[發(fā)明專(zhuān)利]一種研究控制律用的二自由度直升機(jī)模擬器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410090315.X
• 申請(qǐng)日: 2014-03-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103823383A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 班曉軍;湯文;趙巖;盧鴻謙;尹航;黃顯林
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05B17/02
• 分類(lèi)號(hào): G05B17/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 高媛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種直升機(jī)模擬器，具體涉及一種用于研究控制律的二自由度直升機(jī)模擬器。

背景技術(shù)

帶旋翼的直升機(jī)模擬器是控制學(xué)科常用的控制對(duì)象，是研究控制律非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。不論是二自由度、三自由度或六自由度的直升機(jī)模擬器都具有非線性、強(qiáng)耦合等特性，并且由于設(shè)備中螺旋槳的存在，為系統(tǒng)又引入了空氣動(dòng)力的因素。所以很多控制領(lǐng)域的學(xué)者熱衷于研究此系統(tǒng)，并將設(shè)計(jì)出的控制律應(yīng)用到系統(tǒng)上。

國(guó)內(nèi)外旋翼類(lèi)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)量不少，總結(jié)出兩大類(lèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。一類(lèi)是基于航模領(lǐng)域的模型直升機(jī)，主體部分采用模型直升機(jī)，并為其設(shè)計(jì)配置底座，防止其摔毀并且采集其位置姿態(tài)信息；另一類(lèi)是整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)自制的，主體可分為擺動(dòng)臂和底座兩個(gè)部分，擺動(dòng)臂上固定連接螺旋槳的電機(jī)，底座為其提供支撐，并負(fù)責(zé)采集位置姿態(tài)信息。同其他控制領(lǐng)域常用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一樣，旋翼類(lèi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也有公司銷(xiāo)售商業(yè)產(chǎn)品，由于是批量生產(chǎn)，基本都是整體機(jī)械機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造；一些高校和研究機(jī)構(gòu)也會(huì)設(shè)計(jì)方便研究課題的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為了方便設(shè)計(jì)，多數(shù)是以模型直升機(jī)或四軸飛行器為主體的。

國(guó)內(nèi)外利用模型直升機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的，基本都是模型直升機(jī)為主體，在其基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)機(jī)械框架，通過(guò)傳感器采集位置或姿態(tài)信息，直接控制模型直升機(jī)的電機(jī)和舵機(jī)來(lái)控制其姿態(tài)，但這種方案存在一些問(wèn)題：1、模型直升機(jī)的電機(jī)是通用航模無(wú)刷電機(jī)，通過(guò)連接無(wú)線信號(hào)接收機(jī)的電子調(diào)速器控制，遙控器和信號(hào)接收機(jī)的工作頻率只有50Hz，對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)顯然不夠理想，會(huì)導(dǎo)致控制帶寬偏低，系統(tǒng)出現(xiàn)延時(shí)。2、標(biāo)準(zhǔn)模型直升機(jī)是只有一個(gè)電機(jī)的，用這個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)主旋翼和尾翼，所以兩個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速比是恒定的，具體的升力大小是利用舵機(jī)控制槳葉攻角來(lái)決定的，這一點(diǎn)多少也帶來(lái)了一些限制。3、安全和維護(hù)方面存在很大劣勢(shì)，一架模型直升機(jī)有幾十個(gè)螺絲釘，其中有不少需要經(jīng)常檢查，一些還需要涂抹螺絲膠來(lái)保證牢靠。模型直升機(jī)的主旋翼尺寸都比較大，而且是分立的兩片槳葉，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，一旦甩出后果是很?chē)?yán)重的，航模領(lǐng)域稱(chēng)其為“射槳”。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為解決現(xiàn)有用于研究控制律用的直升機(jī)模擬器存在控制信號(hào)帶寬偏低、系統(tǒng)出現(xiàn)延時(shí)、安全性差、維護(hù)不方便以及占用空間較大的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種研究控制律用的二自由度直升機(jī)模擬器。

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明的一種研究控制律用的二自由度直升機(jī)模擬器包括底座、立管、齒輪、立軸、桶形支撐座、第一碼盤(pán)、擺桿、第二碼盤(pán)、空心軸和兩個(gè)電動(dòng)機(jī)；立管固定在底座上，立管的上端固裝有桶形支撐座，桶形支撐座的封閉端與立管的上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，桶形支撐座的封閉端穿設(shè)有立軸且二者可拆卸連接，立管內(nèi)安裝有第二碼盤(pán)，第二碼盤(pán)的輸出軸安裝有齒輪，齒輪與立軸上加工的輪齒嚙合；

桶形支撐座的上部水平設(shè)有空心軸且二者轉(zhuǎn)動(dòng)連接，桶形支撐座的一側(cè)安裝有第一碼盤(pán)，第一碼盤(pán)的輸出軸與空心軸的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，擺桿穿過(guò)空心軸的中部且二者可拆卸連接，擺桿與空心軸的垂直設(shè)置，擺桿的兩端各安裝有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的軸向垂直，擺桿的一端安裝有配重塊，每個(gè)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝有雙槳葉螺旋槳，所述兩個(gè)電動(dòng)機(jī)均為直流無(wú)刷電機(jī)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的二自由度直升機(jī)模擬器，第二碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)自由度，第一碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺桿的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)第二自由度。本發(fā)明強(qiáng)度高，碼盤(pán)的安裝、電動(dòng)機(jī)以及螺旋槳的安裝問(wèn)題都做了很好的處理。從維護(hù)保養(yǎng)方面講，自行設(shè)計(jì)制造機(jī)械結(jié)構(gòu)比較牢靠。首先，角位置可以直接采用與立軸連接的第二碼盤(pán)測(cè)量，信號(hào)可以直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡加給上位機(jī)。電機(jī)的電源可以方便的采用直流電源，而且對(duì)于電機(jī)的選擇有很大余地，可以直接采用無(wú)刷直流電機(jī)，完全回避掉控制信號(hào)帶寬的問(wèn)題，遙控器和信號(hào)接收機(jī)的工作頻率范圍大，控制信號(hào)帶寬無(wú)限制。整個(gè)機(jī)體緊湊牢固可靠，維護(hù)方便，占用空間小，占用空間縮小了30%-40%。而且擺桿的設(shè)計(jì)可以擺脫現(xiàn)有模型直升機(jī)的大小限制，尺寸可大可小，適應(yīng)性好。

本發(fā)明可以作成高70cm，擺桿長(zhǎng)70cm的模擬器，擺桿可通過(guò)頂絲固定在空心軸上，當(dāng)松開(kāi)頂絲后，可以實(shí)現(xiàn)擺桿的前后串動(dòng)，以使俯仰臂和航向臂長(zhǎng)度不等，達(dá)到變結(jié)構(gòu)的目的。在俯仰臂上面有一配重塊，也可通過(guò)頂絲固定，當(dāng)松開(kāi)頂絲后可沿俯仰臂串動(dòng)。還可以用一個(gè)灌了水或者細(xì)沙的長(zhǎng)形容器，捆綁于擺桿上面，這樣在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)體數(shù)學(xué)模型的不確定連續(xù)變化，用以檢驗(yàn)控制律或者辨識(shí)算法的效果。另外，擺桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，這樣可以將平臺(tái)調(diào)整為單自由度的俯仰或者航向運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中用于進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)可實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生非線性，數(shù)學(xué)模型的不確定連續(xù)變化。