CN113504736B - 大挠性飞行器减载控制实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大挠性飞行器减载控制实验系统及方法，使用悬臂梁模拟大挠性飞行器结构。光纤布拉格光栅传感器安装于所述悬臂梁，实时获取所述大挠性飞行器结构应力与形变状态，解耦姿态和弹性变形信息。通过光纤光栅解调仪将实时形变信号传输给测量和自动化平台。高速相机拍摄所述悬臂梁形变画面，图像经过处理可以得到所述悬臂梁的精确形状，作为解算算法的参考，用于验证解算的准确性。利用减载控制算法对所述大挠性飞行器结构进行减载控制仿真，验证基于形变的减载控制方法的减载效果与鲁棒性，为新一代大挠性飞行器结构设计奠定技术基础。

Description

大挠性飞行器减载控制实验系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种大挠性飞行器减载控制实验系统及方法。

背景技术

新一代的大挠性飞行器飞行过程中刚体运动与弹性变形耦合明显，姿态传感器接收到的姿态信息受弹性变形影响不精确。大挠性飞行器飞行轨迹和姿态稳定性会受到消极影响。在高空风区域飞行时，大挠性飞行器承受的风载达到峰值。大挠性飞行器横向过载大、飞行控制难度高，容易产生折断、轨迹偏差过大或姿态发散等问题。因此新一代的大挠性飞行器设计必须对大挠性飞行器进行减载控制。

传统技术中，大挠性飞行器减载控制主要有两种方式。一是利用发射前测量的高空风场数据，选定和装订相应标准弹道的发射诸元。该方法的减载效果依赖于高空风测量和预测的准确性，难以应对突变风等不确定状况。二是利用专用于减载的加表估计气动角并将之引入飞行控制系统，调整大挠性飞行器姿态以降低高动压区的气动载荷。该方法减载效果依赖于气动角估计精度，难以满足新一代的大挠性飞行器的高精度飞行控制需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种可以实现飞行器的减载控制，并进行技术验证的大挠性飞行器减载控制实验系统及方法。

一种大挠性飞行器减载控制实验系统，包括：悬臂梁，模拟大挠性飞行器结构；高速相机，靠近所述悬臂梁，用于拍摄所述悬臂梁形变画面；多个光纤布拉格光栅传感器，安装于所述悬臂梁，所述多个光纤布拉格光栅传感器串联；光纤光栅解调仪，与所述光纤布拉格光栅传感器连接；测量和自动化平台，与所述光纤光栅解调仪连接，用于集成控制与数据处理。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括惯性传感器。所述惯性传感器安装于所述悬臂梁，与所述测量和自动化平台连接。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括线性电机。所述悬臂梁安装于所述线性电机。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括伺服驱动器。所述伺服驱动器与所述线性电机和所述测量和自动化平台连接。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括功率放大器。所述功率放大器与所述测量和自动化平台连接。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括模态激振器。所述模态激振器安装于所述线性电机，与所述悬臂梁和所述功率放大器连接。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括测温装置。所述测温装置安装于所述悬臂梁，用于探测红外信号强度并转换为温度数据。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括温控装置。所述温控装置安装于所述悬臂梁，用于对所述悬臂梁加热或制冷。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统还包括计算机。所述计算机与所述测量和自动化平台、所述测温装置、所述温控装置和所述高速相机连接，用于完成形变解算和减载控制。

一种大挠性飞行器减载控制实验方法，包括：计算机输出运动指令传输给测量和自动化平台；所述测量和自动化平台将所述运动指令分解成相应的控制指令并传输给功率放大器和伺服驱动器；所述功率放大器和所述伺服驱动器分别驱动模态激振器和线性电机，控制悬臂梁做水平运动并振动；所述计算机将温度设置指令传输给温控装置，所述温控装置依据所述温度设置指令对所述悬臂梁加热或制冷来保持温度稳定；光纤布拉格光栅传感器和惯性传感器将形变数据上传到所述测量和自动化平台，高速相机将形变画面上传给所述计算机；所述计算机进行形变解算，进而通过减载控制算法产生新的运动指令。

本申请提供的所述大挠性飞行器减载控制实验系统及方法，使用悬臂梁模拟大挠性飞行器结构。光纤布拉格光栅传感器安装于所述悬臂梁，通过光纤光栅解调仪将实时形变信号传输给测量和自动化平台。高速相机拍摄所述悬臂梁形变画面。所述形变画面经过处理可以得到所述悬臂梁的精确形状，作为解算算法的参考，用于验证解算的准确性。本申请仿真大挠性飞行器上升过程中经历的载荷，结合姿态、形变等信息，利用减载控制算法对大挠性飞行器进行减载控制仿真，验证减载控制算法的控制效果。

附图说明

图1是一实施例中大挠性飞行器减载控制实验系统的结构图。

图2是一实施例中光纤布拉格光栅传感器网络的等效示意图。

图3是一实施例中具有光开关的光纤布拉格光栅传感器网络的等效示意图。

图4另一实施例中大挠性飞行器减载控制实验系统的设备接口示意图。

图5是一实施例中大挠性飞行器减载控制实验系统的软件架构示意图。

附图标号说明：

大挠性飞行器减载控制实验系统10、光纤布拉格光栅传感器网络20、悬臂梁100、光纤布拉格光栅传感器101、惯性传感器102、测温装置103、温控装置104、线性电机110、伺服驱动器120、模态激振器130、功率放大器140、光电光栅解调仪150、高速相机160、测量和自动化平台170、计算机180、多芯光纤传感器210、传输光纤220、耦合器230、解调仪240、光开关250。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

大挠性飞行器为结构应变大的飞行器。所述结构应变大为大于2000微应变。结构应变小为小于2000微应变。

请参见图1，本申请提供一种大挠性飞行器减载控制实验系统10。所述大挠性飞行器减载控制实验系统10包括悬臂梁100、高速相机160、多个光纤布拉格光栅传感器101、光纤光栅解调仪150和测量和自动化平台。所述悬臂梁100用于模拟飞行器结构。所述高速相机160靠近所述悬臂梁100，用于拍摄所述悬臂梁100形变画面。所述多个光纤布拉格光栅传感器101安装于所述悬臂梁100。所述多个光纤布拉格光栅传感器101串联。所述光纤光栅解调仪150与所述光纤布拉格光栅传感器101连接。所述测量和自动化平台170与所述光纤光栅解调仪150连接，用于集成控制与数据处理。

大挠性飞行器中的主要承力结构是蒙皮加筋柱壳结构。因此根据所述蒙皮加筋柱壳结构的几何特征，可以将所述大挠性飞行器等效为环形截面的梁模型。本申请实施例提供的所述大挠性飞行器减载控制实验系统10中将所述大挠性飞行器简化为所述悬臂梁100模型。所述悬臂梁100模拟飞行器细长体结构。所述大挠性飞行器减载控制实验系统10可以考察所述悬臂梁100弯曲方向的振动特征。所述大挠性飞行器减载控制实验系统10也可以考察所述悬臂梁100的时变特征和非均匀结构特征。

本实施中所述高速相机160用于实时拍摄悬臂梁形变画面。所述形变画面经过图像处理可得到准确的模型弯曲变形状态，作为基于应变计算飞行器整体形变的参考基准。所述高速相机160可以满足帧率大于或等于1000，连续拍摄时间大于或等于40s，分辨率大于或等于1024×720的需求。在一个实施例中，所述高速相机160可以选择Acuteye1M3高速相机。所述Acuteye1M3高速相机采集的图像可高速转存，连续拍摄时间满足需求，价格相对最低。

本实施例中所述多个光纤布拉格光栅传感器101安装于所述悬臂梁100表面。所述多个光纤布拉格光栅传感器101串联，并与所述光纤光栅解调仪150连接。所述多个光纤布拉格光栅传感器101将应变信号实时传输至所述测量和自动化平台170。所述测量和自动化平台170将所述大挠性飞行器减载控制实验系统10的软硬件集成到同一平台上，便于实验开展及拓展。在一个实施例中，所述测量和自动化平台170可以为PXI(PCI extensions forInstrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)虚拟仪器系统。所述PXI由机箱、控制器和信号发生器模块组成。所述PXI可以将所有控制与数据处理集成到同一平台上，并利用LabView软件开发测试、控制与处理软件。

所述大挠性飞行器减载控制实验系统10使用所述悬臂梁100模拟大挠性飞行器结构。所述光纤布拉格光栅传感器101安装于所述悬臂梁100表面，通过所述光纤布光栅解调仪150将实时形变信号传输给所述测量和自动化平台170。所述高速相机160可以拍摄所述悬臂梁100的形变画面。所述形变画面经过处理可以得到所述悬臂梁100的精确形状图像。所述精确形状图像可以作为解算算法的参考，用于验证解算的准确性。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括惯性传感器(IMU)102。所述惯性传感器102安装于所述悬臂梁100。所述惯性传感器102与所述测量和自动化平台170连接。所述惯性传感器102可以测量所述悬臂梁100的姿态位置信息。所述惯性传感器102可以将所述姿态位置信息传输至所述测量和自动化平台170。在一个实施例中，所述惯性传感器102可以由多轴方式组合精密陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器。所述惯性传感器102可以在极为复杂的应用和动态环境下检测并获取多个自由度信息。可以理解，所述惯性传感器102的数量可以为多套。在一个实施例中，所述惯性传感器102的数量为四套。三套所述惯性传感器102分别安装于所述悬臂梁100的上部、中部和下部。一套所述惯性传感器102备用。可以理解，所述惯性传感器102的质量越小越好。当所述惯性传感器102的质量越小，所述悬臂梁100模拟飞行器细长体结构效果越好。所述悬臂梁100模拟飞行器细长体结构效果越好，所述惯性传感器102检测出的所述姿态位置信息越精准。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括线性电机110。所述悬臂梁100安装于所述线性电机110。所述线性电机110是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置。所述线性电机110为所述悬臂梁100提供支撑平台。所述线性电机110可以使用220V电源供电。所述线性电机110可以通过BNC接口接收外部输入。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括伺服驱动器120。所述伺服驱动器120与所述线性电机110和所述测量和自动化平台170连接。所述伺服驱动器120为所述线性电机110提供控制信号。所述线性电机110在所述伺服驱动器120控制下做水平运动，以模拟所述大挠性飞行器受到的横法向位移运动。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括功率放大器140。所述功率放大器140与所述测量和自动化平台170连接。所述功率放大器140从所述测量和自动化平台170接收外部电压输入控制激振的频率与幅度。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括模态激振器130。所述模态激振器130安装于所述线性电机110。所述模态激振器130与所述悬臂梁100和所述功率放大器140连接。所述模态激振器130为所述悬臂梁100提供激振力，以激励所述悬臂梁100振动。所述模态激振器130受所述功率放大器140控制产生激励以提供激振力。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括测温装置103。所述测温装置103安装于所述悬臂梁100。所述测温装置103用于探测红外信号强度并转换为温度数据。所述测温装置103包括红外测温模块和USB转IIC接口。所述测温装置103安装于悬臂梁下方用于探测红外信号强度并将所述红外信号强度转换为温度数据。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括温控装置104。所述温控装置104安装于所述悬臂梁100。所述温控装置104用于对所述悬臂梁100加热或制冷。所述温控装置104包括红外编解码器、温控模块和USB转串口。

在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10还包括计算机180。所述计算机180与所述测量和自动化平台170、所述测温装置103、所述温控装置104和所述高速相机160连接。所述计算机180用于完成形变解算和减载控制。所述光纤布拉格光栅传感器101和所述惯性传感器102将形变数据上传到所述测量和自动化平台170。所述测量和自动化平台170将所述形变数据传输给所述计算机180。所述高速相机160将形变画面上传给所述计算机180。所述计算机180对所述形变数据和所述形变画面进行形变解算，进而通过减载控制算法产生新的运动指令。所述测温装置103通过所述USB转IIC接口将所述温度数据传输至计算机显示计算机180。所述计算机180通过所述温控装置104的USB转串口控制所述红外编解码器来控制所述温控模块制热或者制冷。

本申请还提供了一种大挠性飞行器减载控制实验方法。所述计算机180输出运动指令传输给所述测量和自动化平台170。所述测量和自动化平台170将所述运动指令分解成相应的控制指令并传输给所述功率放大器140和所述伺服驱动器120。所述功率放大器140和所述伺服驱动器120分别驱动所述模态激振器130和所述线性电机110，控制所述悬臂梁100做水平运动并振动。所述计算机180将设置温度设置的指令传输给所述温控装置104，通过所述温控装置104依据所述温度设置指令对所述悬臂梁100加热或制冷来保持温度稳定。所述光纤布拉格光栅传感器101和所述惯性传感器102将形变数据上传到所述测量和自动化平台170。所述高速相机160将形变画面上传给所述计算机180。所述计算机180进行形变解算，进而通过减载控制算法产生新的运动指令。

本实施例提供的所述大挠性飞行器减载控制实验方法可以验证由所述大挠性飞行器结构应变数据计算结构整体形变的感知算法的准确性和实时性。所述大挠性飞行器减载控制实验方法还可以验证基于形变的减载控制方法的减载效果与鲁棒性。

传统技术中，光纤布拉格光栅传感器网络20的常用连接形式可以等效为图2所示结构。所述光纤布拉格光栅传感器网络20主要包含多芯光纤传感器210和所述多芯光纤传感器210之间的传输光纤220。这种所述光纤布拉格光栅传感器网络20的不足之处在于：后面的所述多芯光纤传感器210的信号需要通过其前面所述多芯光纤传感器210进行传输。如果某个所述多芯光纤传感器210或某段所述传输光纤220失效，则其后的所有所述多芯光纤传感器210的信号将无法通过耦合器230传输至解调仪240，造成网络的局部瘫痪。

参见图3，在一个实施例中，所述大挠性飞行器减载控制实验系统10可以利用光开关250提高所述光纤布拉格光栅传感器网络20的可靠性。所述光纤布拉格光栅传感器网络20利用所述多芯光纤传感器210实现应变、完全、扭转等力学参量的测量，从而完成所述悬臂梁100在运动过程中收到的弯曲、扭转的测量。所述光开关250是一种可以对集成光路中的光信号或光传输线路进行逻辑操作或相互转换的器件，具有一个或多个可选的传输端口。本实施例中如果某个所述多芯光纤传感器210或某段所述传输光纤220发生故障，可以通过动态切换所述光开关250改变光传输路径。所述光纤布拉格光栅传感器网络20可以采用分时采集方法为所述光纤布拉格光栅传感器网络20中全部或部分未发生故障的所述多芯光纤传感器210提供新的信号传输路径。所述分时采集方法可以减少所述光纤布拉格光栅传感器网络20中由于发生故障而受影响的所述多芯光纤传感器210数量。所述光开关250在不更换所述光纤布拉格光栅传感器网络20的前提下提高了所述光纤布拉格光栅传感器网络20的可靠性，实现所述光纤布拉格光栅传感器网络20的自修复。

参见图4，在一个实施例中，所述计算机180、所述测量和自动化平台170、所述光电光栅解调仪150、所述线性电机110和所述模态激振器130可以由220V电源供电，其余设备由配套的电源适配器转化到工作电压进行供电。所述测温装置103实时测量所述悬臂梁100的温度数据通过USB转IIC接口传回所述计算机180显示。所述计算机180下达指令，可以通过USB转串口控制所述温控装置104制热或者制冷。所述高速相机160可以通过Ethernet网口或USB与所述计算机180连接，传输所述悬臂梁100的实时形变画面。所述光电光栅解调仪150可以通过Ethernet网口将所述光纤布拉格光栅传感器101数据解析处理后传回所述测量和自动化平台170。所述惯性传感器102可以通过USB-SPI接口与所述测量和自动化平台170连接，传输姿态位置信息。所述伺服驱动器120和所述功率放大器140可以通过BNC接口与所述测量和自动化平台170连接。所述测量和自动化平台170可以通过USB与所述计算机180连接，将测量数据传输给所述计算机180。所述计算机180根据解调得到的数据发送运动指令给所述测量和自动化平台170。所述测量和自动化平台170将所述运动指令分解成相应的控制指令来控制所述伺服驱动器120和所述功率放大器140。

参见图5，在一个实施例中，上位机软件可以使用Python+PyQt5语言在Pycharm集成开发环境中设计，界面友好稳定，不易闪退，网上教程资源广泛，开发难度比较小，开发周期短。所述上位机软件的组成架构中，所述光纤布拉格光栅传感器101数据，所述惯性传感器102角度数据以及所述测温装置103数据为输入接口数据。所述输入接口数据经过所述上位机软件处理后，在所述计算机180界面展示给操作人员。操作人员也可以通过所述上位机软件下发指令。所述输入接口数据或界面按钮指令数据经处理后，所述计算机180输出合理准确的指令发送至所述温控装置104和所述测量和自动化平台170，从而给所述悬臂梁100升温降温或振动所述悬臂梁100。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，包括：

悬臂梁(100)，用于模拟大挠性飞行器结构；

高速相机(160)，靠近所述悬臂梁(100)，用于拍摄所述悬臂梁(100)形变画面，所述形变画面经过图像处理后用来表征所述悬臂梁(100)的弯曲变形状态；

多个光纤布拉格光栅传感器(101)，安装于所述悬臂梁(100)，所述多个光纤布拉格光栅传感器(101)串联；

光纤光栅解调仪(150)，与所述光纤布拉格光栅传感器(101)连接；

测量和自动化平台(170)，与所述光纤光栅解调仪(150)连接，用于集成控制与数据处理。

2.如权利要求1所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括惯性传感器(102)，安装于所述悬臂梁(100)，与所述测量和自动化平台(170)连接。

3.如权利要求2所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括线性电机(110)，所述悬臂梁(100)安装于所述线性电机(110)。

4.如权利要求3所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括伺服驱动器(120)，与所述线性电机(110)和所述测量和自动化平台(170)连接。

5.如权利要求4所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括功率放大器(140)，与所述测量和自动化平台(170)连接。

6.如权利要求5所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括模态激振器(130)，安装于所述线性电机(110)，与所述悬臂梁(100)和所述功率放大器(140)连接。

7.如权利要求6所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括测温装置(103)，安装于所述悬臂梁(100)，用于探测红外信号强度并转换为温度数据。

8.如权利要求7所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括温控装置(104)，安装于所述悬臂梁(100)，用于对所述悬臂梁(100)加热或制冷。

9.如权利要求8所述的大挠性飞行器减载控制实验系统，其特征在于，还包括计算机(180)，与所述测量和自动化平台(170)、所述测温装置(103)、所述温控装置(104)和所述高速相机(160)连接，用于完成形变解算和减载控制。

10.一种大挠性飞行器减载控制实验方法，其特征在于，包括：

计算机(180)输出运动指令传输给测量和自动化平台(170)；

所述测量和自动化平台(170)将所述运动指令分解成相应的控制指令并传输给功率放大器(140)和伺服驱动器(120)；

所述功率放大器(140)和所述伺服驱动器(120)分别驱动模态激振器(130)和线性电机(110)，控制悬臂梁(100)做水平运动并振动；

所述计算机(180)将温度设置指令传输给温控装置(104)，所述温控装置(104)依据所述温度设置指令对所述悬臂梁(100)加热或制冷来保持温度稳定；

光纤布拉格光栅传感器(101)和惯性传感器(102)将形变数据上传到所述测量和自动化平台(170)，高速相机(160)将形变画面上传给所述计算机(180)；

所述计算机(180)进行形变解算，进而通过减载控制算法产生新的运动指令。

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