CN114509230A - 一种六自由度风洞试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度风洞试验平台，涉及风洞试验技术领域，包括基底平台；四条齿轮带位于基底平台的四个方位且成正方形排列，齿轮带上连接着两个与齿轮带垂直的滑轨，两个滑轨交叉处通过凹槽啮合连接着姿态角平台。姿态角平台上连接一根垂直于姿态角平台的液压杆，液压杆的端部连接着一根可以做无级调节的第一旋转杆，第一旋转杆的端部连接着一根可以进行无级调节的第二旋转杆，第二旋转杆的端部连接着一根固定杆，固定杆的端部可以用于连接着试验目标的尾部使其穿过试验目标的机体的重心轴线。本发明提供一种姿态角运动和位移运动分开布局的六自由度风洞试验平台，以满足试验目标在六自由度下的运动需求。

Description

一种六自由度风洞试验平台

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，特别是涉及一种六自由度风洞试验平台。

背景技术

风洞试验平台是一种管道状实验设备。风洞试验平台，利用人工方式产生并控制气流，用于模拟飞行器或其他实体周围气体的流动情况，并可度量气流对实体的作用效果以及观察物理现象，它是进行空气动力试验最常用、最有效的工具之一。目前的风洞试验平台多为两自由度或三自由度，两自由度的风洞试验平台仅能考虑不同俯仰角下试验目标的气动特性，三自由度的风洞试验平台仅能模拟试验目标在不同姿态角下的气动性能，即现有的风洞试验平台并不能做到X，Y，Z方向的移动。但是在飞行器实际飞行过程中，其沿轨迹运动的运动学与动力学特性都需要风洞试验平台做到X，Y，Z方向的位移以及姿态角的调整。因此，现在需要提供一种六自由度风洞试验平台，以满足试验目标六自由度下的运动需求

目前六自由度并联机构主要有两种，一种为如图1所示的Stewart平台，其通过六个相同的支链与下平台(固定平台)连接而成，每个支链含有一个连接下平台的球铰、一个移动副和另一个连接上平台的球铰组成，并以六个连杆的长度作为输入；另一种为如图2所示的Linapod机构，其将Stewart平台的六根连杆长度固定，把固定平台的铰支变成可移动的滑块，则该机构的活动平台的空间位置及姿态由六个滑块的位置决定。但是上述六自由度并联机构均存在如下技术缺点：

第一，由于试验目标需放置在平台上，对于旋翼类飞行器来说，由于旋翼会产生向下的气体载荷，气体载荷会施加在平台表面之上，从而返回给旋翼以造成气动干扰。

第二，Stewart平台或者Linapod机构的平台均在某一个方向上的运动范围较窄，在实际的应用上价值较低。

第三，Stewart平台或者Linapod机构的平台在六个自由度上的运动均为耦合，不能由一根杆完成单独的控制，每一个方向的运动都需要解算六根杆的伸缩量，此外Stewart平台的杆件设计复杂且有驱动热源，可能会导致杆件发生热变形。

发明内容

为了解决上述六自由度并联机构主要存在的技术缺点，本发明提供一种姿态角运动和位移运动分开布局的六自由度风洞试验平台，以满足试验目标在六自由度下的运动需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种六自由度风洞试验平台，包括：基底平台以及设置在所述基底平台上的四条齿轮带、第一滑轨、与所述第一滑轨垂直的第二滑轨、姿态角平台、液压杆、第一旋转杆、第二旋转杆和固定杆；其中，四条所述齿轮带分别为第一齿轮带、第二齿轮带、第三齿轮带和第四齿轮带，且所述第一齿轮带、所述第二齿轮带、所述第三齿轮带和所述第四齿轮带围成的平面区域为正方形区域；

所述第一滑轨的一端与所述第一齿轮带连接，所述第一滑轨的另一端与所述第三齿轮带连接；所述第二滑轨的一端与所述第二齿轮带连接，所述第二滑轨的另一端与所述第四齿轮带连接；

所述第一滑轨和所述第二滑轨的交叉处通过凹槽啮合连接着所述姿态角平台，所述姿态角平台上连接一根垂直于所述正方形区域的所述液压杆，所述液压杆的端部连接着一根用于无级调节的所述第一旋转杆，所述第一旋转杆的端部连接着一根用于无级调节的第二旋转杆，所述第二旋转杆的端部连接着一根所述固定杆，所述固定杆的端部用于连接试验目标的尾部，以使所述固定杆穿过所述试验目标的重心轴线。

可选地，所述第一齿轮带至少包括第一转轴对，所述第二齿轮带至少包括第二转轴对，所述第三齿轮带至少包括第三转轴对，所述第四齿轮带至少包括第四转轴对。

可选地，X轴方向位移的产生过程为：

通过所述第一转轴对和所述第三转轴对同速旋转以带动所述第一齿轮带和所述第三齿轮带传动，从而使所述第一滑轨产生X轴方向的位移，同时所述第一滑轨带动所述姿态角平台产生沿X轴方向的同步位移；所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生X轴方向的位移；

Y轴方向位移的产生过程为：

通过所述第二转轴对和所述第四转轴对同速旋转以带动所述第二齿轮带和所述第四齿轮带传动，从而使所述第二滑轨产生Y轴方向的位移，同时所述第二滑轨带动所述姿态角平台产生沿Y轴方向的同步位移；所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生Y轴方向的位移。

可选地，Z轴方向位移的产生过程为：

通过所述液压杆的伸缩带动所述姿态角平台产生沿Z轴方向的位移，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生Z轴方向的位移。

可选地，给定偏航角的旋转完成过程为：

通过所述液压杆的旋转带动所述姿态角平台产生绕Z轴的旋转，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生偏航角的旋转。

可选地，给定俯仰角的旋转完成过程为：

通过所述第一旋转杆的旋转带动所述姿态角平台产生绕Y轴的旋转，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生俯仰角的旋转。

可选地，给定滚转角的旋转完成过程为：

通过所述第二旋转杆的旋转带动所述姿态角平台产生绕X轴的旋转，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生滚转角的旋转。

可选地，根据公式D_dz＝D_z+(L₁₄+L₁₅)sinθ计算所述试验目标在Z轴上产生的位移D_dz；其中，L₁₄为所述第二旋转杆的长度，L₁₅为所述固定杆的长度，θ为俯仰角，D_z为所述液压杆产生的实际位移。

可选地，根据公式

计算所述试验目标在X轴上产生的位移D_dx；其中，L₁₃为所述第一旋转杆的长度，L₁₄为所述第二旋转杆的长度，L₁₅为所述固定杆的长度，L＝L₁₄+L₁₅，

D_x为所述第一滑轨产生的实际位移，

为偏航角。

可选地，根据公式

计算所述试验目标在Y轴上产生的位移D_dy；其中，L₁₃为所述第一旋转杆的长度，L₁₄为所述第二旋转杆的长度，L₁₅为所述固定杆的长度，L＝L₁₄+L₁₅，

D_y为所述第二滑轨产生的实际位移，

为偏航角。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明采用位移运动部分和姿态角运动部分分开的布局方式，可以做到四个自由度的单独控制且保持了较低的气动干扰设计，相比传统的六自由度并联机构，在实现试验目标的六自由度运动的同时，做到了大部分自由度下的解耦控制。

2、固定杆和试验目标的机身的重心轴线重合，来流经过姿态角平台后端才会产生一定的气动干扰，而姿态角平台离试验目标有第二旋转杆和固定杆长度总和的距离，相较于传统的六自由度并联机构，本发明产生的气动干扰较小，尤其针对旋翼飞行器的下洗流有较好的优化效果。

3、第一齿轮带、第二齿轮带、第三齿轮带、第四齿轮带的长度可以根据基底平台的大小进行设计，相较于传统的六自由度并联机构的六自由度方向位移裕度较小的问题可以最大限度的产生X，Y，Z方向的位移和俯仰、滚转、偏航的角度的偏转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有Stewart平台的示意图；

图2为现有Linapod机构的示意图；

图3为本发明实施例提供的六自由度风洞试验平台的等轴侧视图

图4为本发明实施例提供的六自由度风洞试验平台的三视图；图4(a)为六自由度风洞试验平台的俯视图；图4(b)为六自由度风洞试验平台的主视图；图4(c)为六自由度风洞试验平台的侧视图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例为了解决现有六自由度并联机构的主要问题，提出一种用于飞控训练的六自由度风洞试验平台，主要由姿态角运动部分和位移运动部分组成。

下面通过图3和图4详细介绍下本发明实施例提供的六自由度风洞试验平台。

如图3和4所示，本发明实施例提供的六自由度风洞试验平台包括：基底平台以及设置在所述基底平台上的四条齿轮带、第一滑轨9、与所述第一滑轨9垂直的第二滑轨10、姿态角平台11、液压杆12、第一旋转杆13、第二旋转杆14和固定杆15。

四条所述齿轮带分别为第一齿轮带5、第二齿轮带6、第三齿轮带7和第四齿轮带8，且所述第一齿轮带5、所述第二齿轮带6、所述第三齿轮带7和所述第四齿轮带8围成的平面区域为正方形区域。具体来说：所述第一齿轮带5与所述第二齿轮带6的关系为垂直关系，所述第一齿轮带5与所述第三齿轮带7的关系为平行关系；所述第一齿轮带5与所述第四齿轮带8的关系为垂直关系。所述第一齿轮带5、所述第二齿轮带6、所述第三齿轮带7和所述第四齿轮带8的结构均相同，均包括转轴对以及设置在转轴之间的传动带。其中，所述第一齿轮带5包括第一转轴对1，所述第二齿轮带6包括第二转轴对2，所述第三齿轮带7包括第三转轴对3和所述第四齿轮带8包括第四转轴对4。

所述第一滑轨9的一端与所述第一齿轮带5连接，所述第一滑轨9的另一端与所述第三齿轮带7连接；所述第二滑轨10的一端与所述第二齿轮带6连接，所述第二滑轨10的另一端与所述第四齿轮带8连接；具体来说，所述第一滑轨9与所述第一齿轮带5的关系为垂直关系，所述第二滑轨10与所述第二齿轮带6的关系为垂直关系。

所述第一滑轨9和所述第二滑轨10的交叉处通过凹槽啮合连接着所述姿态角平台11，所述姿态角平台11的平面与四个所述齿轮带围成的平面的关系为平行关系。所述姿态角平台11上连接一根垂直于所述正方形区域的所述液压杆12，所述液压杆12的端部连接着一根用于无级调节的所述第一旋转杆13，所述第一旋转杆13的端部连接着一根用于无级调节的第二旋转杆14，所述第二旋转杆14的端部连接着一根所述固定杆15，所述固定杆15的端部用于连接试验目标的尾部，以使所述固定杆15穿过所述试验目标的重心轴线。优选地，所述试验目标为飞行器。

本发明实施例提供的试验平台中的各部件的活动相互分离，且能产生给定的X、Y、Z位以及俯仰角、滚转角、偏航角的旋转。

X轴方向位移的产生过程为：通过所述第一转轴对1和所述第三转轴对3同速旋转以带动所述第一齿轮带5和所述第三齿轮带7传动，从而使所述第一滑轨9产生X轴方向的位移，同时所述第一滑轨9带动所述姿态角平台11产生沿X轴方向的同步位移；由于所述固定杆15与所述试验目标连接，故所述姿态角平台11通过所述固定杆15使所述试验目标产生X轴方向的位移。

Y轴方向位移的产生过程为：通过所述第二转轴对2和所述第四转轴对4同速旋转以带动所述第二齿轮带6和所述第四齿轮带8传动，从而使所述第二滑轨10产生Y轴方向的位移，同时所述第二滑轨10带动所述姿态角平台11产生沿Y轴方向的同步位移；由于所述固定杆15与所述试验目标连接，故所述姿态角平台11通过所述固定杆15使所述试验目标产生Y轴方向的位移。

Z轴方向的位移：所述液压杆12的伸缩会产生Z轴方向的位移，故通过所述液压杆12的伸缩带动所述姿态角平台11产生沿Z轴方向的同步位移；又由于所述固定杆15与所述试验目标连接，故所述姿态角平台11通过所述固定杆15使所述试验目标产生Z轴方向的位移。

给定偏航角的旋转完成过程为：通过液压杆12的旋转带动整个姿态角平台11产生绕Z轴的旋转，又因为所述固定杆15与所述试验目标连接，故与此同时姿态角平台11可通过固定杆使所述试验目标产生偏航角的旋转。

给定俯仰角的旋转完成过程为：通过第一旋转杆13的旋转带动整个姿态角平台11产生绕Y轴的旋转，又因为所述固定杆15与所述试验目标连接，故与此同时姿态角平台11可通过固定杆使所述试验目标产生俯仰角的旋转。

给定滚转角的旋转完成过程为：通过第二旋转杆14的旋转带动整个姿态角平台11产生绕X轴的旋转，又因为所述固定杆15与所述试验目标连接，故与此同时姿态角平台11可通过固定杆使所述试验目标产生滚转角的旋转。

当计算所述试验目标在Z轴上产生的位移D_dz(desire z)时，应计算液压杆12产生的实际位移D_z和由于俯仰角θ作用对整个姿态角平台11产生的Z轴方向的位移数值，计算公式为D_dz＝D_z+(L₁₄+L₁₅)sinθ，其中，L₁₄为第二旋转杆14的长度，L₁₅为固定杆15的长度。

当计算所述试验目标在X轴上产生的位移D_dx(desirex)时，应计算第一滑轨9产生的实际位移D_x和由于偏航角

耦合作用对整个姿态角平台11产生的X轴方向的位移数值，计算公式为

其中，L₁₃为第一旋转杆13的长度，L₁₄为第二旋转杆14的长度，L₁₅为固定杆15的长度，L＝L₁₄+L₁₅，

当计算所述试验目标在Y轴上产生的位移D_dy(desirey)时，应计算第二滑轨10产生的实际位移D_y和由于偏航角

耦合作用对整个姿态角平台11产生的Y轴方向的位移数值，计算公式为

其中，L₁₃为第一旋转杆13的长度，L₁₄为第二旋转杆14的长度，L₁₅为固定杆15的长度，L＝L₁₄+L₁₅，

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用位移运动部分和姿态角运动部分分开的布局方式，可以做到四个自由度的单独控制且保持了较低的气动干扰设计，其中，只有Z方向的位移需要考虑俯仰角带来的额外Z方向位移，X，Y方向的位移需要考虑偏航角带来的额外X，Y方向位移。相比传统的六自由度并联机构，在实现试验目标的六自由度运动的同时，做到了大部分自由度下的解耦控制，仅存在偏航角和俯仰角需要解耦。

2、固定杆15和试验目标的机身的重心轴线重合，来流经过姿态角平台11后端才会产生一定的气动干扰，而姿态角平台11离试验目标有第二旋转杆14和固定杆15长度总和的距离，相较于传统的六自由度并联机构，本发明产生的气动干扰较小，尤其针对旋翼飞行器的下洗流有较好的优化效果。

3、第一齿轮带5、第二齿轮带6、第三齿轮带7、第四齿轮带8的长度可以根据基底平台的大小进行设计，相较于传统的六自由度并联机构的六自由度方向位移裕度较小的问题可以最大限度的产生X，Y，Z方向的位移和俯仰、滚转、偏航的角度的偏转。

4、可以测定飞行器的激动状态以及其按照预定运动轨迹的运动学与动力学特性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，包括：基底平台以及设置在所述基底平台上的四条齿轮带、第一滑轨、与所述第一滑轨垂直的第二滑轨、姿态角平台、液压杆、第一旋转杆、第二旋转杆和固定杆；其中，四条所述齿轮带分别为第一齿轮带、第二齿轮带、第三齿轮带和第四齿轮带，且所述第一齿轮带、所述第二齿轮带、所述第三齿轮带和所述第四齿轮带围成的平面区域为正方形区域；

所述第一滑轨的一端与所述第一齿轮带连接，所述第一滑轨的另一端与所述第三齿轮带连接；所述第二滑轨的一端与所述第二齿轮带连接，所述第二滑轨的另一端与所述第四齿轮带连接；

所述第一滑轨和所述第二滑轨的交叉处通过凹槽啮合连接着所述姿态角平台，所述姿态角平台上连接一根垂直于所述正方形区域的所述液压杆，所述液压杆的端部连接着一根用于无级调节的所述第一旋转杆，所述第一旋转杆的端部连接着一根用于无级调节的第二旋转杆，所述第二旋转杆的端部连接着一根所述固定杆，所述固定杆的端部用于连接试验目标的尾部，以使所述固定杆穿过所述试验目标的重心轴线。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，所述第一齿轮带至少包括第一转轴对，所述第二齿轮带至少包括第二转轴对，所述第三齿轮带至少包括第三转轴对，所述第四齿轮带至少包括第四转轴对。

3.根据权利要求2所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，X轴方向位移的产生过程为：

通过所述第一转轴对和所述第三转轴对同速旋转以带动所述第一齿轮带和所述第三齿轮带传动，从而使所述第一滑轨产生X轴方向的位移，同时所述第一滑轨带动所述姿态角平台产生沿X轴方向的同步位移；所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生X轴方向的位移；

Y轴方向位移的产生过程为：

通过所述第二转轴对和所述第四转轴对同速旋转以带动所述第二齿轮带和所述第四齿轮带传动，从而使所述第二滑轨产生Y轴方向的位移，同时所述第二滑轨带动所述姿态角平台产生沿Y轴方向的同步位移；所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生Y轴方向的位移。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，Z轴方向位移的产生过程为：

通过所述液压杆的伸缩带动所述姿态角平台产生沿Z轴方向的位移，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生Z轴方向的位移。

5.根据权利要求1所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，给定偏航角的旋转完成过程为：

通过所述液压杆的旋转带动所述姿态角平台产生绕Z轴的旋转，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生偏航角的旋转。

6.根据权利要求1所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，给定俯仰角的旋转完成过程为：

通过所述第一旋转杆的旋转带动所述姿态角平台产生绕Y轴的旋转，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生俯仰角的旋转。

7.根据权利要求1所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，给定滚转角的旋转完成过程为：

通过所述第二旋转杆的旋转带动所述姿态角平台产生绕X轴的旋转，同时所述姿态角平台通过所述固定杆使所述试验目标产生滚转角的旋转。

8.根据权利要求5所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，根据公式D_dz＝D_z+(L₁₄+L₁₅)sinθ计算所述试验目标在Z轴上产生的位移D_dz；其中，L₁₄为所述第二旋转杆的长度，L₁₅为所述固定杆的长度，θ为俯仰角，D_z为所述液压杆产生的实际位移。

9.根据权利要求3所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，根据公式

计算所述试验目标在X轴上产生的位移D_dx；其中，L₁₃为所述第一旋转杆的长度，L₁₄为所述第二旋转杆的长度，L₁₅为所述固定杆的长度，L＝L₁₄+L₁₅，

D_x为所述第一滑轨产生的实际位移，

为偏航角。

10.根据权利要求3所述的一种六自由度风洞试验平台，其特征在于，根据公式

计算所述试验目标在Y轴上产生的位移D_dy；其中，L₁₃为所述第一旋转杆的长度，L₁₄为所述第二旋转杆的长度，L₁₅为所述固定杆的长度，L＝L₁₄+L₁₅，

D_y为所述第二滑轨产生的实际位移，

为偏航角。

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