一種三自由度直升機實時仿真平臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可用于自動控制和直升機實驗的三自由度直升機實時仿真平臺，其包括機械本體、螺旋槳、直流無刷電機、位置傳感器、聯(lián)軸器、集電環(huán)、平衡塊、電源，其中機械本體包括基座、旋轉軸、俯仰軸、橫側軸、鉸鏈；基座包括上支撐板、下支撐板、四個支撐柱、圓錐滾子軸承、軸承座；兩個直流電機安裝在三自由度直升機橫側軸的上分別驅(qū)動兩個螺旋槳，位置傳感器分別用來采集直升機的俯仰角、旋轉角、旋轉速度以及橫側角數(shù)據(jù)。本實驗系統(tǒng)能滿足自動控制和直升機的相關算法驗證和課程教學需要，同時可以對直升機動力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的原理進行模擬，驗證不同控制策略的性能。
【專利說明】一種三自由度直升機實時仿真平臺

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種三自由度直升機實時仿真平臺，尤其是涉及用于自動控制和直升機控制策略驗證的實時仿真平臺。

【背景技術】
[0002]由于軍事、民生等各方面要求的日益提高，直升機的各項性能也逐漸提高，如直升機飛行控制技術的迅速發(fā)展，就大大改善了現(xiàn)代直升機的飛行品質(zhì)，提高了現(xiàn)代直升機的戰(zhàn)場生存性。在實際飛行實驗之前，考慮到安全和經(jīng)濟環(huán)保等因素，通常都會對直升機進行模型仿真飛行實驗，這樣即節(jié)省了人力、財力、物力和時間，還能對直升機實際試飛結果有一定的預測作用，也為直升機飛行控制系統(tǒng)方面的關鍵問題和技術的研究提供了方便。此夕卜，在控制理論發(fā)展的過程中，某一理論的正確性及其實際應用中的可行性需要一個按其理論設計的控制器去控制一個典型對象來驗證。三自由度直升機就是這樣一個被控對象，其本身是一個自然不穩(wěn)定體，在控制過程中能有效地反映控制中的許多關鍵問題，如非線性問題、魯棒性問題、隨動問題等，可以進行自動控制算法和直升機控制實驗驗證。
[0003]目前市面上的三自由度直升機的旋轉軸部分一般采用二層架構，增加了機體的重量，便攜性能差；三個轉動軸均安裝有軸承，也增加了機體的重量和生產(chǎn)成本；平衡機構主要通過螺紋孔位置的來調(diào)節(jié)配重塊的位置，由于螺紋孔之間有一定間隔，因此很難使配重塊剛好與機頭平衡，無法使俯仰軸處于自然水平狀態(tài)，因此需要人工干預才能進行俯仰軸零位的標定，并且使得三自由度直升機在進行俯仰運動的時候需要螺旋槳輸出更大的抬升力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高直升機設計的成功率，在實際飛行前，對直升機模型進行仿真飛行實驗，以及對不同控制系統(tǒng)的性能進行驗證，本實用新型提供了一種可用于自動控制算法和直升機實驗驗證的三自由度直升機實時仿真平臺。
[0005]本實用新型可用于自動控制和直升機實驗的三自由度直升機實時仿真平臺包括機械本體1、螺旋槳I 2、螺旋槳II 7、直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8、位置傳感器
I4、位置傳感器II 23、位置傳感器III 24、集電環(huán)5、平衡塊6、電源13，其中機械本體1包括基座9、旋轉軸10、俯仰軸11、橫側軸12，兩個直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8分別安裝在橫側軸12兩端，螺旋槳I 2、螺旋槳II 7安裝在直流無刷電機I 3、直流無刷電機Π8上并由其驅(qū)動，橫側軸12通過鉸鏈II 26設置在俯仰軸11 一端，俯仰軸11另一端裝有平衡塊6，俯仰軸11通過鉸鏈I 25安裝在旋轉軸10上，鉸鏈I 25與旋轉軸10固連，集電環(huán)5安裝在旋轉軸10上，止轉片20安裝在上基座5上并與集電環(huán)5外殼固連，旋轉軸10固定于基座9上，電源13設置在基座9上，在俯仰軸11和橫側軸12連接處設置有位置傳感器III 24，在俯仰軸11和鉸鏈I 25連接處設置有位置傳感器II 23，旋轉軸10下部裝有位置傳感器I 4，位置傳感器II 23、位置傳感器III 24分別通過聯(lián)軸器I 21、聯(lián)軸器II 22與連接，聯(lián)軸器I 21、聯(lián)軸器II 22在緊定螺釘?shù)淖饔孟缕鋬啥朔謩e與位置傳感器II 23、位置傳感器III 24和鉸鏈I 25、鉸鏈II 26抱死。
[0006]其中所述基座9包括上支撐板14、下支撐板15、四個支撐柱16、圓錐滾子軸承17、軸承座18，上支撐板14和下支撐板15通過四個支撐柱16支撐，圓錐滾子軸承17安裝于軸承座18內(nèi)，軸承座18固定在下支撐板15上，旋轉軸10安裝在圓錐滾子軸承17內(nèi)，位置傳感器I 4設置在軸承座18上方，彈簧板19裝在位置傳感器I 4的下表面，限制該傳感器外圈的轉動。
[0007]本實用新型中所述位置傳感器I為增量式編碼器，位置傳感器II與位置傳感器III均為絕對式編碼器。
[0008]本實用新型中所述集電環(huán)采用過孔式集電環(huán)，安裝于上支撐板上方的旋轉軸上。
[0009]本實用新型具有的有益效果是:
[0010]1、可以對直升機的控制算法進行仿真驗證。
[0011]2、基于采用單層架構，減輕了整機重量，降低了系統(tǒng)功耗。
[0012]3、俯仰軸和橫側軸的旋轉運動由鉸鏈支撐，可以減輕整機重量同時也可以降低制造成本。
[0013]4、配重塊可以在俯仰軸上連續(xù)滑動，便于標定俯仰軸的零位，并減小需要的抬升力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型裝置的結構示意圖；
[0015]圖2是本實用新型基座的部分結構示意圖；
[0016]圖3是本實用新型旋轉軸與俯仰軸連接示意圖；
[0017]圖4是本實用新型俯仰軸與橫側軸連接示意圖；
[0018]圖中:1是機械本體，2是螺旋獎I，3是直流無刷電機，4是位置傳感器1、5是集電環(huán)，6是平衡塊，7是螺旋獎II，8是直流無刷電機II，9是基座，10是旋轉軸，11是俯仰軸，12是橫側軸，13是電源，14是上支撐板，15是下支撐板，16是支撐柱，17是圓錐滾子軸承，18是軸承座，19是彈簧板，20是止轉片，21是聯(lián)軸器I，22是聯(lián)軸器II，23是位置傳感器II，24是位置傳感器III，25是鉸鏈I，26是鉸鏈II。

【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明，但本實用新型保護范圍不局限于所述內(nèi)容。
[0020]本實用新型主要包括機械本體1、螺旋槳I 2、螺旋槳II 7、直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8、位置傳感器I 4、集電環(huán)5、平衡塊6、電源13，其中機械本體1包括基座9、旋轉軸10、俯仰軸11、橫側軸12，兩個直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8分別安裝在橫側軸12兩端，螺旋槳I 2和螺旋槳II 7分別安裝在直流無刷電機I 3、直流無刷電機II 8上并由其驅(qū)動，橫側軸12通過鉸鏈II 26安裝在俯仰軸11 一端，俯仰軸11另一端裝有平衡塊6，俯仰軸11通過鉸鏈I 25安裝在旋轉軸10上，鉸鏈I 25與旋轉軸10焊接，集電環(huán)5安裝在旋轉軸10上，止轉片20安裝在上基座5上并與集電環(huán)5外殼固連，旋轉軸10固定于基座9上，電源13設置在基座9上，在俯仰軸11和橫側軸12連接處設置有位置傳感器III 24，在俯仰軸11和鉸鏈I 25連接處設置有位置傳感器II 23，旋轉軸10下部裝有位置傳感器
I4，位置傳感器II 23、位置傳感器III 24分別通過聯(lián)軸器21、聯(lián)軸器22與鉸鏈I 25、鉸鏈
II26連接，其中聯(lián)軸器21在緊定螺釘?shù)淖饔孟聝啥朔謩e與位置傳感器II 23和鉸鏈I 25抱死，聯(lián)軸器22在緊定螺釘?shù)淖饔孟聝啥朔謩e與位置傳感器III 24和鉸鏈II 26抱死；基座9包括上支撐板14、下支撐板15、四個支撐柱16、圓錐滾子軸承17、軸承座18，上支撐板14和下支撐板15通過四個支撐柱16支撐，圓錐滾子軸承17安裝于軸承座18內(nèi)，軸承座18固定在下支撐板15上，旋轉軸10安裝在圓錐滾子軸承17內(nèi)，位置傳感器I 4設置在軸承座18上方，彈簧板19裝在位置傳感器I 4的下表面，限制該傳感器外圈的轉動(見圖1、2、3、4)。
[0021]直流無刷電機3和直流無刷電機8分別驅(qū)動螺旋槳I 2和螺旋槳II 7轉動，并分別產(chǎn)生大小不等的向上的升力，螺旋槳I 2和螺旋槳II 7升力之和使得俯仰軸11在平衡塊6的共同作用下以鉸鏈I 25為支點旋轉，產(chǎn)生俯仰角，而升力之差使得橫側軸12圍繞鉸鏈
II26為支點旋轉，最終維持一個橫測角。此時由于螺旋槳I 2和螺旋槳II 7的升力方向始終垂直于橫側軸12，因此隨著橫側軸12的偏轉螺旋槳I 2和螺旋槳II 7的升力方向發(fā)生變化，其升力分解產(chǎn)生的垂直水平方向的力依然作用于俯仰軸11、橫側軸12，產(chǎn)生俯仰角、橫測角，而該升力分解后的切向力則驅(qū)動旋轉軸10帶動俯仰軸11、橫側軸12 —起旋轉。
[0022]在對控制系統(tǒng)算法或直升飛機進行仿真驗證時，可以在運行系統(tǒng)前對運動控制卡進行編程。運動控制卡通過USB線與PC機連接，此時運動控制卡由USB供電，將電調(diào)電源上電后，PC機運行程序啟動三自由度直升機系統(tǒng)，設置其俯仰角、橫側角、旋轉速度，運動控制卡根據(jù)上位機所設置的數(shù)據(jù)輸出控制量至電調(diào)，電調(diào)控制直流無刷電機I 3和直流無刷電機II 8的轉速，直流無刷電機I 3和直流無刷電機II 8轉速發(fā)生改變導致螺旋槳I 2和螺旋槳II 7升力發(fā)生變化，從而直升機三個軸的姿態(tài)以及旋轉軸10的速度發(fā)生變化。三個位置傳感器分別將直升機旋轉軸10、俯仰軸11、橫側軸12的姿態(tài)以及旋轉軸10的速度反饋至PC機，構成控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實現(xiàn)對三自由度直升機的姿態(tài)和速度控制。
【權利要求】
1.一種三自由度直升機實時仿真平臺，其特征在于:其包括機械本體(I)、螺旋槳I(2)、螺旋槳II(7)、直流無刷電機I (3)、直流無刷電機II (8)、位置傳感器I (4)、位置傳感器II (23)、位置傳感器111(24)、集電環(huán)(5)、平衡塊(6)、電源(13)，其中機械本體(I)包括基座(9 )、旋轉軸(10 )、俯仰軸(11)、橫側軸(12 )，兩個直流無刷電機I (3 )、直流無刷電機II(8)分別安裝在橫側軸(12)兩端，螺旋槳I (2)、螺旋槳II (7)安裝在直流無刷電機I(3)、直流無刷電機II(8)上并由其驅(qū)動，橫側軸(12)通過鉸鏈II (26)設置在俯仰軸(11)一端，俯仰軸(11)另一端裝有平衡塊(6 )，俯仰軸(11)通過鉸鏈1(25)安裝在旋轉軸(10 )上，鉸鏈I (25)與旋轉軸(10)固連，集電環(huán)(5)安裝在旋轉軸(10)上，止轉片(20)安裝在上基座(5)上并與集電環(huán)(5)外殼固連，旋轉軸(10)固定于基座(9)上，電源(13)設置在基座(9)上，在俯仰軸(11)和橫側軸(12)連接處設置有位置傳感器III(24),在俯仰軸(11)和鉸鏈I (25)連接處設置有位置傳感器II (23)，旋轉軸(10)下部裝有位置傳感器I (4)，位置傳感器II (23)、位置傳感器111(24)分別通過聯(lián)軸器I (21)、聯(lián)軸器II (22)與鉸鏈I(25)、鉸鏈II (26)連接，聯(lián)軸器I (21)、聯(lián)軸器II (22)在緊定螺釘?shù)淖饔孟缕鋬啥朔謩e與位置傳感器II (23)、位置傳感器III (24)和鉸鏈I (25)、鉸鏈II (26)抱死。
2.根據(jù)權利要求1所述的三自由度直升機實時仿真平臺，其特征在于:基座(9)包括上支撐板(14)、下支撐板(15)、四個支撐柱(16)、圓錐滾子軸承(17)、軸承座(18)，上支撐板(14)和下支撐板(15)通過四個支撐柱(16)支撐，圓錐滾子軸承(17)安裝于軸承座(18)內(nèi)，軸承座(18)固定在下支撐板(15)上，旋轉軸(10)安裝在圓錐滾子軸承(17)內(nèi)，位置傳感器I (4)設置在軸承座(18)上方，彈簧板(19)裝在位置傳感器I (4)的下表面。
【文檔編號】B64F5/00GK204056316SQ201420438926
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權日:2014年8月6日
【發(fā)明者】楊慧萍, 高貫斌, 那靖 申請人:昆明理工大學