后的火箭箭体处于竖直状态。但是，通常由于支撑臂本身的加工误差、安装误差以及火箭起竖后的安装位置偏差等因素，火箭垂直度存在一定的偏差。垂直度能否满足要求，对于火箭能否安全可靠发射至关重要。

火箭垂直度调整是火箭发射准备工作的一部分，目的在于调整箭体的初始姿态，减小起飞段的横向漂移量，保证火箭起飞安全。由于火箭的燃料为液体，需要在发射平台上起竖后加注，相应地，垂直度调整也分为加注前的空载状态调整和加注后的满载状态调整两种。

现有的火箭垂直度的调整方法主要为半自动方式，即操作人员对箭体上的水平仪进行读数，将数值报至控制台，人工再对水平仪测量数据进行计算，分别对调平系统中的各火箭支撑臂进行调整，从而达到垂直度调整的要求，但存在以下问题：首先，现有技术中人工进行计算并多次调整，一定程度上依赖于个人经验，易产生误差，调平效率低；其次，调平过程中易出现受力不均的情况，对机械结构造成一定的损坏，从而增加箭体垂直度调整风险；再者，考虑到加注燃料具有一定危险性，发射基地要逐步转换为无人值守的自动化操作模式，尽量减少人工参与，提高调整效率。

发明内容

本发明提供一种用于火箭垂直度全自动调整的控制系统及控制方法，以解决现有技术中存在的上述问题。

第一方面，本发明提供了一种用于火箭垂直度全自动调整的控制系统，其包括箭体垂直度测量系统、电气控制系统和支撑臂机构。所述的箭体垂直度测量系统包括水平测量仪和自动计算模块。所述的电气控制系统包括发射台电控上位机、支撑臂控制器和人机交互系统。所述的支撑臂机构为火箭垂直度全自动调整的执行机构，包括伺服电机、位移传感器、力传感器和支撑臂，安装于发射平台上，一般为4个组成，也有8个、12个组成。

所述的水平测量仪设置于箭体上，与所述的自动计算模块连接，所述的水平测量仪用于测量水平数据，实时提供水平数据，并将测量的水平数据通过信号电缆传输至自动计算模块，所述的自动计算模块将水平测量仪测量的水平数据自动解算为箭体垂直度参数；

所述的自动计算模块与发射台电控上位机连接，发射台电控上位机与支撑臂控制器连接，支撑臂控制器与人机交互系统连接；其中，自动计算模块将解算的箭体垂直度参数的数据传输至发射台电控上位机，再由发射台电控上位机将数据传输至支撑臂控制器，支撑臂控制器自动对数据进行解算，将结果显示至人机交互系统中，并将接收的数据与系统设定的垂直度要求进行比对，根据比对结果发出相应的控制指令，如满足垂直度要求，则不进行调整；如不满足要求，则需进行垂直度调整。人机交互系统用于显示当前的火箭垂直度参数与火箭安全发射的垂直度要求范围的比对结果，也可用于对支撑臂控制器的参数进行调整。

所述的支撑臂机构包括多个支撑臂和多个伺服电机，每个支撑臂与一个伺服电机连接，伺服电机为支撑臂进行升降动作的动力源，支撑臂设置于发射平台上，箭体下端，支撑臂内置位移传感器和力传感器，分别用于实时监测支撑臂的运动量(升降高度及相对位置)和实时监测各支撑臂的载荷情况；所述的支撑臂控制器与支撑臂机构的伺服电机连接，如需进行垂直度调整，支撑臂控制器则控制各个伺服电机转动，从而通过伺服电机的转动带动支撑臂按照指令做出相应的升降动作，从而完成火箭垂直度全自动调整工作。

另一方面，本发明提供了一种火箭垂直度全自动调整方法，具体为依据箭体水平度数值而自动转换为火箭垂直度数值，并通过支撑臂控制器自动进行数值解算及判断，分配予不同位置的火箭支撑臂以不同的调整量及调整速度，自动进行迭代及进行调整动作，进而准确判断当前位置是否满足火箭垂直度要求。

具体包括以下步骤：

S1：箭体起竖到位，处于空载状态，置于箭体上的水平测量仪与自动计算模块已接通良好，处于工作状态，电气控制系统与支撑臂机构通讯良好，处于工作状态。

S2：通过水平测量仪实时检测箭体水平数据(即不平度)，并实时向自动计算模块发送；自动计算模块对水平数据进行解算及坐标系转换，得出垂直度数值传输至支撑臂控制器；

S3：支撑臂控制器将实时解算的垂直度数值与预存的火箭安全发射的垂直度要求范围进行比对并判断，将比对结果发送至人机交互系统；控制器依据比对结果进行判断是否需要进行调整动作，如果对比结果不满足火箭安全发射的垂直度要求范围，则需进行全自动火箭垂直度调整。

S4：全自动火箭垂直度调整具体方式为：支撑臂控制器分别计算出各支撑臂(本实施例中为4个)各自的期望轨迹，由各支撑臂的期望轨迹和位移传感器的高度值之差组成闭环进行PID控制。在调整过程中求出每个时刻期望平面的运动方程，从而计算出各个伺服电机的期望输出。

具体地，包括以下步骤：

S4.1：利用水平测量仪及自动计算模块，解算出4个支撑臂的当前相对高度值，假设发射平台为刚体，则期望平面由最高的三个支撑臂确定。

S4.2：计算步骤S4.1中确定的期望平面与各支撑臂当前位置的相对高度值，即，最高的三个支撑臂的平均相对高度值和各支撑臂相应的期望相对高度值。

S4.3：根据步骤S4.2中计算的各支撑臂的期望相对高度值及伺服电机启停运动的最小时间，计算各支撑臂的期望运动速度，运动轨迹为S曲线，以使运动过程的起停更平稳，可适当提高支撑臂的控制精度即单位时间内的运动距离，有利于避免各支撑臂载荷不均的情况发生。

S4.4：根据步骤S4.2中计算的各支撑臂的期望相对高度值和步骤S4.3中计算的期望运动速度，得出各支撑臂期望的运动规划轨迹，其与各支撑臂实际运动轨迹之间的差值，反应了各支撑臂跟踪期望平面的好坏。

S4.5：进一步地，在调整过程中，利用位移传感器实时监测各支撑臂的运动位移，实时计算当前各支撑臂的平均平面高度(各个时刻3个最高火箭支撑臂的平均值)，那么，当前时刻下各支撑臂的实际高度与平均平面的高度差值，反应了运动过程中平台保持在“同一平面”的运动性能，即垂直度调整过程中箭体稳定性的保持能力。

S4.6：进一步地，调用PID算法进行差值调节，作为支撑臂控制器对垂直度调整过程中实时的差值修正，根据当前时刻的实际运动与期望运动的高度差值，控制器实时分配予不同位置的支撑臂的伺服电机以不同的调整量及调整速度，直至火箭垂直度满足安全可靠发射的要求。

进一步地，步骤S1前还可增加以下步骤：

S0：依据火箭起竖前调整机构安装调节到位后的角度数值进行标定，并作为火箭起竖后的全自动调整动作的基准以及判定条件。

相应地，步骤S4后还可增加以下步骤：

S5：火箭在起竖后的空载状态下调整结束后，加注液体燃料完毕后，火箭在加注后的满载状态时，同样可以利用该控制系统及控制方法进行垂直度检测，并根据需要进行火箭垂直度的全自动调整。

本发明的效果和益处是：

与现有的通过人工读数并计算相比，本发明所提供的用于火箭垂直度全自动调整的控制系统及控制方法可以自动精确读取火箭箭体水平仪测量数据，并进一步判断火箭垂直度是否满足要求，操作人员可以直接根据显示装置的对比结果，判断是否需要进行调整。如果对比结果不满足要求，操作人员可一键全自动进行火箭垂直度调整，直至满足安全可靠发射的要求。可见，本发明提供的用于火箭垂直度全自动调整的控制系统可以根据火箭箭体起竖后箭体上水平仪测量数据的反馈，电气控制系统自动进行解算及判断，得出火箭调整机构中各支撑臂的调整量及调平速度，系统自动进行迭代，控制伺服电机驱动调平机构进行平稳动作，保证调整过程中机构受力均匀，全程无需人工参与，实现全自动一键调平，提高调平效率，确保火箭垂直度满足要求，发射安全可靠。

附图说明

图1为本发明中支撑臂与发射平台安装连接结构示意图。

图2为本发明中用于调整火箭垂直度的控制系统结构框图。

图3为本发明中用于调整火箭垂直度的控制方法流程框图。

图中：1火箭装置；2发射平台；3支撑臂机构。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

图1为本发明中支撑臂与发射平台安装连接结构示意图。参见图1，支撑臂机构3安装在发射平台2的导流孔的隔梁上。支撑臂机构3设置有伺服电机、位移传感器、力传感器和支撑臂，通过伺服电机调整支撑臂的高度，进而通过支撑臂机构3中多组伺服电机和支撑臂配合，以调整火箭垂直度。

图2为本发明中用于调整火箭垂直度的控制系统结构框图。参见图2，在本实施例中的用于火箭垂直度全自动调整的控制系统，其包括箭体垂直度测量系统、电气控制系统和支撑臂机构3。所述的箭体垂直度测量系统包括水平测量仪和自动计算模块。所述的电气控制系统包括发射台电控上位机、支撑臂控制器和人机交互系统。所述的支撑臂机构3为火箭垂直度全自动调整的执行机构，包括伺服电机、位移传感器、力传感器和支撑臂，安装于发射平台2上，一般为4个组成，也有8个、12个组成。

所述的水平测量仪设置于箭体上，与所述的自动计算模块连接，所述的水平测量仪用于测量水平数据，实时提供水平数据，并将测量的水平数据通过信号电缆传输至自动计算模块，所述的自动计算模块将水平测量仪测量的水平数据自动解算为箭体垂直度参数；

所述的自动计算模块与发射台电控上位机连接，发射台电控上位机与支撑臂控制器连接，支撑臂控制器与人机交互系统连接；其中，自动计算模块将解算的箭体垂直度参数的数据传输至发射台电控上位机，再由发射台电控上位机将数据传输至支撑臂控制器，支撑臂控制器自动对数据进行解算，将结果显示至人机交互系统中，并将接收的数据与系统设定的垂直度要求进行比对，根据比对结果发出相应的控制指令，如满足垂直度要求，则不进行调整；如不满足要求，则需进行垂直度调整。人机交互系统用于显示当前的火箭垂直度参数与火箭安全发射的垂直度要求范围的比对结果，也可用于对支撑臂控制器的参数进行调整。

所述的支撑臂机构3包括多个支撑臂和多个伺服电机，每个支撑臂与一个伺服电机连接，伺服电机为支撑臂进行升降动作的动力源，支撑臂设置于发射平台2上，箭体下端，支撑臂内置位移传感器和力传感器，分别用于实时监测支撑臂的运动量(升降高度及相对位置)和实时监测各支撑臂的载荷情况；所述的支撑臂控制器与支撑臂机构3的伺服电机连接，如需进行垂直度调整，支撑臂控制器则控制各个伺服电机转动，从而通过伺服电机的转动带动支撑臂按照指令做出相应的升降动作，从而完成火箭垂直度全自动调整工作。

图3为本发明中用于调整火箭垂直度的控制方法流程框图。在本实施例中，用于火箭垂直度全自动调整的控制方法，其基于上述的用于火箭垂直度全自动调整的控制系统，具体包括以下步骤：

S1：箭体起竖到位，处于空载状态，置于箭体上的水平测量仪与自动计算模块已接通良好，处于工作状态，电气控制系统与支撑臂机构3通讯良好，处于工作状态。

S2：通过水平测量仪实时检测箭体水平数据(即不平度)，并实时向自动计算模块发送；自动计算模块对水平数据进行解算及坐标系转换，得出垂直度数值传输至支撑臂控制器；

S3：支撑臂控制器将实时解算的垂直度数值与预存的火箭安全发射的垂直度要求范围进行比对并判断，将比对结果发送至人机交互系统；控制器依据比对结果进行判断是否需要进行调整动作，如果对比结果不满足火箭安全发射的垂直度要求范围，则需进行全自动火箭垂直度调整。

S4：全自动火箭垂直度调整具体方式为：支撑臂控制器分别计算出各支撑臂(本实施例中为4个)各自的期望轨迹，由各支撑臂的期望轨迹和位移传感器的高度值之差组成闭环进行PID控制。在调整过程中求出每个时刻期望平面的运动方程，从而计算出各个伺服电机的期望输出。

具体地，包括以下步骤：

S4.1：利用水平测量仪及自动计算模块，解算出4个支撑臂的当前相对高度值，假设发射平台2为刚体，则期望平面由最高的三个支撑臂确定。

S4.2：计算步骤S4.1中确定的期望平面与各支撑臂当前位置的相对高度值，即，最高的三个支撑臂的平均相对高度值和各支撑臂相应的期望相对高度值。

S4.3：根据步骤S4.2中计算的各支撑臂的期望相对高度值及伺服电机启停运动的最小时间，计算各支撑臂的期望运动速度，运动轨迹为S曲线，以使运动过程的起停更平稳，可适当提高支撑臂的控制精度即单位时间内的运动距离，有利于避免各支撑臂载荷不均的情况发生。

S4.4：根据步骤S4.2中计算的各支撑臂的期望相对高度值和步骤S4.3中计算的期望运动速度，得出各支撑臂期望的运动规划轨迹，其与各支撑臂实际运动轨迹之间的差值，反应了各火箭支撑臂跟踪期望平面的好坏。

S4.5：进一步地，在调整过程中，利用位移传感器实时监测各支撑臂的运动位移，实时计算当前各支撑臂的平均平面高度(各个时刻3个最高火箭支撑臂的平均值)，那么，当前时刻下各支撑臂的实际高度与平均平面的高度差值，反应了运动过程中平台保持在“同一平面”的运动性能，即垂直度调整过程中箭体稳定性的保持能力。

S4.6：进一步地，调用PID算法进行差值调节，作为支撑臂控制器对垂直度调整过程中实时的差值修正，根据当前时刻的实际运动与期望运动的高度差值，控制器实时分配予不同位置的支撑臂的伺服电机以不同的调整量及调整速度，直至火箭垂直度满足安全可靠发射的要求。

进一步地，步骤S1前还可增加以下步骤：

S0：依据火箭起竖前调整机构安装调节到位后的角度数值进行标定，并作为火箭起竖后的全自动调整动作的基准以及判定条件。

相应地，步骤S4后还可增加以下步骤：

S5：火箭在起竖后的空载状态下调整结束后，加注液体燃料完毕后，火箭在加注后的满载状态时，同样可以利用该控制系统及控制方法进行垂直度检测，并根据需要进行火箭垂直度的全自动调整。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (5)

1.一种用于火箭垂直度全自动调整的控制系统，其特征在于，所述的用于火箭垂直度全自动调整的控制系统包括箭体垂直度测量系统、电气控制系统和支撑臂机构；所述的箭体垂直度测量系统包括水平测量仪和自动计算模块；所述的电气控制系统包括发射台电控上位机、支撑臂控制器和人机交互系统；所述的支撑臂机构为火箭垂直度全自动调整的执行机构，包括伺服电机、位移传感器、力传感器和支撑臂，安装于发射平台上；

所述的水平测量仪设置于箭体上，与所述的自动计算模块连接，所述的水平测量仪用于测量水平数据，实时提供水平数据，并将测量的水平数据通过信号电缆传输至自动计算模块，所述的自动计算模块将水平测量仪测量的水平数据自动解算为箭体垂直度参数；

所述的自动计算模块与发射台电控上位机连接，发射台电控上位机与支撑臂控制器连接，支撑臂控制器与人机交互系统连接；其中，自动计算模块将解算的箭体垂直度参数的数据传输至发射台电控上位机，再由发射台电控上位机将数据传输至支撑臂控制器，支撑臂控制器自动对数据进行解算，将结果显示至人机交互系统中，并将接收的数据与系统设定的垂直度要求进行比对，根据比对结果发出相应的控制指令，如满足垂直度要求，则不进行调整；如不满足要求，则需进行垂直度调整；人机交互系统用于显示当前的火箭垂直度参数与火箭安全发射的垂直度要求范围的比对结果，也用于对支撑臂控制器的参数进行调整；

所述的支撑臂机构包括多个支撑臂和多个伺服电机，每个支撑臂与一个伺服电机连接，伺服电机为支撑臂进行升降动作的动力源，支撑臂设置于发射平台上，箭体下端，支撑臂内置位移传感器和力传感器，分别用于实时监测支撑臂的运动量和实时监测各支撑臂的载荷情况；所述的支撑臂控制器与支撑臂机构的伺服电机连接，如需进行垂直度调整，支撑臂控制器则控制各个伺服电机转动，从而通过伺服电机的转动带动支撑臂按照指令做出相应的升降动作，从而完成火箭垂直度全自动调整工作。

2.一种火箭垂直度全自动调整方法，其特征在于，所述的火箭垂直度全自动调整方法基于权利要求1所述的用于火箭垂直度全自动调整的控制系统，包括以下步骤：

S1：箭体起竖到位，处于空载状态，置于箭体上的水平测量仪与自动计算模块已接通良好，处于工作状态，电气控制系统与支撑臂机构通讯良好，处于工作状态；

S2：通过水平测量仪实时检测箭体水平数据，并实时向自动计算模块发送；自动计算模块对水平数据进行解算及坐标系转换，得出垂直度数值传输至支撑臂控制器；

S3：支撑臂控制器将实时解算的垂直度数值与预存的火箭安全发射的垂直度要求范围进行比对并判断，将比对结果发送至人机交互系统；支撑臂控制器依据比对结果进行判断是否需要进行调整动作，如果对比结果不满足火箭安全发射的垂直度要求范围，则需进行全自动火箭垂直度调整；

S4：全自动火箭垂直度调整具体方式为：支撑臂控制器分别计算出各支撑臂各自的期望轨迹，由各支撑臂的期望轨迹和位移传感器的高度值之差组成闭环进行PID控制；在调整过程中求出每个时刻期望平面的运动方程，从而计算出各个伺服电机的期望输出。

3.根据权利要求2所述的火箭垂直度全自动调整方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：

S4.1：利用水平测量仪及自动计算模块，解算出4个支撑臂的当前相对高度值，假设发射平台为刚体，则期望平面由最高的三个支撑臂确定；

S4.2：计算步骤S4.1中确定的期望平面与各支撑臂当前位置的相对高度值，即，最高的三个支撑臂的平均相对高度值和各支撑臂相应的期望相对高度值；

S4.3：根据步骤S4.2中计算的各支撑臂的期望相对高度值及伺服电机启停运动的最小时间，计算各支撑臂的期望运动速度，运动轨迹为S曲线，以使运动过程的起停更平稳，提高支撑臂的控制精度，即单位时间内的运动距离，有利于避免各支撑臂载荷不均的情况发生；

S4.4：根据步骤S4.2中计算的各支撑臂的期望相对高度值和步骤S4.3中计算的期望运动速度，得出各支撑臂期望的运动规划轨迹，其与各支撑臂实际运动轨迹之间的差值，反应了各支撑臂跟踪期望平面的好坏；

S4.5：在调整过程中，利用位移传感器实时监测各支撑臂的运动位移，实时计算当前各支撑臂的平均平面高度，当前时刻下各支撑臂的实际高度与平均平面的高度差值，反应了运动过程中平台保持在同一平面的运动性能，即垂直度调整过程中箭体稳定性的保持能力；

S4.6：调用PID算法进行差值调节，作为支撑臂控制器对垂直度调整过程中实时的差值修正，根据当前时刻的实际运动与期望运动的高度差值，控制器实时分配予不同位置的支撑臂的伺服电机以不同的调整量及调整速度，直至火箭垂直度满足安全可靠发射的要求。

4.根据权利要求2或3所述的火箭垂直度全自动调整方法，其特征在于，步骤S1前还包括步骤：

S0：依据火箭起竖前调整机构安装调节到位后的角度数值进行标定，并作为火箭起竖后的全自动调整动作的基准以及判定条件。

5.根据权利要求4所述的火箭垂直度全自动调整方法，其特征在于，步骤S4后还包括步骤：

S5：火箭在起竖后的空载状态下调整结束后，加注液体燃料完毕后，火箭在加注后的满载状态时，同样利用权利要求2或3所述的火箭垂直度全自动调整方法进行垂直度检测，以及进行火箭垂直度的全自动调整。

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