一种模拟空中两机加油对接实验平台的制作方法

本发明属于飞行器飞行模拟教学技术领域，尤其涉及一种模拟空中两机加油对接实验平台。

背景技术：

空中加油技术一直在航空领域具有举足轻重的地位，这对于增加飞机的飞行时间，增长飞行距离具有重要意义。随着航空事业的不断发展，更加复杂的飞行任务也迫切需要飞机具有更长的续航能力，因此，完善更加成熟的空中加油对接技术至关重要。

常见的空中加油方式有两种,硬式加油和软式加油。软式加油易受气流扰动，对接困难，而刚性加油意味着在加油过程中，必须确保相对静止，需要极高的控制精度，难度更大，稍有不慎，可能导致机毁人亡。

我国空中加油技术起步较晚，因此，建立一套模拟空中两机加油对接实验平台对于验证加油对接算法的可行性很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的在教学中无相关模拟装置的问题，而提出的一种模拟空中两机加油对接实验平台。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种模拟空中两机加油对接实验平台，包括床身、x轴齿条垫板、受油机系统和加油机系统，x轴齿条垫板位于床身内，受油机系统和加油机系统位于床身上沿x轴齿条垫板移动，受油机系统和加油机系统两者结构相同；

所述受油机系统或加油机系统包括滑块、x轴拖板、x轴步进电机、y轴拖板、y轴步进电机，限位开关、z轴直线步进电机、导柱、方位电机安装板、外框、俯仰轴力矩电机、俯仰轴编码器、中框、内框、滚转轴力矩电机、滚转轴编码器；

所述x轴步进电机位于x轴拖板上，x轴拖板通过滑块在x轴齿条垫板上移动；

所述y轴拖板位于x轴拖板上，y轴拖板的运动方向与x轴拖板的运动方向相互垂直，所述y轴步进电机、限位开关、z轴直线步进电机、导柱均安装在y轴拖板上，所述方位电机安装板安装于导柱上，由z轴直线步进电机控制升降；

所述外框位于方位电机安装板上，所述俯仰轴力矩电机和俯仰轴编码器分别安装在外框两侧，所述中框位于外框中间位置，所述内框安装在中框内侧，通过轴连接，所述滚转轴力矩电机安装在中框外侧；

所述滚转轴编码器安装在滚转轴力矩电机电机轴上，所述内框上可放置摄像头或缩比模型飞行器。

作为更进一步的优选方案，所述x轴拖板的侧边设有x轴磁栅尺读数头，所述y轴拖板的侧边设有y轴磁栅尺读数头。

作为更进一步的优选方案，所述y轴拖板上还设有微动开关支架，限位开关位于微动开关支架上。

作为更进一步的优选方案，所述方位电机安装板的底部设有激光传感器。

作为更进一步的优选方案，所述外框与方位电机安装板之间还设有dd马达。

有益效果：

1.本实验平台将空中加油对接的理论知识转化为具体的实物操作，弥补了当前空中加油基础课程教育实验教具的空缺，提高了教学效率和质量。

2.本实验平台模拟了飞机的六个自由度状态，无论是加油机模块还是受油机模块，每个自由度都可进行控制，可独立进行运动也可同时运动，模拟仿真度高。同时采用高精度的编码器，使得读取数据更加准确，有利于算法的验证。上位机监控加油机与受油机的各个姿态角信息，并根据加油对接情况可以进行实时调整。

3.减少成本投入：在真机试验前先对算法进行验证，避免因算法失误而造成的经济损失。

附图说明

图1是本发明的整体架构图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的左视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明的总控模块原理示意图；

图6是本发明的加油机和受油机控制模块原理示意图；

其中，1-床身，2-滑块，3-x轴拖板，4-x轴步进电机，5-x轴磁栅尺读数头，6-x轴齿条垫板，7-y轴拖板，8-y轴步进电机，9-y轴磁栅尺读数头，10-微动开关支架，11-限位开关，12-z轴直线步进电机，13-导柱，14-方位电机安装板，15-激光传感器，16-dd马达，17-外框，18-俯仰轴力矩电机，19-俯仰轴编码器，20-中框，21-内框，22-滚转轴力矩电机，23-滚转轴编码器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施方式，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。

如图1所示，加油对接实验台可分为机械设计部分与电气控制部分。

机械设计部分主要由两个可以模拟六自由度的运动平台组成，即受油机运动平台和加油机运动平台，以伺服电机为对象来模拟每个自由度的运动状态，反馈部分采用磁栅尺读头、激光传感器、高精度绝对式编码器等以保证精度。每个运动平台都有相应的控制模块，通过控制模块发送操纵量给运动平台，运动平台通过编码器、磁栅尺读头、激光传感器将位置信息反馈给控制模块。

如图6所示，所述伺服电机中除了力矩电机是自行设计的h桥驱动外，其他所有电机都配有电机驱动器。

电气控制部分是基于stm32单片机平台设计，分为受油机控制模块、加油机控制模块和总控模块。每个控制模块都满足直流9v~36v的输入电压范围，且都搭载了eeprom，具有断电保存数据的功能。前两个模块执行对六自由度平台的运动控制及位置读取，总控模块主要进行指令下达，获取姿态信息，以及通过udp与上位机通信来查看位置曲线。

如图5所示，本发明为了提高通信的实时性，通过sdr400高速数传电台，采用了“一对一”的通信方式，即总控模块上搭载了两个sdr400数传电台，分别与加油机/受油机控制模块进行数据交互，保证了实时性。

其中，sdr400可通过at指令进行通信方式的配置，本发明配置如下：将总控模块上的两个sdr400分别配置成主站1和主站2，将加油机控制模块配置成从站1，受油机控制模块配置成从站2，其中，主从对应才能进行通信，总控模块可同时对两个控制模块进行数据收发，而总控模块与上位机是采用udp通信，同时总控模块也预留了rs422接口。

所述的上位机，主要有以下几个功能：一是实现整个实验台的回零操作；二是上位机界面设置了微调按钮，可单独对每个自由度的位置进行修正；三是可查看各个平台的位置曲线，通过它们的相对位置来得出相应的操作指令；四是输出打印，实验获得数据以及曲线可进行打印，方便后面的数据记录与分析。

整个实验平台上电有三个开关，一个是总开关，控制整个实验平台，安装在床身短边一侧；一个是受油机运动平台控制开关，控制受油机运动平台的得电，安装在受油机运动平台的x轴拖板下侧；一个是加油机运动平台控制开关，控制加油机运动平台的得电，安装在加油机的x轴拖板下侧。后两个开关又分别接上了延时继电器，使得每个自由度的电机依次上电，避免因同时上电时启动电流过大而导致的跳闸。

如图2、图3、图4所示，两个六自由度运动模块通过滑块2安装在床身1上，六自由度运动平台自下而上为x轴拖板3，x轴拖板3长边一侧装有x轴步进电机4，长边另一侧装有x轴磁栅尺读头5，其中x轴磁栅尺装在x轴齿条垫板6上。

y轴拖板7通过滑块装在x轴拖板3上，在y轴拖板7的短边一侧装有y轴步进电机8，该电机通过齿轮与装在x轴拖板3上的斜齿条配合，能使y轴拖板7在x轴拖板3上进行移动，同时y轴拖板7在沿移动方向上的一侧设有y轴磁栅尺读头9，而y轴磁栅尺安装在下面的x轴拖板3上。在y轴拖板7上，靠近y轴步进电机8的一侧装有微动开关支架10，上面设有两个限位开关11；靠中间位置处装了z轴外部驱动式的z轴直线步进电机12。其中，电机的四周通过四个导柱13支撑上面的方位电机安装板14，在安装板的下侧设有激光传感器15，安装板的侧边装有微动开关碰座，安装板上面放置dd马达16。在dd马达16上面，通过外框安装板放置外框17，外框的右端通过俯仰右半轴连接俯仰轴力矩电机18，外框的左端通过俯仰左半轴连接俯仰轴编码器19，外框17中间通过轴连接中框20。在中框20中间过孔设有滚转轴，轴的两端分别连接内框21和滚转轴力矩电机22，其中，力矩电机上通过轴连接滚转轴编码器23，内框21上可以放置摄像头或缩比模型飞行器，来模拟加油机或受油机。

如图6所示，x轴步进电机4、y轴步进电机8、z轴直线步进电机12、dd马达16都是通过控制模块给电机驱动器pwm信号来驱动电机运动，驱动器上有方向接口，比如高电平正转，低电平反转。俯仰轴力矩电机18和滚转轴力矩电机22则是通过控制模块产生互补pwm直接驱动电机运动，方向和转速都是通过占空比进行控制；dd马达驱动器自带角度反馈。

模拟空中两机加油对接实验平台采用步进电机模拟x轴、y轴和z轴运动，对于x轴和y轴，由于进行水平移动，因此采用了磁栅尺，通过磁栅尺读数头进行位置的读取；对于z轴的垂直运动，采用了激光传感器，位置读取准确。对于俯仰轴和滚转轴，选用了力矩电机作为执行机构，这两个力矩电机可进行短暂的堵转，适合模拟飞行姿态，同时反馈采用了高精度的绝对式编码器。对于偏航轴，通过一高精度的dd马达来模拟偏航转动，在选用不同的飞行器模拟空中加油时，可通过与其适配的伺服驱动器进行编程调整，使得dd马达能够工作在理想状态，反馈信息由伺服驱动器中的增量式编码器测量得到。

如图5所示，本发明的总控模块采用基于stm32f407vgt6为主控芯片，用于接收、解析上位机以及加油机/受油机控制模块发过来的信息，与pc平台通信可选择udp与rs422两种模式。

如图6所示，模拟空中两机加油对接实验平台的加油机/受油机控制部分都采用基于stm32f407zgt6为主控芯片，用于接收、解析总控模块发过来的信息，可快速生成四路pwm信号和两路互补pwm信号，结合电机驱动器，共同完成对每个自由度的运动控制。此外，该芯片配置了编码器接口和spi接口用来读取磁栅尺及编码器信息，通过串口来读取激光传感器数据，板上搭载的sdr400模块实现与总控模块之间的通信。

利用本实验平台，结合空中两机加油对接的理论知识，该实验平台能模拟空中加油对接，且每个模块的控制器可进行编程，能对不同的空中加油算法进行验证，主要完成以下几个实验：

1.空中两机加油对接认知实验

对于空中加油机与受油机的不同飞行姿态，在加油对接时该如何调整，可以利用pc平台上的上位机软件，通过输入指令进行姿态调整，以满足最合适的加油对接状态，在这个过程，可以加深用户对空中两机加油对接过程的认知。

2.空中两机加油对接算法验证实验

由于整个实验平台拥有三个控制模块：加油机控制模块、受油机控制模块和总控模块，在进行算法验证时，可以向前两个模块烧写程序，通过总控模块下达指令，观测加油对接的情况，同时可以观看上位机所采集到的姿态数据曲线，验证算法是否符合要求。当算法存在缺陷时，避免用真机测试算法发生意外事故，造成巨大的经济损失，从而减小研发成本。

实施例过程：

一、以回零操作为例

具体步骤如下：将整个实验台上电，打开上位机界面，界面上有一键回零按钮，点击即可。这时，所有驱动器及控制板均有信号，x轴步进电机4通过齿轮连接带动x轴拖板3在床身1上移动，x轴磁栅尺读数头5实时读取x轴位置信息；y轴步进电机8也是通过齿轮连接带动y轴拖板7在x轴拖板3上移动，y轴磁栅尺读数头9实时读取y轴位置信息；z轴直线步进电机12通过电机轴、导柱13以及圆法兰直线轴承使得包括方位电机安装板14及以上部分进行上下移动，激光传感器15实时读取高度信息；dd马达16和外框17一起转动，转动到零位停止；俯仰轴力矩电机18通过轴使得中框20保持在水平位置，俯仰轴编码器19实时读取俯仰角度；滚转轴力矩电机22通过轴使得内框21保持在水平位置，滚转轴编码器23实时读取滚转角度。加油机运动平台与受油机运动平台工作原理类似，当接收到回零指令，整个实验平台便回到初始状态。

二、以姿态微调为例：

例如现在将加油机运动平台在z轴方向向上移动10cm，受油机运动平台模型飞机的俯仰角保持在10°。

具体步骤如下：将整个实验台上电，打开上位机界面，输入相应的指令（在加油机运动平台的对话框中，找到z轴，在后面输入10；在受油机运动平台的对话框中，找到俯仰角，在后面输入10，最后点击上位机中的姿态微调按钮），这时，加油机控制模块将移动指令发送给z轴电机驱动器，驱动器驱动z轴直线步进电机12开始向上移动，在电机驱动下，方位电机安装板14上方的所有部件向上移动，方位电机安装板14下方的激光传感器15实时测量高度变化，并将高度信息反馈给上位机。若在移动的过程中，限位挡块碰到限位开关11，则电机停止运动，并在下次输入指令时，只能按照相反的方向运动；与此同时，受油机控制模块通过生成的互补pwm直接驱动俯仰轴力矩电机18转动，由于该力矩电机可以堵转，此时，中框20与滚转轴力矩电机22达到一个新的平衡状态，此时的俯仰角应为10°，俯仰轴编码器19也将测量的实际角度反馈给上位机。当操作其他轴的电机时，工作原理类似。

三、验证算法时

具体步骤如下：将整个实验台上电，通过下载器将需验证的算法下载到控制模块中，点击上位机上的启动按钮，两个平台便开始运动，所有传感器包括x轴磁栅尺读数头5、y轴磁栅尺读数头9、激光传感器15、dd马达驱动器、俯仰轴编码器19、滚转轴编码器23将位置信息发送给上位机，通过曲线来查看加油对接情况的，从而验证算法的可行性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。