CN116952500A - 基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复杂航天器耦合动力学与控制技术领域，特别涉及一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法，包括：六自由度平台、负载支撑框架(4)、椭球形卡西尼贮箱(5)、压力采集系统和三维深度相机(7)；其中，所述六自由度平台，用于控制其上的负载支撑框架(4)模拟火箭在空间内六自由度的运动姿态，所述椭球形卡西尼贮箱(5)固定在所述负载支撑框架(4)内部，随所述负载支撑框架(4)共同运动；本发明模拟了火箭在高空气动干扰力和液体发动机变化的推力影响下所受到的多维度振动效果；不仅实验现象更接近真实情况，而且可作为地面预先研究项目为实际工程提供借鉴意义。
Description
技术领域
本发明涉及复杂航天器耦合动力学与控制技术领域，特别涉及一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法。
背景技术
现代航天中，运载火箭通常携带大量的液体推进剂，液体推进剂质量占整箭发射质量的90％左右，如中国长征系列运载火箭、美国SpaceX猎鹰九号系列火箭等。火箭在飞行过程中受到高空气动干扰力、发动机变化的推力和失重作用影响，很容易诱发火箭贮箱内液体推进剂的小幅晃动/非线性晃动，造成液体推进剂与火箭刚体之间发生低频耦合振动，直接影响箭体飞行姿态和有效载荷入轨精度。此外，在失重状态下，低频的耦合振动易使液体推进剂出现低速旋转晃动效果，造成液体推进剂偏离贮箱底部燃料出液口，此时部分增压气体进入液体发动机管道，气液混杂引起液体发动机的工作异常，严重时也曾导致整个发射任务失败。由此可知，液体推进剂管理一直都是现代航天中足够重视的问题，近年来，国内外众多学者也纷纷在液体推进剂晃动问题上取得了进展。
目前，对于液体推进剂晃动问题，采用地面实验是一种成本较低、普遍流行的研究方法。相关参考文献如下：
文献[1](Abramson H N.The dynamic behavior of liquids in movingcontainers[R].NASA SP-106.NASA Special Publication,1966.)在地面常重环境下，对圆柱形和矩形等多种规则贮箱结构进行了小幅晃动的系统实验，得到了激励频率f与部分实验现象、防晃挡板参数之间的关系等。
文献[2](李旭.燃料贮箱内浮球式防晃结构的力学性能分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.)通过地面缩比模型实验，从液体晃动的被动控制角度出发，探究了圆柱形贮箱自由液面覆盖一层多种类浮球对液体晃动的抑制效果。
文献[3](靳玉林.具有新型防晃结构贮箱的液体晃动动力学分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.)利用地面水平激振器对扁长方体贮箱施加正弦激励，探究了一种可绕固定轴转动的新型“十字型”叶片结构的防晃效果。
文献[4](吴文军，高超南，岳宝增，等.圆柱贮箱内液体非线性稳态晃动实验及动力学特性分析[J].宇航学报,2021,42(09):1078-1089.)设计的一种圆柱形贮箱液体动态晃动力和晃动力矩精确测量的实验装置，利用水平激振器对圆柱形贮箱施加激励，探究了液体非旋转晃动和旋转晃动两种状态下液体动态晃动力和晃动力矩的数值情况。
文献[5](张海涛，孙蓓蓓，陈建栋，等.运动容器内液体大幅非线性晃动实验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(01):33-37.)通过利用水平激振器对矩形充液贮箱施加横向简谐激励，实验探究了贮箱内液体的拍振和共振现象，并用压力传感器测量了容器侧壁某点处的液体压力时间历程。
文献[6](Berry R L,Tegart J R.Experimental study of transient liquidmotion in orbiting spacecraft[R].NASA final Report,NASA-CR-144213,1976.)提出采用落塔实验方式，对处在以恒定加速度下落的小型卡西尼贮箱突然施加恒定的水平加速度激励，观察贮箱内液体的晃动规律并进行了合理分析。
虽然众多学者对液体晃动问题已取得不错进展，但针对液体推进剂低速旋转晃动偏离燃料中央出液口的问题，目前还鲜有学者进行系统研究。对于地面缩比模型实验而言，现有研究基础大多利用水平激振器对规则贮箱(长方体、圆柱体等)施加正弦激励，从而观测部分实验现象和数据。然而在实际工程中，贮箱通常为椭球形卡西尼贮箱结构，即贮箱中间段为圆柱体、两端为半椭球体结构；且现有技术中利用水平激振器只能达到贮箱液体二维振动效果，如行波和驻波，无法模拟火箭飞行过程中的真实情况。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术只能达到贮箱液体二维振动效果，无法模拟火箭飞行过程中的真实情况的问题，从而提出一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法。
针对上述现有技术的多种缺陷，本发明的目的在于提供一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法，利用本发明能较好地模拟真实液体推进剂多模态旋转晃动现象，通过六自由度平台控制柜9改变输入峰值D、频率f和六个电动缸相位角θ可使六自由度伺服电动缸部件3带动液体出现多模态的旋转晃动现象，进而获得液面旋转晃动峰值和贮箱内壁固定点动压力等重要参数信息，从而填补现有技术中对液体旋转晃动问题的研究缺口以及获取贮箱内液体晃动规律的复杂参数问题，以期为实际工程应用提供借鉴意义。
本发明提供的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，包括：六自由度平台、负载支撑框架4、椭球形卡西尼贮箱5、压力采集系统和三维深度相机7；其中，
所述六自由度平台，用于控制其上的负载支撑框架4模拟火箭在空间内六自由度的运动姿态，所述椭球形卡西尼贮箱5固定在所述负载支撑框架4内部，随所述负载支撑框架4共同运动；其中，所述空间六自由度的运动姿态包括：火箭横向、纵向、垂向、俯仰、偏航和滚动的运动姿态；
所述压力采集系统，用于实时采集所述椭球形卡西尼贮箱5内液体的压力值；和
所述三维深度相机7，用于透过设置在所述椭球形卡西尼贮箱5顶部的相机观测孔58采集液面旋转晃动高度。
作为上述装置的一种改进，所述六自由度平台包括：工作台1、平行压板2、六自由度伺服电动缸部件3、和六自由度平台控制柜9；其中，
所述六自由度伺服电动缸部件3通过平行压板2固定在工作台1上；
所述负载支撑框架4固定在六自由度伺服电动缸部件3的负载平台35上，使其与所述负载平台35运动姿态相同；
所述六自由度伺服电动缸部件3在所述六自由度平台控制柜9的控制下，用于模拟空间六自由度的运动姿态；所述椭球形卡西尼贮箱5在所述负载支撑框架4的带动下，保持与所述负载平台35相同的运动姿态。
作为上述装置的一种改进，所述六自由度平台控制柜9，用于设置所述六自由度伺服电动缸部件3的振动峰值D、振动频率f和所述六自由度伺服电动缸部件3中每个伺服电动缸32的相位角θ，使所述六自由度伺服电动缸部件3模拟空间六自由度的运动姿态。
作为上述装置的一种改进，所述六自由度伺服电动缸部件包括：下底座31、6个伺服电动缸32、上万向节33、下万向节34和负载平台35；其中，
所述下底座31通过平行压板2与所述工作台1固定连接；
所述6个伺服电动缸32设置为两两间隔120度的三组伺服电动缸32，每组为两个紧紧相邻的伺服电动缸32，共同设置在所述下底座31的上方，其下端分别通过下万向节34与下底座31连接，上端分别通过上万向节33与负载平台35连接。
作为上述装置的一种改进，所述负载支撑框架4包括：支撑板41、若干支撑型材42、四个弧形连接件44和支撑板-负载平台固定组件45；
所述支撑板41通过支撑板-负载平台固定组件45固定在负载平台35上方；
所述若干支撑型材42组成内外两层方形框架；外层方形框架用于捆绑所述三维深度相机7的电源线和信号线；内层方形框架固定在所述支撑板41上；
所述四个弧形连接件44呈十字型分布，固定在所述内层方形框架的水平梁的内侧，用于夹紧所述椭球形卡西尼贮箱5，使所述椭球形卡西尼贮箱5在所述负载支撑框架4的带动下，保持与所述负载平台35相同的运动姿态，并且使所述椭球形卡西尼贮箱5底部处于悬空状态。
作为上述装置的一种改进，所述弧形连接件44由弧形支撑底座441、伸缩螺杆442和弧形贴合件443组成，伸缩螺杆442为螺纹结构，其旋拧在弧形支撑底座441和弧形贴合件443轴心线上，弧形支撑底座441固定在所述内层方形框架的水平梁内侧；通过调节伸缩螺杆442上的螺母，使得弧形贴合件443和椭球形卡西尼贮箱5之间贴合。
作为上述装置的一种改进，所述椭球形卡西尼贮箱5包括：上盖和下桶；其中，所述上盖和下桶连接处各有一圈法兰环51，法兰环51上有若干个均匀分布的贯穿孔52，通过螺栓组件穿过贯穿孔52将椭球形卡西尼贮箱5的上盖和下桶结构组装到一起；
所述椭球形卡西尼贮箱5的侧壁上设置有上下2个压力孔53，所述压力采集系统的压力传感器61的探头部分安装在两个压力孔53内；
所述椭球形卡西尼贮箱5的上盖顶部设置有相机观测孔58和若干个螺栓通孔，所述三维深度相机7通过螺栓组件和螺栓通孔固定在椭球形卡西尼贮箱5的顶部，并透过相机观测孔58采集椭球形卡西尼贮箱5内液面的高度图像。
作为上述装置的一种改进，所述装置还包括：环形挡板54、竖直贯穿滑槽55、环链56和薄膜浮板57；其中，
所述环形挡板54垂直于椭球形卡西尼贮箱5的轴线方向，固定在椭球形卡西尼贮箱5内侧下部；其中，所述环形挡板54的外侧边缘固定在所述椭球形卡西尼贮箱5圆柱段的内壁上；
所述椭球形卡西尼贮箱5内壁上每相隔90°安装有竖直贯穿滑槽55；所述竖直贯穿滑槽55的高度小于或等于所述椭球形卡西尼贮箱5的圆柱段的高度；
所述环链56的一端嵌合在竖直贯穿滑槽55内，并沿着椭球形卡西尼贮箱5轴线方向上下自由运动；所述环链56另一端通过通孔与薄膜浮板57连接；
所述薄膜浮板57浮于所述椭球形卡西尼贮箱5内的液体液面上，随液体液面共同运动。
作为上述装置的一种改进，所述压力采集系统包括：压力传感器61和智能数据采集仪62；其中，
所述压力传感器61采用压阻式压力传感器，其探头部分安装在所述椭球形卡西尼贮箱5侧壁上的压力孔53中；
所述压力传感器61通过智能数据采集仪62将所述液体压力值传输至计算机8。
为实现本发明的再一目的，本发明还提供一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验的方法，基于上述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置实现，包括以下步骤：
步骤1)复位所述六自由度伺服电动缸部件3；
步骤2)基于实验平台的运动姿态需要，设定六自由度伺服电动缸部件3的模拟参数，其中，所述模拟参数包括：振动峰值D、振动频率f和每个伺服电动缸32的相位角θ；
步骤3)判断所述模拟参数是否超过所述六自由度伺服电动缸部件3的系统量程，如果是，则重新设置模拟参数，如果不是，则通过六自由度平台控制柜9控制六自由度伺服电动缸部件3基于模拟参数工作；
步骤4)在所述椭球形卡西尼贮箱5内液体运动规律趋于明显后，利用三维深度相机7进行液体旋转晃动测距，以获得液面的旋转晃动高度，并利用压力采集系统测量椭球形卡西尼贮箱5内液体的压力值。
本发明所述的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法，对比现有技术，具有如下有益效果：
1)本发明提供的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法，实验激励装置采用六自由度伺服电动缸部件3，相比于采用水平激振器实现贮箱液体的二维小幅晃动，本发明能更好地模拟火箭在高空气动干扰力和液体发动机变化的推力等影响下所受到的多维度(横向、纵向、垂向、俯仰、偏航、滚动)振动效果。
2)本发明所述的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法，实验负载装置采用缩比模型的椭球形卡西尼贮箱5，相比于采用扁长方体和圆柱体贮箱，本发明能更接近实际工程中采用的液体推进剂贮箱，不仅实验现象更接近真实情况，而且可作为地面预先研究项目为实际工程提供借鉴意义。
3)本发明所述的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法，采用六自由度伺服电动缸部件3和椭球形卡西尼贮箱5结合的方式，采用六自由度平台控制柜9设置六自由度伺服电动缸部件3的振动峰值D、振动频率f和六个独立相位角θ，使得贮箱内液体呈现出多模态的旋转晃动现象，解决了地面实验中难以模拟这一晃动现象的问题。
4)本发明所述的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法，利用三维深度相机7测量贮箱内液面的旋转晃动峰值h、2个压力传感器61测量贮箱内液体晃动过程中的固定点动压力P，充分获取贮箱内液体晃动过程中的实验数据。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中实验装置整体系统运作的连接示意图；
图3是本发明实施例中六自由度伺服电动缸的结构示意图；
图4是本发明实施例中负载支撑(弧形连接件)结构示意图；
图5(a)是本发明实施例中椭球形卡西尼贮箱结构示意图；
图5(b)是沿图5(a)中A-A的椭球形卡西尼贮箱剖面图；
图6(a)是本发明实施例中椭球形卡西尼贮箱带环形挡板结构示意图；
图6(b)沿图6(a)中A-A的椭球形卡西尼贮箱带环形挡板的剖面图；
图7(a)是本发明实施例中椭球形卡西尼贮箱结构带薄膜浮板示意图；
图7(b)是沿图7(a)中A-A的椭球形卡西尼贮箱结构带薄膜浮板的剖面图；
图7(c)是沿图7(a)中B-B的椭球形卡西尼贮箱结构带薄膜浮板的剖面图；
图8是本发明实施例中液体多模态旋转晃动实验操作流程图；
图9是本发明实施例中液体多模态旋转晃动激励频率-液面峰值对应关系曲线图；
图10(a)为本发明实施例中六自由度平台控制柜的第一示意图；
图10(b)为本发明实施例中六自由度平台控制柜的第二示意图。
附图标识
1、工作台，2、平行压板，3、六自由度伺服电动缸部件，31、下底座，32、伺服电动缸，33、上万向节，34、下万向节，35、负载平台，4、负载支撑框架，41、支撑板，42、支撑型材，43、固定角码，44、弧形连接件，441、弧形支撑底座，442、伸缩螺杆，443、弧形贴合件，45、支撑板、负载平台固定组件，5、椭球形卡西尼贮箱，51、法兰，52、贯穿孔，53、压力孔，54、环形档板，55、竖直贯穿滑槽，56、环链，57、薄膜浮板，58、相机观测孔，61、压力传感器，62、智能数据采集仪，7、三维深度相机，8、计算机，9、六自由度平台控制柜。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
实施例1
本发明提供的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，所述实验装置包括：六自由度平台控制柜、六自由度伺服电动缸部件、负载平台贮箱结构系统、液面高度深度测量系统和液体动压力测量系统。
以下，参照附图对具体实施例进行说明。此外，下面所示的具体实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面具体实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
如图1-图7(c)所示，本实施例中提供的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置包括用于支撑六自由度伺服电动缸部件3、负载支撑框架4和椭球形卡西尼贮箱5的工作台1，工作台1对整个实验装置起到增重和固定的作用，防止实验过程中因六自由度伺服电动缸部件3的振动频率过快而发生实验装置偏移现象。所述工作台1设置有若干T型槽，六自由度伺服电动缸部件3与T型槽工作台1之间通过平行压板2进行固定连接，六自由度伺服电动缸部件3的下底座31与T型槽工作台1表面贴合，平行压板2中间有通槽，通槽内有螺栓组件，螺栓顶部设置在T型槽工作台1的T型槽内，平行压板2一端压在下底座31表面，螺栓套在平行压板2的中间通槽内，并用螺母进行拴紧固定，通槽后端有一个支撑螺栓，用来保持平行压板2后端与前端的水平，保证下底座31与T型槽工作台1两者之间的结构牢固；如图3所示，伺服电动缸32位于下底座31上方，由6个独立的伺服电动缸组成，下底座31通过6个下万向节34与各个伺服电动缸32连接，各个伺服电动缸32的另一端均通过上万向节33与负载平台35连接。所述六自由度平台控制柜9与所述六自由度伺服电动缸部件3连接，用于设置所述六自由度伺服电动缸部件3的振动峰值D、振动频率f和所述六自由度伺服电动缸部件3中每个伺服电动缸32的相位角θ，使所述六自由度伺服电动缸部件3模拟空间六自由度的运动姿态。本发明中的伺服电动缸为本领域公知的伺服电动缸，本实施例中所使用的伺服电动缸型号为：DH50-S100-T-R5-M3-C1，伺服电动缸部分包括的交流伺服电机型号为60CB020C-500000；但是其他能满足本发明技术效果的伺服电动缸均可应用到本发明中，如：DI95-S200-T-R10-M1-C1-P2。六自由度平台控制柜9内部包括多种电气设备，如集成控制器：MD-NV3020EV4、台达电子电源：EOE11010006和以太网交换机：TL-SF1005工业级。采用六自由度平台控制柜9输入六自由度伺服电动缸部件3的振动峰值D、振动频率f和所述六自由度伺服电动缸部件3中每个伺服电动缸32的相位角θ也为本领域公知的技术手段。图10(a)-图10(b)为六自由度平台控制柜9外部和内部的示意图。
在负载平台35上方主要是负载支撑框架4、椭球形卡西尼贮箱5、压力传感器61和三维深度相机7，支撑板41在负载平台35上方，其通过支撑板-负载平台固定组件45牢牢地与负载平台35固定在一起，支撑板-负载平台固定组件45由8个螺栓组件组成，在支撑板41和负载平台35上有十字形排列的8个通孔，上述8个螺栓与这8个通孔配套使用，将两者牢固固定。在支撑板41左右两侧还各有5个型材-支撑板固定组件，每个型材-支撑板固定组件包括一个通孔和T型螺栓，通孔正好对应型材42的槽口，使用T型螺栓组件将型材42与支撑板41固定在一起；若干支撑型材42组成内外两层方形框架，外层方形框架主要用来捆绑三维深度相机7的电源线和信号线，防止三维深度相机7的传输线折弯影响其使用，内层方形框架则主要用来支撑椭球形卡西尼贮箱5，上述支撑板41的形状大小与内层方形框架的俯视面积大小相同，型材-支撑板固定组件也是安装在的内层方形框架上；无论是外、内层方形框架，其上方均为4根型材(梁)、中间为4根型材(柱)和底部为4根型材(基)，各空间交集的型材之间均通过若干个固定角码43固定，使得型材稳固的搭建出一个长方体形状。
在型材42小长方体的四根水平且相互垂直梁内侧，各有一个弧形连接件44，其均位于梁的中间位置，四个弧形连接件44的空间布局为十字形，如图4所示，弧形连接件44由弧形支撑底座441、伸缩螺杆442和弧形贴合件443组成，伸缩螺杆442为螺纹结构，其旋拧在弧形支撑底座441和弧形贴合件443轴心线上，弧形支撑底座441固定在型材42的水平梁内侧，通过松紧伸缩螺杆442上的螺母，使得弧形贴合件443和椭球形卡西尼贮箱5之间无缝贴合，椭球形卡西尼贮箱5处于悬空状态，其底部不与任何实验装置相接触；在本实施例中，弧形贴合件443的弧度为60度，能够牢固的夹紧椭球形卡西尼贮箱5，需要说明的是，弧形连接件44不仅仅局限于本实施例的形式，只要是能通过某种夹紧装置将椭球形卡西尼贮箱5牢牢固定，保证椭球形卡西尼贮箱5与整个平台运动姿态一样即可。此外，椭球形卡西尼贮箱5的大小可以根据实际需要而改变，且通过调节伸缩螺杆442及其螺母便可夹紧所需贮箱。
如图5(a)-图5(b)所示，椭球形卡西尼贮箱5为组合结构，分为上盖和下桶，上盖和下桶连接处各有一圈法兰环51，法兰环51结构上有8个均匀分布的贯穿孔52，通过螺栓组件穿过贯穿孔52将椭球形卡西尼贮箱5的上盖和下桶结构组装到一起；在椭球形卡西尼贮箱5的箱体一侧有一上、一下2个压力孔53，各安装1个压力传感器61的探头部分在两个压力孔53内，压力传感器61另一侧通过传输线连接到智能数据采集仪62，智能数据采集仪62再通过传输线连接到计算机8上，在椭球形卡西尼贮箱5的上盖顶部留有一个大的相机观测孔58和4个螺栓通孔，利用螺栓组件和上述4个螺栓通孔将三维深度相机7固定在椭球形卡西尼贮箱5的顶部，三维深度相机7的镜头部分通过相机观测孔58来观测椭球形卡西尼贮箱5内液面的高度变化，三维深度相机7的输出端一根接电源线，一根接到计算机8上。此外，如图6(a)-图7(c)所示，本发明还通过更改椭球形卡西尼贮箱5内部结构来探究防晃挡板设计实验，即：1)在椭球形卡西尼贮箱5内部增加环形挡板54，环形挡板54固定在椭球形卡西尼贮箱5内侧下部，其厚度在5mm左右，宽度在10mm左右，并绕椭球形卡西尼贮箱5圆柱段一圈；2)在椭球形卡西尼贮箱5内壁相隔90°处安装4条竖直贯穿滑槽55，竖直贯穿滑槽55与椭球形卡西尼贮箱5的圆柱段高度相同或略小，环链56可以穿过竖直贯穿滑槽55沿着椭球形卡西尼贮箱5轴线方向上下自由运动，环链56另一端通过通孔与薄膜浮板57连接，薄膜浮板57很薄，其大小比贮箱内壁直径要小一些，即当贮箱内添加水时薄膜浮板能跟随充液高度变高也上移，实验2主要在于探究薄膜浮板2随着液体晃动时其对液面晃动的抑制效果。
如图2所示，计算机8一共连接智能数据采集仪62、三维深度相机7和六自由度平台控制柜9三台设备。
实施例2
本实施例中提供的基于实施例1中的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置实现的一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验的方法，如图8所示，包括以下步骤：
1)首先启动智能数据采集仪62、三维深度相机7和六自由度平台控制柜9的电源总开关，六自由度伺服电动缸部件3进行复位操作，然后计算机8开机并打开六自由度平台控制软件，如六自由度平台运动控制系统，并进入“正弦测试”模块界面，该界面包含振动峰值D、振动频率f和相位角θ参数设置，若六自由度伺服电动缸部件3上电后未进行平台的复位操作，则在“正弦测试”界面先点击“平台复位”按钮使其复位。
2)随后根据实验平台的运动姿态需要，设定“峰值D”、“频率f”和六个独立电动缸“相位角θ”参数，点按“正弦开始”按钮，若实验参数设置超过系统量程，则系统提示错误并重新进行参数输入。3)若参数设置合理且安全，则六自由度伺服电动缸部件3开始工作，待椭球形卡西尼贮箱5内液体运动规律趋于明显后，观察实验现象，利用三维深度相机7进行液体旋转晃动测距，得出液面的旋转晃动高度；利用压力采集系统测量椭球形卡西尼贮箱5的液体动压力，最后无论是三维深度相机7还是压力采集系统均在计算机8对应的控制软件内进行可视化数据监测。
4)数据记录完毕后，点按“正弦停止”按钮六自由度伺服电动缸部件3暂停工作，若需展开不同输入参数下的实验研究，则点击“清屏”和“平台复位”按钮可使平台恢复初始状态，继续展开相关实验。
5)实验结束后关闭所有软件，退出操作系统并切断总电源。
本实施例中，六自由度伺服电动缸部件3基于输入峰值、频率和六个电动缸独立相位角工作，图9展示了本发明实施例中液体多模态旋转晃动激励频率-液面峰值对应关系曲线图。椭球形卡西尼贮箱5的液体会在不同参数情况下实现不同的实验现象，呈现出多模态的旋转晃动现象(大幅左右摇摆晃动、低速露底旋转晃动、快速旋转晃动和液面凸起的高频晃动现象)，最后利用压力传感器61和三维深度相机7分别测量椭球形卡西尼贮箱5内液体旋转晃动高度和液体动压力值，尽可能地测量地面实验中椭球形卡西尼贮箱5内部的各种参数信息，以期为实际工程应用提供借鉴意义。
从上述描述可以看出，本发明提供的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法具有以下优点：
1)缩比模型的椭球形卡西尼贮箱5结构，该结构设计在实际加工过程中存在较大难度，因此很多学者只是对结构和加工简单的长方体和圆柱体贮箱进行地面实验研究，而该椭球形卡西尼贮箱5却是实际工程中最常用的贮箱结构。
2)弧形连接件44结构，该锁紧结构为本发明独立思考和设计的产物之一，其不仅可以实现与椭球形卡西尼贮箱5箱体之间完美无缝贴合，而且可以通过松紧伸缩螺杆442上的螺母实现对不同尺寸的椭球形卡西尼贮箱5的锁紧，通用性更强。
3)六自由度伺服电动缸部件3，基于输入峰值D、频率f和六个电动缸独立相位角θ工作，带动整个负载平台35的正弦振动，从而使得椭球形卡西尼贮箱5的液体呈现出多模态的旋转晃动现象。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，包括：六自由度平台、负载支撑框架(4)、椭球形卡西尼贮箱(5)、压力采集系统和三维深度相机(7)；其中，
所述六自由度平台，用于控制其上的负载支撑框架(4)模拟火箭在空间内六自由度的运动姿态，所述椭球形卡西尼贮箱(5)固定在所述负载支撑框架(4)内部，随所述负载支撑框架(4)共同运动；其中，所述空间六自由度的运动姿态包括：火箭横向、纵向、垂向、俯仰、偏航和滚动的运动姿态；
所述压力采集系统，用于实时采集所述椭球形卡西尼贮箱(5)内液体的压力值；和
所述三维深度相机(7)，用于透过设置在所述椭球形卡西尼贮箱(5)顶部的相机观测孔(58)采集液面旋转晃动高度。
2.根据权利要求1所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述六自由度平台包括：工作台(1)、平行压板(2)、六自由度伺服电动缸部件(3)、和六自由度平台控制柜(9)；其中，
所述六自由度伺服电动缸部件(3)通过平行压板(2)固定在工作台(1)上；
所述负载支撑框架(4)固定在六自由度伺服电动缸部件(3)的负载平台(35)上，使其与所述负载平台(35)运动姿态相同；
所述六自由度伺服电动缸部件(3)在所述六自由度平台控制柜(9)的控制下，用于模拟空间六自由度的运动姿态；所述椭球形卡西尼贮箱(5)在所述负载支撑框架(4)的带动下，保持与所述负载平台(35)相同的运动姿态。
3.根据权利要求2所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述六自由度平台控制柜(9)，用于设置所述六自由度伺服电动缸部件(3)的振动峰值D、振动频率f和所述六自由度伺服电动缸部件(3)中每个伺服电动缸(32)的相位角θ，使所述六自由度伺服电动缸部件(3)模拟空间六自由度的运动姿态。
4.根据权利要求2所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述六自由度伺服电动缸部件包括：下底座(31)、6个伺服电动缸(32)、上万向节(33)、下万向节(34)和负载平台(35)；其中，
所述下底座(31)通过平行压板(2)与所述工作台(1)固定连接；
所述6个伺服电动缸(32)设置为周向间隔120度的三组伺服电动缸(32)，每组为两个紧紧相邻的伺服电动缸(32)，共同设置在所述下底座(31)的上方，其下端分别通过下万向节(34)与下底座(31)连接，上端分别通过上万向节(33)与负载平台(35)连接。
5.根据权利要求1所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述负载支撑框架(4)包括：支撑板(41)、若干支撑型材(42)、四个弧形连接件(44)和支撑板-负载平台固定组件(45)；
所述支撑板(41)通过支撑板-负载平台固定组件(45)固定在负载平台(35)上方；
所述若干支撑型材(42)组成内外两层方形框架；外层方形框架用于捆绑所述三维深度相机(7)的电源线和信号线；内层方形框架固定在所述支撑板(41)上；
所述四个弧形连接件(44)呈十字型分布，固定在所述内层方形框架的水平梁的内侧，用于夹紧所述椭球形卡西尼贮箱(5)，使所述椭球形卡西尼贮箱(5)在所述负载支撑框架(4)的带动下，保持与所述负载平台(35)相同的运动姿态，并且使所述椭球形卡西尼贮箱(5)底部处于悬空状态。
6.根据权利要求5所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述弧形连接件(44)由弧形支撑底座(441)、伸缩螺杆(442)和弧形贴合件(443)组成，伸缩螺杆(442)为螺纹结构，其旋拧在弧形支撑底座(441)和弧形贴合件(443)轴心线上，弧形支撑底座(441)固定在所述内层方形框架的水平梁内侧；通过调节伸缩螺杆(442)上的螺母，使得弧形贴合件(443)和椭球形卡西尼贮箱(5)之间贴合。
7.根据权利要求1所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述椭球形卡西尼贮箱(5)包括：上盖和下桶；其中，所述上盖和下桶连接处各有一圈法兰环(51)，法兰环(51)上有若干个均匀分布的贯穿孔(52)，通过螺栓组件穿过贯穿孔(52)将椭球形卡西尼贮箱(5)的上盖和下桶结构组装到一起；
所述椭球形卡西尼贮箱(5)的侧壁上设置有上下2个压力孔(53)，所述压力采集系统的压力传感器(61)的探头部分安装在两个压力孔(53)内；
所述椭球形卡西尼贮箱(5)的上盖顶部设置有相机观测孔(58)和若干个螺栓通孔，所述三维深度相机(7)通过螺栓组件和螺栓通孔固定在椭球形卡西尼贮箱(5)的顶部，并透过相机观测孔(58)采集椭球形卡西尼贮箱(5)内液面的高度图像。
8.根据权利要求1所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述装置还包括：环形挡板(54)、竖直贯穿滑槽(55)、环链(56)和薄膜浮板(57)；其中，
所述环形挡板(54)垂直于椭球形卡西尼贮箱(5)的轴线方向，卡固在椭球形卡西尼贮箱(5)内侧下部；其中，所述环形挡板(54)的外侧边缘卡固在所述椭球形卡西尼贮箱(5)圆柱段的内壁上；
所述椭球形卡西尼贮箱(5)内壁上每相隔90°安装有竖直贯穿滑槽(55)；所述竖直贯穿滑槽(55)的高度小于或等于所述椭球形卡西尼贮箱(5)的圆柱段的高度；
所述环链(56)的一端嵌合在竖直贯穿滑槽(55)内，并沿着椭球形卡西尼贮箱(5)轴线方向上下自由运动；所述环链(56)另一端通过通孔与薄膜浮板(57)连接；
所述薄膜浮板(57)浮于所述椭球形卡西尼贮箱(5)内的液体液面上，随液体液面共同运动。
9.根据权利要求1所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置，其特征在于，所述压力采集系统包括：压力传感器(61)和智能数据采集仪(62)；其中，
所述压力传感器(61)采用压阻式压力传感器，其探头部分安装在所述椭球形卡西尼贮箱(5)侧壁上的压力孔(53)中；
所述压力传感器(61)通过智能数据采集仪(62)将所述液体压力值传输至计算机(8)。
10.一种基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验的方法，基于权利要求1-9任一所述的基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置实现，包括以下步骤：
步骤1)复位所述六自由度伺服电动缸部件(3)；
步骤2)基于实验平台的运动姿态需要，设定六自由度伺服电动缸部件(3)的模拟参数，其中，所述模拟参数包括：振动峰值D、振动频率f和每个伺服电动缸(32)的相位角θ；
步骤3)判断所述模拟参数是否超过所述六自由度伺服电动缸部件(3)的系统量程，如果是，则重新设置模拟参数，如果不是，则通过六自由度平台控制柜(9)控制六自由度伺服电动缸部件(3)基于模拟参数工作；
步骤4)在所述椭球形卡西尼贮箱(5)内液体运动规律趋于明显后，利用三维深度相机(7)进行液体旋转晃动测距，以获得液面的旋转晃动高度，并利用压力采集系统测量椭球形卡西尼贮箱(5)内液体的压力值。
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| CN202210414862.3A CN116952500A (zh) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | 基于六自由度平台的液体多模态旋转晃动实验装置及方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117461475A (zh) * | 2023-11-22 | 2024-01-30 | 云南农业大学 | 一种采茶机器人采摘装置及鲜叶识别方法 |
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- 2022-04-20 CN CN202210414862.3A patent/CN116952500A/zh active Pending
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