专利名称：微型无人直升机飞行姿态三维仿真转台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于模拟微型无人直升机三自由度飞行姿态的三维仿真转台。
背景技术：
微型无人直升机具有体积小、隐蔽性好，灵活性好，起飞着陆场地小，并可在空中有限范围内作悬停飞行等特点，具有相当广泛的商业和军事用途。无人直升机在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火和侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击、通信中继等方面都具有广泛的应用前景。
微型无人直升机的性能在很大程度上取决于它的飞行控制系统的设计。而地面飞行仿真试验是设计飞控系统时必不可少的重要步骤。三维仿真转台是半实物飞行仿真实验系统中的一个关键设备，它可以在实验室条件下真实地模拟微型无人直升机在空中实际飞行时三个自由度的各种姿态，复现其运动时的动力学特征，从而对它们的制导系统、控制系统及其相应器件的性能进行反复仿真和测试，获得试验数据，并据此对其进行重新设计和改进，达到总体设计的性能指标要求。
仿真转台性能的优劣直接关系到仿真试验可靠性和置信度，是保证航空、航天系统精度和性能的基础，因此对转台提出了较高的技术指标，这给仿真转台的整体制造水平和性能提出了新的课题，也给转台的系统设计与实现提出了更高的要求。用于航空航天试验的大型仿真试验转台在国内外研究已久，但价格昂贵、结构复杂、体积庞大，并且技术保密；并不适合微小型飞行器飞行仿真试验的需要。目前大型的转台设备大部分都是用液压驱动的，输出力矩大，功率密度高，但是需要液压油源等附属设备，极为不便。大部分转台设计为立式的开放架构，在重力作用下容易引起静态变形，会大大降低转台的精度。因此，研究一种实验室条件下的适用于微型无人直升机的三维飞行仿真转台具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种在实验室条件下可模拟微型无人直升机三维姿态的飞行仿真转台。本发明的微型无人直升机飞行姿态三维仿真转台，其特征在于包括以下组成部分
1)基座，在基座上固定有两块垂直且彼此相隔平行的墙板；2)外框组件，包括外框矩形框架、第一轴承、第二轴承、第一轴、第二轴和第一电机，第一轴承的外圈和第二轴承的外圈分别固定在基座的两块墙板上，第一轴和第二轴分别与第一轴承和第二轴承的内圈紧固，第一轴的一端和第二轴的一端分别与外框矩形框架的相对两边固定，第一轴的另一端通过联轴器与第一电机的轴相连；3)中框组件，包括中框矩形框架、第三轴承、第四轴承、第三轴、第四轴和第二电机，第三轴承的外圈和第四轴承的外圈分别固定在外框矩形框架的另外相对两边上，第三轴和第四轴分别与第三轴承和第四轴承的内圈紧固，第三轴的一端和第四轴的一端分别与中框矩形框架的相对两边固定，第三轴的另一端通过联轴器与第二电机的轴相连；4)内框组件，包括内框矩形框架、第五轴承、第六轴承、第五轴、第六轴和第三电机，第五轴承的外圈和第六轴承的外圈分别固定在中框矩形框架的另外相对两边上，第五轴和第六轴分别与第五轴承和第六轴承的内圈紧固，第五轴的一端和第六轴的一端分别与内框矩形框架的相对两边固定，第五轴的另一端通过联轴器与第三电机的轴相连。
上述第一、第二、第三电机均可采用带有高速光电编码器的伺服电机。
本发明的工作原理外框组件固定在基座上绕x轴运动，中框组件固定在外框架上绕y轴运动，内框组件固定在中框架上绕z轴运动，将飞机模型固定在内框架上。
三轴飞行姿态仿真转台可以有如下三种控制模式仿真模式、位置模式和速度模式仿真模式下，在进行地面仿真试验时，将微型无人直升机飞行过程所实测得的三维姿态角数据传送到上位机的控制系统中，该控制系统利用伺服电机上自带的高分辨率光电编码器作为反馈来精确控制三个伺服电机的转矩，使得三维仿真转台的内、中、外三个框架产生一定量的机械转角，分别复现飞行器的偏航、俯仰和横滚运动，以便安放在内框上面的飞机模型能够实时再现微型无人直升机的三维飞行姿态。或者把微型无人直升机飞行时的姿态角按照时间序列的方式记录下来，然后上位机通过读取此文件并转换为相应控制指令，实现离线仿真直升机的飞行姿态。
位置模式下，由上位机输入角度数据并发送位置指令到伺服电机，以控制三个框架作出对应的偏置。在此模式下，可以用来标定惯性传感器的精度。如，把需要标定的惯性传感器置于内框上，通过随机发送三维方向的指令控制三个框架进行三维运动，此时，通过测量惯性传感器的值来判断该传感器的读数是否正常可用。
速率模式下，仿真转台的三个框架可以根据上位机设定的速度参数连续运动。利用本发明的三维仿真转台可以实现一个轴在匀速转动的同时，另外两个轴做随机摆动的标定条件，这种方式可以满足某一类罗盘的标定要求。
本发明的有益效果在于微型无人直升机飞行姿态三维仿真转台可以在地面实现测试、评价飞行控制系统的各项性能指标，检测系统的工作状态和跟踪精度。
本发明的三维仿真转台可以按照测试实验要求，提供飞行器飞行时的航向角、俯仰角、横滚角以及飞行扰动所引起的角度变化，实时地模拟飞行器在空中飞行的姿态，从而测试飞行器控制系统能否在飞行器受到外界扰动时控制飞行器调整到安全飞行姿态。本发明可以对微型无人直升机的飞行控制系统效果进行重复测试，并且仿真极其安全。同时，还可以测试飞行器携带的机载传感器在模拟飞行条件下的工作状况。
发明的三维仿真转台具有体积小巧、结构简单、成本低廉、精度较高等优点，可用于对微型无人直升机飞行控制系统和惯性导航系统研究与测试，提高飞行控制品质和降低惯导元件误差。
发明的三维仿真转台采取卧式结构，整体受力均匀，静态变形小，结构安装和调试比较方便。
图1是本发明三维转台纵剖面图；图2是图1三维转台左视剖面图；图3是三维飞行姿态转台上位机控制流程图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1、图2，微型无人直升机飞行姿态三维仿真转台包括以下组成部分1)基座2，在基座上固定有两块垂直且彼此相隔平行的墙板3A、3B；2)外框组件，包括外框矩形框架9、第一轴承7、第二轴承23、第一轴8、第二轴21和第一电机4，第一轴承7的外圈和第二轴承23的外圈分别固定在基座2的两块墙板3A和3B上，第一轴8和第二轴21分别与第一轴承7和第二轴承23的内圈紧固，第一轴8的一端和第二轴21的一端分别与外框矩形框架9的相对两边固定，第一轴8的另一端通过联轴器5与第一电机4的轴相连；3)中框组件，包括中框矩形框架10、第三轴承27、第四轴承32、第三轴25、第四轴30和第二电机24，第三轴承27的外圈和第四轴承32的外圈分别固定在外框矩形框架9的另外相对两边上，第三轴25和第四轴30分别与第三轴承27和第四轴承32的内圈紧固，第三轴25的一端和第四轴30的一端分别与中框矩形框架10的相对两边固定，第三轴25的另一端通过联轴器26与第二电机24的轴相连；4)内框组件，包括内框矩形框架16、第五轴承13、第六轴承18、第五轴15、第六轴17和第三电机11，第五轴承13的外圈和第六轴承18的外圈分别固定在中框矩形框架10的另外相对两边上，第五轴15和第六轴17分别与第五轴承13和第六轴承18的内圈紧固，第五轴15的一端和第六轴18的一端分别与内框矩形框架16的相对两边固定，第五轴15的另一端通过联轴器12与第三电机11的轴相连；图中，22为轴承盖。
为了保证足够的机械强度和整个转台的稳定性，三轴仿真转台的基座采用铸铁材料HT200整体铸造结构。在基座的底部安装4个可以自由旋进旋出的基座脚1，便于通过调整基座4个脚的位置，保持与地面水平。
外框架和中框架可使用刚度好、加工性能优良的LY12硬铝合金材料，用整块线切割而成，这样做可以在提高框架整体强度和抑制形变方面取得良好的效果。内框架采用平面载物台结构，便于安放待测设备。三个电机轴系的支撑轴承选用成对安装的角接触球轴承，C级精度，型号为7006和7004，此类轴承的优点是可同时承受径向载荷和轴向载荷。出于避免齿隙、回程误差的考虑，采用伺服电机直接驱动方式，使用金属膜片连轴器将伺服电机与转台轴系刚性连接。
权利要求
1.微型无人直升机飞行姿态三维仿真转台，其特征在于包括以下组成部分1)基座(2)，在基座上固定有两块垂直且彼此相隔平行的墙板(3A、3B)；2)外框组件，包括外框矩形框架(9)、第一轴承(7)、第二轴承(23)、第一轴(8)、第二轴(21)和第一电机(4)，第一轴承(7)的外圈和第二轴承(23)的外圈分别固定在基座(2)的两块墙板(3A)和(3B)上，第一轴(8)和第二轴(21)分别与第一轴承(7)和第二轴承(23)的内圈紧固，第一轴(8)的一端和第二轴(21)的一端分别与外框矩形框架(9)的相对两边固定，第一轴(8)的另一端通过联轴器(5)与第一电机(4)的轴相连；3)中框组件，包括中框矩形框架(10)、第三轴承(27)、第四轴承(32)、第三轴(25)、第四轴(30)和第二电机(24)，第三轴承(27)的外圈和第四轴承(32)的外圈分别固定在外框矩形框架(9)的另外相对两边上，第三轴(25)和第四轴(30)分别与第三轴承(27)和第四轴承(32)的内圈紧固，第三轴(25)的一端和第四轴(30)的一端分别与中框矩形框架(10)的相对两边固定，第三轴(25)的另一端通过联轴器(26)与第二电机(24)的轴相连；4)内框组件，包括内框矩形框架(16)、第五轴承(13)、第六轴承(18)、第五轴(15)、第六轴(17)和第三电机(11)，第五轴承(13)的外圈和第六轴承(18)的外圈分别固定在中框矩形框架(10)的另外相对两边上，第五轴(15)和第六轴(17)分别与第五轴承(13)和第六轴承(18)的内圈紧固，第五轴(15)的一端和第六轴(18)的一端分别与内框矩形框架(16)的相对两边固定，第五轴(15)的另一端通过联轴器(12)与第三电机(11)的轴相连。
全文摘要
本发明公开的微型无人直升机飞行姿态三维仿真转台，包括基座、外框组件、中框组件和内框组件，外框组件固定在基座上绕x轴运动，中框组件固定在外框架上绕y轴运动，内框组件固定在中框架上绕z轴运动；该三维仿真转台采取卧式结构，可以在地面上模拟微型无人直升机在空中飞行的三维姿态，实时的再现直升机飞行时的航向角、俯仰角、横滚角，可以重复测试、评价飞行控制系统的各项性能指标，同时，还可以测试飞行器携带的机载传感器在模拟飞行条件下的工作状况。它具有体积小巧、结构简单、成本低廉、精度较高、结构安装和调试比较方便等优点。
文档编号G01M99/00GK1811368SQ20061004906
公开日2006年8月2日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者侯鑫, 李平, 宋浩 申请人:浙江大学