CN112644713A - 一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞艇技术领域，提供一种适用于中低空飞艇可调弹体吊挂装置，其方位调整机构的下端连接俯仰调整机构；俯仰调整机构下端连接弹体吊挂机构；方位调整机构通过涡轮蜗杆机构带动旋转筒、连接盘和弹体吊挂机构，实现弹体吊挂装置方位调整；俯仰调整机构通过涡轮蜗杆和主从动齿轮传动方式，实现弹体吊挂装置俯仰；姿态稳定控制装置有惯性导航单元传感器和伺服电机控制器，惯性导航单元传感器安装在方位、俯仰调整机构以及弹体吊挂机构上，对弹体姿态进行实时监测以及姿态数据反馈，伺服电机控制器根据姿态反馈数据，驱动伺服电机带动方位与俯仰调整机构动作，实现对弹体姿态动态调整。本发明设计合理结构紧凑，实用性强可靠性高且便于维护。
Description
技术领域
本发明属于飞艇技术领域，具体涉及一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置。
背景技术
在飞行打靶试验中，采用中低空飞艇挂载导弹逼真模拟真实战场态势，要求挂弹装置具备动态调整方位角与俯仰角的功能，同时为了避免飞艇在空中受风速、风向及高度变化等因素影响产生震荡，影响瞄准精度，要求挂弹装置对由于飞艇震荡而产生的弹体位置偏差具备补偿功能。
传统的飞艇挂弹装置不具备独立的调整功能，对挂弹姿态的调整必须通过飞艇运动的调整实现。首先，该种调整方式通过对飞艇的运动控制来实现挂弹姿态的调整，局限于飞艇本身的特点，响应时间长；其次飞艇的运动需要通过对飞艇气囊的充放气实现，控制成本高；并且，实践证明，这种调整控制方式还存在精度较低、受气候环境影响大等缺点。与试验任务高效、可控等要求还存在一定的差距。
发明内容
本发明的目的是要解决现有飞艇挂弹装置不具备独立调整方位与俯仰的技术问题。
为达到上述目的解决上面的技术问题，本发明提供一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，具体的技术方案如下：
中低空飞艇挂弹姿态稳定装置包括方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制、俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制、弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制、和姿态稳定控制单元；俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制位于方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制的下端，俯仰调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制下端连接弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制；
方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制包括主轴姿态稳定控制11姿态稳定控制、蜗杆姿态稳定控制12姿态稳定控制、蜗轮姿态稳定控制13姿态稳定控制和旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制，主轴姿态稳定控制11姿态稳定控制与飞艇姿态稳定控制5姿态稳定控制相对固定；蜗轮姿态稳定控制13姿态稳定控制与旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制相对固定并能够绕主轴旋转；旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制与蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制相对固定；当电机带动蜗杆姿态稳定控制12姿态稳定控制转动时，蜗轮姿态稳定控制13姿态稳定控制、旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制、蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕主轴姿态稳定控制11姿态稳定控制相应转动，实现挂弹装置方位角的改变；
俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制包括蜗杆姿态稳定控制201姿态稳定控制、蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制、蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制、主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制、从动齿轮姿态稳定控制206、207、208、209姿态稳定控制、俯仰板姿态稳定控制210、211姿态稳定控制和蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制；蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制与蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相对固定；
主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制分别安装于蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制的两端，与蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相对固定；蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制、蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制和主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制可以相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制轴线转动；
从动齿轮姿态稳定控制206、207姿态稳定控制位于主动齿轮姿态稳定控制204姿态稳定控制的两侧并与主动齿轮姿态稳定控制204姿态稳定控制相互啮合；从动齿轮姿态稳定控制206、207姿态稳定控制与俯仰板姿态稳定控制210姿态稳定控制相对固定；
从动齿轮姿态稳定控制208、209姿态稳定控制位于主动齿轮姿态稳定控制205姿态稳定控制的两侧并与主动齿轮姿态稳定控制205姿态稳定控制相互啮合；从动齿轮姿态稳定控制208、209姿态稳定控制与俯仰板姿态稳定控制211姿态稳定控制相对固定；
从动齿轮姿态稳定控制206、207、208、209姿态稳定控制和俯仰板姿态稳定控制210、211姿态稳定控制可以相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制轴线转动，当伺服电机带动蜗杆姿态稳定控制201姿态稳定控制旋转时，蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制、蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制和主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相应转动，从动齿轮姿态稳定控制206、207、208、209姿态稳定控制和俯仰板姿态稳定控制210、211姿态稳定控制也相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相应转动，实现挂弹装置俯仰角改变；
弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制用于实现多种型号弹体的挂载；
姿态稳定控制单元包括两台伺服电机，惯性导航单元传感器和伺服电机控制器，两台伺服电机分别安装在方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制、俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制上，惯性导航单元传感器安装在弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制上，伺服电机控制器位于伺服电机上；
两台伺服电机分别在俯仰、偏航两个自由度上驱动相应的执行机构，伺服电机集成有编码器，可通过编码器反馈电机转速，实现伺服电机的速度环控制；
惯性导航单元传感器用于采集弹体的俯仰、偏航角度信息，结合指挥所获取的弹体目标姿态，可获取弹体姿态偏差，姿态偏差用于实现伺服电机的位置环控制；
伺服电机控制器主要完成数据处理与动态控制功能，是姿态控制核心部件，伺服电机控制器能够处理惯性导航单元传感器与编码器数据，并与上位机通信，获取弹体目标姿态，将姿态偏差与伺服电机转速偏差作为误差信号，通过PID控制方式，输出伺服电机控制指令，该控制指令经功率放大器放大后，用于驱动伺服电机运转，结合弹体吊挂装置的实际机械结构，实现对弹体的俯仰、偏航控制。
进一步的，弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制包括固定环扣姿态稳定控制31姿态稳定控制和锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制，且固定环扣姿态稳定控制31姿态稳定控制和锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制之间距离可调，实现不同长度弹体的固定和定位。
进一步的，固定环扣姿态稳定控制31姿态稳定控制内衬橡胶垫圈，在提高紧固弹体头部同时，起到电隔离作用。
进一步的，锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制则包括上下两个半环，以适应不同规格尺寸的载荷。
进一步的，惯性导航单元传感器安装在弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制的锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制上。
相对于现有技术，本发明的有效收益如下：
1、本发明可对挂弹的方位角和俯仰角独立地、实时地、动态地调整，保证挂弹在空中的姿态稳定。
2、本发明采用两组蜗轮蜗杆机构分别在俯仰角和方位角两个方向上分度传动，两组机构中蜗轮的旋转角度分别对应装置挂弹方位角和俯仰角的改变，通过选择不同的传动比可以兼顾动力传递和精密传动需求。
3、与齿轮传动相比本发明的蜗轮蜗杆传动结构紧凑，整体尺寸易于控制，适用范围广；
4、本发明蜗轮蜗杆的极限传动比大，在大传动比条件下，通过控制蜗杆的旋转间接控制蜗轮，可以更加准确地控制蜗轮旋转微小的角度；
5、本发明的蜗轮蜗杆传动具有自锁功能，姿态调整到位后可以克服重量和惯性对控制精度的影响。
6、本发明对挂弹的姿态采用闭环控制，可以实时地修正由于飞艇受大气扰动造成的挂弹姿态改变，保证挂弹在空中的姿态稳定，为飞行打靶试验提供支撑。
附图的说明
图1是本发明的中低空飞艇挂弹姿态稳定装置的立体示意图(含弹)；
图2是本发明的中低空飞艇挂弹姿态稳定装置的剖面视图(不含弹)；
图3是本发明的中低空飞艇挂弹姿态稳定装置的透视视图(不含弹)；
图4是本发明的中低空飞艇挂弹姿态稳定装置姿态稳定控制框图；
图5是本发明的中低空飞艇挂弹姿态稳定装置方位角变化过程；
图6是本发明的中低空飞艇挂弹姿态稳定装置俯仰角变化过程。
其中：1-方位角调整机构、2-俯仰角调整机构、3-挂弹固定机构、4-挂弹、5-飞艇、11-主轴、12-蜗杆、13-蜗轮、14-旋转筒、201-蜗杆、202-蜗轮、203-蜗轮轴、204-主动齿轮、205主动齿轮、206-从动齿轮、207-从动齿轮、208-从动齿轮、209-从动齿轮、210-俯仰板、211-俯仰板、212-蜗轮蜗杆箱、31-固定环扣、32-锁紧环扣
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细阐述本发明的实现过程。
在飞行打靶试验中，采用中低空飞艇挂载导弹逼真模拟真实战场态势，要求挂弹装置具备动态调整方位角与俯仰角的功能，同时为了避免飞艇在空中受风速、风向及高度变化等因素影响产生震荡，影响瞄准精度，要求挂弹装置对由于飞艇震荡而产生的弹体位置偏差具备补偿功能。
因此本发明提供一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，主要设计思路如下：采用两组蜗轮蜗杆机构分别在方位和俯仰两个方向上进行分度传动，两组机构中蜗轮的旋转角度分别对应挂弹装置的方位角和俯仰角。由两台伺服电机分别驱动两组机构中的蜗杆，通过蜗杆蜗轮啮合，分别带动蜗轮相应地转动，通过选择不同的传动比可以同时满足动力传递和精密传动需求，此外蜗轮蜗杆机构具有自锁特性，姿态调整到位后可以克服重量和惯性对控制精度的影响，本发明配套设计了相应的姿态控制单元，以实现上述装置的传动控制。
本发明提供的一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，如图1-3所示，包括方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制、俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制、弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制、和弹体姿态控制单元；俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制位于方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制的下端，俯仰调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制下端连接弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制；
方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制包括主轴姿态稳定控制11姿态稳定控制、蜗杆姿态稳定控制12姿态稳定控制、蜗轮姿态稳定控制13姿态稳定控制和旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制，主轴姿态稳定控制11姿态稳定控制与飞艇姿态稳定控制5姿态稳定控制相对固定；蜗轮姿态稳定控制13姿态稳定控制与旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制相对固定并能够绕主轴旋转；旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制与蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制相对固定；当电机带动蜗杆姿态稳定控制12姿态稳定控制转动时，蜗轮姿态稳定控制13姿态稳定控制、旋转筒姿态稳定控制14姿态稳定控制、蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕主轴姿态稳定控制11姿态稳定控制相应转动，实现挂弹装置方位角的改变；
俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制包括蜗杆姿态稳定控制201姿态稳定控制、蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制、蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制、主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制、从动齿轮姿态稳定控制206、207、208、209姿态稳定控制、俯仰板姿态稳定控制210、211姿态稳定控制和蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制；蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制与蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相对固定；
主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制分别安装于蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制的两端，与蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相对固定；蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制、蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制和主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制可以相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制轴线转动；
从动齿轮姿态稳定控制206、207姿态稳定控制位于主动齿轮姿态稳定控制204姿态稳定控制的两侧并与主动齿轮姿态稳定控制204姿态稳定控制相互啮合；从动齿轮姿态稳定控制206、207姿态稳定控制与俯仰板姿态稳定控制210姿态稳定控制相对固定；
从动齿轮姿态稳定控制208、209姿态稳定控制位于主动齿轮姿态稳定控制205姿态稳定控制的两侧并与主动齿轮姿态稳定控制205姿态稳定控制相互啮合；从动齿轮姿态稳定控制208、209姿态稳定控制与俯仰板姿态稳定控制211姿态稳定控制相对固定；
从动齿轮姿态稳定控制206、207、208、209姿态稳定控制和俯仰板姿态稳定控制210、211姿态稳定控制可以相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制轴线转动，当伺服电机带动蜗杆姿态稳定控制201姿态稳定控制旋转时，蜗轮姿态稳定控制202姿态稳定控制、蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制和主动齿轮姿态稳定控制204、205姿态稳定控制相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相应转动，从动齿轮姿态稳定控制206、207、208、209姿态稳定控制和俯仰板姿态稳定控制210、211姿态稳定控制也相对蜗轮蜗杆箱姿态稳定控制212姿态稳定控制绕蜗轮轴姿态稳定控制203姿态稳定控制相应转动，实现挂弹装置俯仰角改变。
弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制包括固定环扣姿态稳定控制31姿态稳定控制和锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制等。固定环扣姿态稳定控制31姿态稳定控制和锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制之间距离可调，固定环扣姿态稳定控制31姿态稳定控制内衬橡胶垫圈；锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制则包括上下两个半环，以适应不同规格尺寸的载荷。
本发明装置的弹体姿态调整控制如图4-6所示，姿态稳定控制单元包括两台伺服电机，惯性导航单元传感器和伺服电机控制器，两台伺服电机分别安装在方位角调整机构姿态稳定控制1姿态稳定控制、俯仰角调整机构姿态稳定控制2姿态稳定控制上，惯性导航单元传感器安装在弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制上，伺服电机控制器位于伺服电机上；
两台伺服电机分别在俯仰、偏航两个自由度上驱动相应的执行机构，伺服电机集成有编码器，可通过编码器反馈电机转速，实现伺服电机的速度环控制；
惯性导航单元传感器安装在弹体吊挂机构姿态稳定控制3姿态稳定控制的锁紧环扣姿态稳定控制32姿态稳定控制上，用于采集弹体的俯仰、偏航角度信息，结合指挥所获取的弹体目标姿态，可获取弹体姿态偏差，姿态偏差用于实现伺服电机的位置环控制。
伺服电机控制器主要完成数据处理与动态控制功能，是姿态稳定控制单元的核心部件，伺服电机控制器能够处理惯性导航单元传感器与编码器数据，并与上位机通信，获取弹体目标姿态，将姿态偏差与伺服电机转速偏差作为误差信号，通过PID控制方式，输出伺服电机控制指令，该控制指令经功率放大器放大后，用于驱动伺服电机运转，结合弹体吊挂装置的实际机械结构，实现对弹体的俯仰、偏航控制。
本发明提供的一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，其具体工作过程如下：
试验前，设定挂弹对地目标姿态，飞艇挂弹升空到达指定位置后，启动本发明的装置，通过伺服电机驱动机械结构在方位和俯仰两个方向上将挂弹姿态调整至目标对地姿态并保持。
试验过程中，考虑到飞艇可能由于气流扰而发生位置变化，导致挂弹对地姿态也发生改变，在相应位置布设的传感器实时监测挂弹姿态，在其姿态发生变化时控制系统及时发出修正指令，驱动机械结构运动，调整挂弹姿态，使弹对地姿态始终保持稳定。
Claims (5)
1.一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，其特征在于，包括方位角调整机构(1)、俯仰角调整机构(2)、弹体吊挂机构(3)、和姿态稳定控制单元；俯仰角调整机构(2)位于方位角调整机构(1)的下端，俯仰调整机构(2)下端连接弹体吊挂机构(3)；
所述方位角调整机构(1)包括主轴(11)、蜗杆(12)、蜗轮(13)和旋转筒(14)，主轴(11)与飞艇(5)相对固定；蜗轮(13)与旋转筒(14)相对固定并能够绕主轴旋转；旋转筒(14)与蜗轮蜗杆箱(212)相对固定；当电机带动蜗杆(12)转动时，蜗轮(13)、旋转筒(14)、蜗轮蜗杆箱(212)绕主轴(11)相应转动，实现挂弹装置方位角的改变；
所述俯仰角调整机构(2)包括蜗杆(201)、蜗轮(202)、蜗轮轴(203)、主动齿轮(204、205)、从动齿轮(206、207、208、209)、俯仰板(210、211)和蜗轮蜗杆箱(212)；蜗轮(202)与蜗轮轴(203)相对固定；
所述主动齿轮(204、205)分别安装于蜗轮轴(203)的两端，与蜗轮轴(203)相对固定；蜗轮(202)、蜗轮轴(203)和主动齿轮(204、205)可以相对蜗轮蜗杆箱(212)绕蜗轮轴(203)轴线转动；
所述从动齿轮(206、207)位于主动齿轮(204)的两侧并与主动齿轮(204)相互啮合；从动齿轮(206、207)与俯仰板(210)相对固定；
所述从动齿轮(208、209)位于主动齿轮(205)的两侧并与主动齿轮(205)相互啮合；从动齿轮(208、209)与俯仰板(211)相对固定；
所述从动齿轮(206、207、208、209)和俯仰板(210、211)可以相对蜗轮蜗杆箱(212)绕蜗轮轴(203)轴线转动，当伺服电机带动蜗杆(201)旋转时，蜗轮(202)、蜗轮轴(203)和主动齿轮(204、205)相对蜗轮蜗杆箱(212)绕蜗轮轴(203)相应转动，从动齿轮(206、207、208、209)和俯仰板(210、211)也相对蜗轮蜗杆箱(212)绕蜗轮轴(203)相应转动，实现挂弹装置俯仰角改变；
所述弹体吊挂机构(3)用于实现多种型号弹体的挂载；
所述姿态稳定控制单元包括两台伺服电机，惯性导航单元传感器和伺服电机控制器，两台伺服电机分别安装在方位角调整机构(1)、俯仰角调整机构(2)上，惯性导航单元传感器安装在弹体吊挂机构(3)上，伺服电机控制器位于伺服电机上；
两台伺服电机分别在俯仰、偏航两个自由度上驱动相应的执行机构，伺服电机集成有编码器，可通过编码器反馈电机转速，实现伺服电机的速度环控制；
惯性导航单元传感器用于采集弹体的俯仰、偏航角度信息，结合指挥所获取的弹体目标姿态，可获取弹体姿态偏差，姿态偏差用于实现伺服电机的位置环控制；
伺服电机控制器主要完成数据处理与动态控制功能，是姿态控制核心部件，伺服电机控制器能够处理惯性导航单元传感器与编码器数据，并与上位机通信，获取弹体目标姿态，将姿态偏差与伺服电机转速偏差作为误差信号，通过PID控制方式，输出伺服电机控制指令，该控制指令经功率放大器放大后，用于驱动伺服电机运转，结合弹体吊挂装置的实际机械结构，实现对弹体的俯仰、偏航控制。
2.根据权利要求1所述的一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，其特征在于，所述的弹体吊挂机构(3)包括固定环扣(31)和锁紧环扣(32)，且固定环扣(31)和锁紧环扣(32)之间距离可调，实现不同长度弹体的固定和定位。
3.根据权利要求2所述的一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，其特征在于，在所述固定环扣(31)内衬橡胶垫圈，在提高紧固弹体头部同时，起到电隔离作用。
4.根据权利要求3所述的一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，其特征在于，所述锁紧环扣(32)包括上下两个半环，以适应不同规格尺寸的载荷。
5.根据权利要求2所述的一种中低空飞艇挂弹姿态稳定装置，其特征在于，所述的惯性导航单元传感器安装在弹体吊挂机构(3)的锁紧环扣(32)上。
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