一种三自由度直升机实时仿真平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可用于自动控制和直升机实验的三自由度直升机实时仿真平台，其包括机械本体、螺旋桨、直流无刷电机、位置传感器、联轴器、集电环、平衡块、电源，其中机械本体包括基座、旋转轴、俯仰轴、横侧轴、铰链；基座包括上支撑板、下支撑板、四个支撑柱、圆锥滚子轴承、轴承座；两个直流电机安装在三自由度直升机横侧轴的上分别驱动两个螺旋桨，位置传感器分别用来采集直升机的俯仰角、旋转角、旋转速度以及横侧角数据。本实验系统能满足自动控制和直升机的相关算法验证和课程教学需要，同时可以对直升机动力系统和电子系统的原理进行模拟，验证不同控制策略的性能。
【专利说明】一种三自由度直升机实时仿真平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种三自由度直升机实时仿真平台，尤其是涉及用于自动控制和直升机控制策略验证的实时仿真平台。
【背景技术】
[0002]由于军事、民生等各方面要求的日益提高，直升机的各项性能也逐渐提高，如直升机飞行控制技术的迅速发展，就大大改善了现代直升机的飞行品质，提高了现代直升机的战场生存性。在实际飞行实验之前，考虑到安全和经济环保等因素，通常都会对直升机进行模型仿真飞行实验，这样即节省了人力、财力、物力和时间，还能对直升机实际试飞结果有一定的预测作用，也为直升机飞行控制系统方面的关键问题和技术的研究提供了方便。此夕卜，在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及其实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。三自由度直升机就是这样一个被控对象，其本身是一个自然不稳定体，在控制过程中能有效地反映控制中的许多关键问题，如非线性问题、鲁棒性问题、随动问题等，可以进行自动控制算法和直升机控制实验验证。
[0003]目前市面上的三自由度直升机的旋转轴部分一般采用二层架构，增加了机体的重量，便携性能差；三个转动轴均安装有轴承，也增加了机体的重量和生产成本；平衡机构主要通过螺纹孔位置的来调节配重块的位置，由于螺纹孔之间有一定间隔，因此很难使配重块刚好与机头平衡，无法使俯仰轴处于自然水平状态，因此需要人工干预才能进行俯仰轴零位的标定，并且使得三自由度直升机在进行俯仰运动的时候需要螺旋桨输出更大的抬升力。
【发明内容】
[0004]为了提高直升机设计的成功率，在实际飞行前，对直升机模型进行仿真飞行实验，以及对不同控制系统的性能进行验证，本实用新型提供了一种可用于自动控制算法和直升机实验验证的三自由度直升机实时仿真平台。
[0005]本实用新型可用于自动控制和直升机实验的三自由度直升机实时仿真平台包括机械本体1、螺旋桨I 2、螺旋桨II 7、直流无刷电机I 3、直流无刷电机II 8、位置传感器
I4、位置传感器II 23、位置传感器III 24、集电环5、平衡块6、电源13，其中机械本体1包括基座9、旋转轴10、俯仰轴11、横侧轴12，两个直流无刷电机I 3、直流无刷电机II 8分别安装在横侧轴12两端，螺旋桨I 2、螺旋桨II 7安装在直流无刷电机I 3、直流无刷电机Π8上并由其驱动，横侧轴12通过铰链II 26设置在俯仰轴11 一端，俯仰轴11另一端装有平衡块6，俯仰轴11通过铰链I 25安装在旋转轴10上，铰链I 25与旋转轴10固连，集电环5安装在旋转轴10上，止转片20安装在上基座5上并与集电环5外壳固连，旋转轴10固定于基座9上，电源13设置在基座9上，在俯仰轴11和横侧轴12连接处设置有位置传感器III 24，在俯仰轴11和铰链I 25连接处设置有位置传感器II 23，旋转轴10下部装有位置传感器I 4，位置传感器II 23、位置传感器III 24分别通过联轴器I 21、联轴器II 22与连接，联轴器I 21、联轴器II 22在紧定螺钉的作用下其两端分别与位置传感器II 23、位置传感器III 24和铰链I 25、铰链II 26抱死。
[0006]其中所述基座9包括上支撑板14、下支撑板15、四个支撑柱16、圆锥滚子轴承17、轴承座18，上支撑板14和下支撑板15通过四个支撑柱16支撑，圆锥滚子轴承17安装于轴承座18内，轴承座18固定在下支撑板15上，旋转轴10安装在圆锥滚子轴承17内，位置传感器I 4设置在轴承座18上方，弹簧板19装在位置传感器I 4的下表面，限制该传感器外圈的转动。
[0007]本实用新型中所述位置传感器I为增量式编码器，位置传感器II与位置传感器III均为绝对式编码器。
[0008]本实用新型中所述集电环采用过孔式集电环，安装于上支撑板上方的旋转轴上。
[0009]本实用新型具有的有益效果是:
[0010]1、可以对直升机的控制算法进行仿真验证。
[0011]2、基于采用单层架构，减轻了整机重量，降低了系统功耗。
[0012]3、俯仰轴和横侧轴的旋转运动由铰链支撑，可以减轻整机重量同时也可以降低制造成本。
[0013]4、配重块可以在俯仰轴上连续滑动，便于标定俯仰轴的零位，并减小需要的抬升力。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型装置的结构示意图；
[0015]图2是本实用新型基座的部分结构示意图；
[0016]图3是本实用新型旋转轴与俯仰轴连接示意图；
[0017]图4是本实用新型俯仰轴与横侧轴连接示意图；
[0018]图中:1是机械本体，2是螺旋奖I，3是直流无刷电机，4是位置传感器1、5是集电环，6是平衡块，7是螺旋奖II，8是直流无刷电机II，9是基座，10是旋转轴，11是俯仰轴，12是横侧轴，13是电源，14是上支撑板，15是下支撑板，16是支撑柱，17是圆锥滚子轴承，18是轴承座，19是弹簧板，20是止转片，21是联轴器I，22是联轴器II，23是位置传感器II，24是位置传感器III，25是铰链I，26是铰链II。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，但本实用新型保护范围不局限于所述内容。
[0020]本实用新型主要包括机械本体1、螺旋桨I 2、螺旋桨II 7、直流无刷电机I 3、直流无刷电机II 8、位置传感器I 4、集电环5、平衡块6、电源13，其中机械本体1包括基座9、旋转轴10、俯仰轴11、横侧轴12，两个直流无刷电机I 3、直流无刷电机II 8分别安装在横侧轴12两端，螺旋桨I 2和螺旋桨II 7分别安装在直流无刷电机I 3、直流无刷电机II 8上并由其驱动，横侧轴12通过铰链II 26安装在俯仰轴11 一端，俯仰轴11另一端装有平衡块6，俯仰轴11通过铰链I 25安装在旋转轴10上，铰链I 25与旋转轴10焊接，集电环5安装在旋转轴10上，止转片20安装在上基座5上并与集电环5外壳固连，旋转轴10固定于基座9上，电源13设置在基座9上，在俯仰轴11和横侧轴12连接处设置有位置传感器III 24，在俯仰轴11和铰链I 25连接处设置有位置传感器II 23，旋转轴10下部装有位置传感器
I4，位置传感器II 23、位置传感器III 24分别通过联轴器21、联轴器22与铰链I 25、铰链
II26连接，其中联轴器21在紧定螺钉的作用下两端分别与位置传感器II 23和铰链I 25抱死，联轴器22在紧定螺钉的作用下两端分别与位置传感器III 24和铰链II 26抱死；基座9包括上支撑板14、下支撑板15、四个支撑柱16、圆锥滚子轴承17、轴承座18，上支撑板14和下支撑板15通过四个支撑柱16支撑，圆锥滚子轴承17安装于轴承座18内，轴承座18固定在下支撑板15上，旋转轴10安装在圆锥滚子轴承17内，位置传感器I 4设置在轴承座18上方，弹簧板19装在位置传感器I 4的下表面，限制该传感器外圈的转动(见图1、2、3、4)。
[0021]直流无刷电机3和直流无刷电机8分别驱动螺旋桨I 2和螺旋桨II 7转动，并分别产生大小不等的向上的升力，螺旋桨I 2和螺旋桨II 7升力之和使得俯仰轴11在平衡块6的共同作用下以铰链I 25为支点旋转，产生俯仰角，而升力之差使得横侧轴12围绕铰链
II26为支点旋转，最终维持一个横测角。此时由于螺旋桨I 2和螺旋桨II 7的升力方向始终垂直于横侧轴12，因此随着横侧轴12的偏转螺旋桨I 2和螺旋桨II 7的升力方向发生变化，其升力分解产生的垂直水平方向的力依然作用于俯仰轴11、横侧轴12，产生俯仰角、横测角，而该升力分解后的切向力则驱动旋转轴10带动俯仰轴11、横侧轴12 —起旋转。
[0022]在对控制系统算法或直升飞机进行仿真验证时，可以在运行系统前对运动控制卡进行编程。运动控制卡通过USB线与PC机连接，此时运动控制卡由USB供电，将电调电源上电后，PC机运行程序启动三自由度直升机系统，设置其俯仰角、横侧角、旋转速度，运动控制卡根据上位机所设置的数据输出控制量至电调，电调控制直流无刷电机I 3和直流无刷电机II 8的转速，直流无刷电机I 3和直流无刷电机II 8转速发生改变导致螺旋桨I 2和螺旋桨II 7升力发生变化，从而直升机三个轴的姿态以及旋转轴10的速度发生变化。三个位置传感器分别将直升机旋转轴10、俯仰轴11、横侧轴12的姿态以及旋转轴10的速度反馈至PC机，构成控制系统的闭环控制，实现对三自由度直升机的姿态和速度控制。
【权利要求】
1.一种三自由度直升机实时仿真平台，其特征在于:其包括机械本体(I)、螺旋桨I(2)、螺旋桨II(7)、直流无刷电机I (3)、直流无刷电机II (8)、位置传感器I (4)、位置传感器II (23)、位置传感器111(24)、集电环(5)、平衡块(6)、电源(13)，其中机械本体(I)包括基座(9 )、旋转轴(10 )、俯仰轴(11)、横侧轴(12 )，两个直流无刷电机I (3 )、直流无刷电机II(8)分别安装在横侧轴(12)两端，螺旋桨I (2)、螺旋桨II (7)安装在直流无刷电机I(3)、直流无刷电机II(8)上并由其驱动，横侧轴(12)通过铰链II (26)设置在俯仰轴(11)一端，俯仰轴(11)另一端装有平衡块(6 )，俯仰轴(11)通过铰链1(25)安装在旋转轴(10 )上，铰链I (25)与旋转轴(10)固连，集电环(5)安装在旋转轴(10)上，止转片(20)安装在上基座(5)上并与集电环(5)外壳固连，旋转轴(10)固定于基座(9)上，电源(13)设置在基座(9)上，在俯仰轴(11)和横侧轴(12)连接处设置有位置传感器III(24),在俯仰轴(11)和铰链I (25)连接处设置有位置传感器II (23)，旋转轴(10)下部装有位置传感器I (4)，位置传感器II (23)、位置传感器111(24)分别通过联轴器I (21)、联轴器II (22)与铰链I(25)、铰链II (26)连接，联轴器I (21)、联轴器II (22)在紧定螺钉的作用下其两端分别与位置传感器II (23)、位置传感器III (24)和铰链I (25)、铰链II (26)抱死。
2.根据权利要求1所述的三自由度直升机实时仿真平台，其特征在于:基座(9)包括上支撑板(14)、下支撑板(15)、四个支撑柱(16)、圆锥滚子轴承(17)、轴承座(18)，上支撑板(14)和下支撑板(15)通过四个支撑柱(16)支撑，圆锥滚子轴承(17)安装于轴承座(18)内，轴承座(18)固定在下支撑板(15)上，旋转轴(10)安装在圆锥滚子轴承(17)内，位置传感器I (4)设置在轴承座(18)上方，弹簧板(19)装在位置传感器I (4)的下表面。
【文档编号】B64F5/00GK204056316SQ201420438926
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】杨慧萍, 高贯斌, 那靖 申请人:昆明理工大学