CN206417222U - 颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备，包括平台支撑机构及由上至下依次设置在平台支撑机构上的快速下降机构、五自由度运动机构和悬停缓慢着陆机构，平台支撑机构包括通过螺钉连接的支撑立柱和平台底座，支撑立柱通过设置在所述支撑立柱上的导向滑动机构与五自由度运动机构中的五自由度运动机构机架连接，支撑立柱通过螺钉与所述快速下降机构中的快速下降机构安装板连接，支撑立柱通过螺钉与所述悬停缓慢着陆机构中呈U型结构的悬停缓慢着陆机构安装板连接；本实用新型通过对无人直升机飞行的角运动和线运动过程进行物理模拟，实现对无人直升机六自由度飞行状态的运动进行物理模拟，具有操作简单，可再现性强的特点。

Description

颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备

技术领域：

本实用新型涉及一种无人机着陆模拟装置，特别是涉及一种颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备。

背景技术：

无人机(UAV)是无人驾驶飞机的简称，是一种有动力、可控制、能够携带任务设备、执行相关任务、具备超视距飞行能力和自主飞行能力，并能重复使用的无人驾驶飞行器。无人机几乎与有人驾驶飞机同步诞生，主要在50 年代以后有了很大的发展。随着无人机技术的发展，无人机被越来越多地运用在军事领域，例如在阿富汗战争中，“捕食者”无人战斗机在高度危险环境中执行攻击任务，取得了很好的成效，比起有人驾驶飞机，无人机可作为空中侦察和武器平台，可执行艰难任务，避免执行人员的伤亡。在民用方面，气象探测、森林救火、电力线路巡视等各领域具有很大的应用潜力，例如低空无人机航摄系统的测绘在许多地震灾情中发挥重大作用，从汶川地震到后来的舟曲泥石流，无人机利用航摄系统的测绘系统获取灾区影像，第一时间获取第一信息，为救灾应急提供了保障。因此，无论从军事领域还是民用方面，对于无人机技术的研究均具有重要的意义。

无人机是一个复杂被控对象，并且往往具有静不稳定性。工程上按解析方法设计的控制系统直接进行飞行试验具有一定风险性，为减低直接进行飞行试验的风险和财产损失，控制系统在设计完成后需要在地面进行多次仿真试验，以对其控制性能、稳定性及可靠性进行验证。目前，国内对无人机的地面仿真试验主要通过三轴飞行仿真转台来复现无人机飞行姿态角运动，将包括垂直陀螺、惯性测量单元等姿态敏感设备固定在三轴飞行仿真转台上可实现传感器在回路的半实物仿真试验，以提高仿真的置信度。三轴飞行仿真转台具有三个自由度，可实现无人机机体轴姿态角运动的模拟，三轴飞行仿真转台的不足之处是无法体现无人机飞行时的线运动，尤其是在地面仿真试验中操纵员对无人机施加操纵量时，无法体现操纵员操纵量对无人机线运动的直观影响。

无人机着陆第一阶段，无人机升力逐渐减小，竖直向下的合力逐渐增大，从而使无人机的下降速度不断增加，飞行高度快速下降，此为快速下降阶段；当下降速率达到指定值后，无人机升力增加至与重力平衡，无人机已恒定的下降率降到指定高度后进入地效悬停阶段，此为地效悬停阶段；在着陆的地效悬停阶段，无人机将调整飞行姿态、降低着陆速度，为无人机进入缓慢着陆阶段做准备，该阶段为着陆过渡阶段；而缓慢着陆阶段，无人机高度首先以恒定低速下降，当无人机下降到近地面时，无人机做减速运动直至降落到地面；现有的设备均无法在快速下降阶段、地效悬停阶段和悬停缓慢着陆阶段对无人机进行有效的模拟。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够对无人机着陆过程中快速下降阶段、地效悬停阶段以及缓慢着陆阶段进行物理模拟，并能够对颠簸环境下无人机姿态五自由度变化进行物理模拟的颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备。

本实用新型的技术方案是：一种颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备，包括平台支撑机构及由上至下依次设置在平台支撑机构上的快速下降机构、五自由度运动机构和悬停缓慢着陆机构，所述平台支撑机构包括通过螺钉连接的支撑立柱和平台底座，所述支撑立柱通过设置在所述支撑立柱上的导向滑动机构与五自由度运动机构中的五自由度运动机构机架连接，所述支撑立柱通过螺钉与所述快速下降机构中的快速下降机构安装板连接，所述支撑立柱通过螺钉与所述悬停缓慢着陆机构中呈U型结构的悬停缓慢着陆机构安装板连接。

所述导向滑动机构包括设置在支撑立柱上的导轨及与导轨配合使用的滑块，所述滑块与所述五自由度运动机构机架固定连接，所述支撑立柱的轴线与平台底座垂直，且所述支撑立柱为四个，并分别设置在呈长方形结构的平台底座的四角处。

所述快速下降机构安装板为两个，且两个快速下降机构安装板通过穿过所述两个快速下降机构安装板中部的传动轴连接，所述传动轴两端均设置有从动齿轮，所述从动齿轮上下两侧均设置有通过直线导轨及与直线导轨配合使用的直线滑块与快速下降机构安装板连接的齿条，所述齿条与直线滑块之间设置有楔形块连接板，所述楔形块连接板一端设置有楔形块，所述楔形块设置在快速下降机构安装板的两侧，所述两个快速下降机构安装板中的其中一个设置有与从动齿轮齿合的主动齿轮，主动齿轮与快速下降机构驱动电机连接。

所述悬停缓慢着陆机构安装板通过设置在悬停缓慢着陆机构安装板上的竖直滑道及与竖直导轨配合使用的竖直滑块设置有悬停缓慢着陆机构连接板，所述悬停缓慢着陆机构连接板上设置有贯穿螺纹孔，且螺纹孔内设置有与之配合使用的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠通过联轴器与固定在悬停缓慢着陆机构安装板上的步进电机连接，所述悬停缓慢着陆机构连接板的两端设置有弹簧阻尼缓冲减震系统，所述弹簧阻尼缓冲减震系统包括锁紧螺母、安装座及设置在安装座上的弹簧和阻尼器。

所述五自由度运动机构机架上通过Y方向单轴机器人设置有Y方向滑架，所述Y方向滑架上通过X方向单轴机器人设置有X方向滑架，所述X方向滑架上设置有互相齿合的Z轴转动主动齿轮和Z轴转动从动齿轮，所述Z轴转动主动齿轮通过穿过X方向滑架的键同轴与Z方向驱动电机连接，所述Z轴转动从动齿轮通过穿过X方向滑架和轴承的Z轴转动轴与Z方向转动板连接，所述Z方向转动板上设置有Y方向驱动电机，所述Y方向驱动电机通过贯穿Z方向转动板的转轴与Y方向转动板连接，所述Y方向转动板上设置有X方向驱动电机，所述X方向驱动电机与贯穿Y方向转动板的转轴与X方向转动板连接，所述X方向转动板上设置有视觉验证测试系统，所述X方向转动板、Y方向转动板和Z方向转动板均为L型结构。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过对无人直升机飞行的角运动和线运动过程进行物理模拟，实现对无人直升机机六自由度飞行状态的物理模拟，具有操作简单，可再现性强的特点。

2、本实用新型楔形块处于脱离运动机构安装滑块的不阻挡滑块沿Z轴向上运动的临界位置，步进电机驱动五自由度运动机构向上运动，使滑块向上运动至越过楔形块下边缘位置，然后转动电机驱动楔形块朝外运动，对运动机构安装滑块产生挤压力从而驱动五自由度运动机构抬升，转动电机驱动楔形块朝内运动，对运动机构安装滑块产生挤压力从而驱动五自由度运动机构下降。

3、本实用新型从动齿轮与楔形采用直齿传动，防止四个楔形块同步运动出现卡死现象，还使运动具有高精度的同步性。

4、本实用新型支撑立柱通过螺钉与平台底座连接，快速下降机构安装板和悬停缓慢着陆机构安装板均通过螺钉与支撑立柱连接，拆装方便，便于人员进行操作。

5、本实用新型通过直线导轨和直线滑块实现楔形块连接板跟随从动齿轮的转动，直线导轨的应用提高了工作精度和相应时效。

6、本实用新型悬停缓慢着陆机构安装板上设置有树枝划到和竖直滑块，对悬停缓慢着陆机构连接板起到限位作用的同时，还减少下降过程中的阻力，同时滚珠丝杆与步进电机输出轴通过联轴器以抱死方式连接，防止在进行快速下降阶段时，五自由度运动机构对悬停缓慢着陆机构连接板形成冲击，造成悬停缓慢着陆机构连接板的移位，同时还有助于提高精度。

7、本实用新型悬停缓慢着陆机构安装板两侧的直线导轨可对悬停缓慢着陆机构连接板沿Z轴上下运动进行导向作用，防止停在悬停缓慢着陆机构连接板上的五自由度运动机构沿Z轴缓慢下降模拟无人机缓慢着陆过程发生偏差。

8、本实用新型弹簧阻尼缓冲减震系统可吸收缓慢下降过程由于步进电机输出转动不平稳或外界干扰造成的震动从而真实反映出无人机缓慢着陆过程，使研究数据更具说服力。

附图说明：

图1为颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备的结构示意图。

图2为平台支撑机构的结构示意图。

图3为快速下降机构的结构示意图。

图4为悬停缓慢着陆机构的结构示意图。

图5为五自由度运动机构的结构示意图。

图6为弹簧阻尼缓冲减震系统的结构示意图。

图7为弹簧阻尼缓冲减震系统的原理示意图。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，图中，1-快速下降机构，2-五自由度运动机构，3-悬停缓慢着陆机构，4-平台支撑机构，5-支撑立柱，6-平台底座，7-导向滑动机构，8-五自由度运动机构机架，9-快速下降机构安装板，10-悬停缓慢着陆机构安装板，11-导轨，12-滑块，13-传动轴，14-从动齿轮，15-直线导轨，16-直线滑块，17-齿条，18-楔形块连接板，19-楔形块，20-快速下降机构驱动电机，21-主动齿轮，22-竖直滑道，23-竖直滑块，24-悬停缓慢着陆机构连接板，25-滚珠丝杠，26-步进电机，27-弹簧阻尼缓冲减震系统，28-Y方向单轴机器人，29- X方向滑架，30-X方向单轴机器人，31-Y方向滑架，32-Z方向驱动电机，33-Z方向转动板，34-Z轴转动轴，35-Y方向转动板，36-Y方向驱动电机，37-X方向驱动电机，38- X方向转动板，39-视觉验证测试系统，40-锁紧螺母，41-安装座，42-弹簧，43-阻尼器。

下面结合附图进行详细说明：

图1所示：快速下降机构1、五自由度运动机构2和悬停缓慢着陆机构3从上至下依次设置在平台支撑机构4上，平台支撑机构4包括通过螺钉连接的支撑立柱5和平台底座6，支撑立柱4通过设置在支撑立柱5上的导向滑动机构7与五自由度运动机构2中的五自由度运动机构机架8连接，五自由度运动机构2与可沿Z轴上下移动实现六自由度，支撑立柱5通过螺钉与快速下降机构1中的快速下降机构安装板9连接，支撑立柱5通过螺钉与悬停缓慢着陆机构3中呈U型结构的悬停缓慢着陆机构安装板10连接。

图2所示：四根支撑立柱5通过螺钉旋配方式固定安装于平台底座6上，支撑立柱5的轴线与平台底座6垂直，支撑立柱5上设置有导轨11及与导轨11配合使用的滑块12，四根导轨11间具有较高的平行度要求，四根导轨11上的滑块12处于沿Z轴的上下自由滑动的状态，滑块12与五自由度运动机构机架8固定连接，四个滑块12将处于同一高度同时实现对五自由度运动机构2进行沿Z轴的导向作用，具备六自由度。

图3所示：快速下降机构安装板9为两个，且两个快速下降机构安装板9通过穿过两个快速下降机构安装板9中部的传动轴13连接，传动轴13两端均设置有从动齿轮，从动齿轮14上下两侧均设置有通过直线导轨15及与直线导轨15配合使用的直线滑块16与快速下降机构安装板9连接的齿条17，齿条17与直线滑块16之间设置有楔形块连接板18，楔形块连接板18一端设置有楔形块19，楔形块19设置在快速下降机构安装板9的两侧，齿条17和与之连接的楔形块19均可一起相对于快速下降机构安装板9进行沿X轴的运动，其中一个快速下降机构安装板9上设置有快速下降机构驱动电机20。

快速下降机构驱动电机20通过键传动直接驱动主动齿轮21，主动齿轮21与从动齿轮14进行啮合传动，从动齿轮14均采用啮合传动方式驱动齿条17朝里或朝外运动，由于左右楔形块19分别于对应侧的齿条17刚性连接，因此在快速下降机构驱动电机20的控制下，左右楔形块19可同时向里运动逐渐放开对四个滑块12的支撑作用从而使五自由度运动机构2加速度逐渐增大，速度不断增加，其高度快速下降，直到滑块12完全脱离楔形块19，五自由度运动机构2进行一段自由落体运动，五自由度运动机构2以高速运动到快速下降机构1的结束位置，快速下降机构1可将五自由度运动机构2抬升实现重复模拟无人机着陆过程。

图4所示：悬停缓慢着陆机构安装板10通过设置在悬停缓慢着陆机构安装板10上的竖直滑道22及与竖直滑道22配合使用的竖直滑块23设置有悬停缓慢着陆机构连接板24，悬停缓慢着陆机构连接板24上设置有贯穿螺纹孔，且螺纹孔内设置有与之配合使用的滚珠丝杠25，步进电机26安装于悬停缓慢着陆机构安装板10上，滚珠丝杆25与步进电机26的输出轴通过联轴器以抱死方式连接，即悬停缓慢着陆机构连接板24可沿Z轴上下运动，悬停缓慢着陆机构连接板24的两端设置有弹簧阻尼缓冲减震系统27，平台支撑机构4上有前后两套对称的悬停缓慢着陆机构3，四个弹簧阻尼缓冲减震系统27始终处于同一高度，所述弹簧阻尼缓冲减震系统27包括锁紧螺母40、安装座41及设置在安装座41上的弹簧42和阻尼器43。

五自由度运动机构2经过快速下降阶段将高速碰撞四个始终处于同一高度的弹簧阻尼缓冲减震系统27，四个弹簧阻尼缓冲减震系统27同时产生沿Z轴向下的压缩位移从而快速吸收五自由度运动机构2的动能，弹簧阻尼缓冲减震系统27的弹簧42在吸收动能过程先被压缩，然后再逐渐恢复到与支撑五自由度运动机构2的平衡位置，当弹簧阻尼缓冲减震系统27处于平衡位置时，五自由度运动机构2的动能全部被吸收，即此时五自由度运动机构2的动能为零，运行速度为零，五自由度运动机构2一直与弹簧阻尼缓冲减震系统27的阻尼器43上端面接触，五自由度运动机构2通过滚珠丝杠25的作用缓慢向下运动，弹簧阻尼缓冲减震系统27可吸收缓慢下降过程由于步进电机26输出转动不平稳或外界干扰造成的震动。

图5所示：五自由度运动机构机架8上通过Y方向单轴机器人28设置有Y方向滑架31，Y方向滑架31上通过X方向单轴机器人30设置有X方向滑架29；X方向单轴机器人30可随Y方向滑架31一块沿Y轴移动，X方向滑架29将在X方向单轴机器人30控制下沿X轴移动；X方向滑架29上设置有互相齿合的Z轴转动主动齿轮和Z轴转动从动齿轮，Z轴转动主动齿轮通过穿过X方向滑架29的键同轴与Z方向驱动电机32连接，Z轴转动从动齿轮通过穿过X方向滑架29的Z轴转动轴34与Z方向转动板33连接，通过Z轴转动主动齿轮与Z轴转动从动齿轮轴间的啮合作用带动Z方向转动板33相对于X方向滑架29绕Z轴转动，Y方向驱动电机36固定安装于Z方向转动板33上，其可随Z方向转动板33绕Z轴转动；同时Y方向转动板35与Y方向驱动电机36输出轴固定连接，从而Y方向转动板35将在Y方向驱动电机36驱动下绕Y轴转动,X方向驱动电机37固定安装于Y方向转动板35上，其可随Y方向转动板35绕Y轴转动，同时X方向转动板38与X方向驱动电机37输出轴固定连接，从而X方向转动板38将在X方向驱动电机37驱动下绕X轴转动，视觉验证测试系统39固定安装于X方向转动板38上，其可随X方向转动板38一起绕X轴转动，X方向转动板38、Y方向转动板35和Z方向转动板33均为L型结构。

图6所示：安装座41设置在悬停缓慢着陆机构连接板24上，并通过锁紧螺母40进行固定，弹簧42对快速下降的五自由度运动机构2起到缓冲作用，并吸收缓慢下降过程由于步进电机26输出转动不平稳或外界干扰造成的震动。

进行模拟操作的过程为：

把视觉验证测试系统39沿X、Y轴移动以及绕X、Y、Z轴转动，实现无人机姿态五自由度的模拟，并通过在Z轴上对视觉验证测试系统39移动速度的控制，实现对无人机着陆中快速下降阶段、地效悬停阶段以及缓慢着陆阶段的物理模拟，其步骤如下：

A、通过X方向驱动电机37的转动，实现视觉验证测试系统39在X轴方向的转动；

B、通过Y方向驱动电机36的转动，实现视觉验证测试系统39在Y轴方向的转动；

C、通过Z方向驱动电机32的转动，实现视觉验证测试系统39在Z轴方向的转动；

D、通过X方向单轴机器人30的作用，实现视觉验证测试系统39在X轴方向的移动；

E、通过Y方向单轴机器人28的作用，实现视觉验证测试系统39在Y轴方向的移动；

F、步骤A、B、C、D、E形成五自由度运动机构2，五自由度运动机构2通过五自由度运动机构机架8和相互配合使用的导轨11、滑块12设置在支撑立柱5上，通过滑块12在导轨11上的上下移动，实现视觉验证测试系统39在Z轴方向上的移动；

G、快速下降机构驱动电机20转动，带动主动齿轮21和从动齿轮14的转动，并在齿条17的作用下实现楔形块19沿X轴的移动，楔形块19逐渐放开对四个滑块12的支撑作用使五自由度运动机构2加速度逐渐增大，速度不断增加，其高度快速下降，滑块12完全脱离楔形块19，五自由度运动机构2进行一段自由落体运动，五自由度运动机构2以高速运动到快速下降机构1的结束位置，完成快速下降阶段的模拟；

H、五自由度运动机构2经过快速下降阶段后，高速碰撞四个处于同一高度的弹簧阻尼缓冲减震系统27，四个弹簧阻尼缓冲减震系统27同时产生沿Z轴向下的压缩位移，并快速吸收五自由度运动机构2的动能，弹簧阻尼缓冲减震系统27的弹簧42在吸收动能过程先被压缩，然后再逐渐恢复到与支撑五自由度运动机构2的平衡位置，弹簧阻尼缓冲减震系统27处于平衡位置，五自由度运动机构2的动能全部被吸收，五自由度运动机构2的动能为零，运行速度为零，完成地效悬停阶段的模拟；

I、五自由度运动机构2经过地效悬停阶段后，步进电机26带动滚珠丝杆25的转动，五自由度运动机构2随悬停缓慢着陆机构连接板24缓慢下落，五自由度运动机构2与弹簧阻尼缓冲减震系统27的阻尼器43上端面接触，弹簧阻尼缓冲减震系统27吸收缓慢下降过程中步进电机26输出转动不平稳或外界干扰造成的震动，完成缓慢着陆阶段的模拟。

视觉验证测试系统39为视觉导航测试云台，人员能够把检测器材设置在视觉导航测试云台，并结合本实用新型实现无人航天器着陆过程的检测。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备，包括平台支撑机构及由上至下依次设置在平台支撑机构上的快速下降机构、五自由度运动机构和悬停缓慢着陆机构，其特征是：所述平台支撑机构包括通过螺钉连接的支撑立柱和平台底座，所述支撑立柱通过设置在所述支撑立柱上的导向滑动机构与五自由度运动机构中的五自由度运动机构机架连接，所述支撑立柱通过螺钉与所述快速下降机构中的快速下降机构安装板连接，所述支撑立柱通过螺钉与所述悬停缓慢着陆机构中呈U型结构的悬停缓慢着陆机构安装板连接。

2.根据权利要求1所述的颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备，其特征是：所述导向滑动机构包括设置在支撑立柱上的导轨及与导轨配合使用的滑块，所述滑块与所述五自由度运动机构机架固定连接，所述支撑立柱的轴线与平台底座垂直，且所述支撑立柱为四个，并分别设置在呈长方形结构的平台底座的四角处。

3.根据权利要求1所述的颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备，其特征是：所述快速下降机构安装板为两个，且两个快速下降机构安装板通过穿过所述两个快速下降机构安装板中部的传动轴连接，所述传动轴两端均设置有从动齿轮，所述从动齿轮上下两侧均设置有通过直线导轨及与直线导轨配合使用的直线滑块与快速下降机构安装板连接的齿条，所述齿条与直线滑块之间设置有楔形块连接板，所述楔形块连接板一端设置有楔形块，所述楔形块设置在快速下降机构安装板的两侧，所述两个快速下降机构安装板中的其中一个设置有与从动齿轮齿合的主动齿轮，主动齿轮与快速下降机构驱动电机连接。

4.根据权利要求1所述的颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备，其特征是：所述悬停缓慢着陆机构安装板通过设置在悬停缓慢着陆机构安装板上的竖直滑道及与竖直导轨配合使用的竖直滑块设置有悬停缓慢着陆机构连接板，所述悬停缓慢着陆机构连接板上设置有贯穿螺纹孔，且螺纹孔内设置有与之配合使用的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠通过联轴器与固定在悬停缓慢着陆机构安装板上的步进电机连接，所述悬停缓慢着陆机构连接板的两端设置有弹簧阻尼缓冲减震系统，所述弹簧阻尼缓冲减震系统包括锁紧螺母、安装座及设置在安装座上的弹簧和阻尼器。

5.根据权利要求1所述的颠簸环境下无人航天器着陆模拟专用设备，其特征是：所述五自由度运动机构机架上通过Y方向单轴机器人设置有Y方向滑架，所述Y方向滑架上通过X方向单轴机器人设置有X方向滑架，所述X方向滑架上设置有互相齿合的Z轴转动主动齿轮和Z轴转动从动齿轮，所述Z轴转动主动齿轮通过穿过X方向滑架的键同轴与Z方向驱动电机连接，所述Z轴转动从动齿轮通过穿过X方向滑架和轴承的Z轴转动轴与Z方向转动板连接，所述Z方向转动板上设置有Y方向驱动电机，所述Y方向驱动电机通过贯穿Z方向转动板的转轴与Y方向转动板连接，所述Y方向转动板上设置有X方向驱动电机，所述X方向驱动电机与贯穿Y方向转动板的转轴与X方向转动板连接，所述X方向转动板上设置有视觉验证测试系统，所述X方向转动板、Y方向转动板和Z方向转动板均为L型结构。