用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台、方法

本发明涉及机械、飞行器动力学与控制技术、信息技术、测试技术等领域，具体为一种用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台、方法。

背景技术：

1、随着对军民用飞行器任务多样性要求的提高，同时兼顾垂直起降能力和高效快速巡航能力的低速vtol飞行器应运而生，并在研究和应用领域得到了快速发展。

2、相比于常规固定翼，低速vtol飞行器不依赖跑道等起降设施，降低了对飞行器起降条件的要求，有效提高了飞行器在丛林、城市等空间的环境适应性和实用性。相比于常规直升机，该种飞行器具有固定翼的气动特性优势，有效增加了飞行器的飞行速度与航程，提高了飞行效率和飞行器的任务多样性。低速vtol飞行器的研制涉及一系列动力学与控制关键问题，在试飞之前需要开展大量的地面气动优化及流动控制实验，降低飞行实验运行成本及炸机风险。

3、目前市面上的飞行器地面实验平台通常功能单一，有的研究待测飞行器六自由度气动特性，有的研究三自由度姿态控制，没有实现飞行器的完整六自由度控制，也没有通过传感器监测气动性能数据实现闭环反馈控制，总的来说没有形成飞行器动力学与控制一体化研究能力；并且通用性差，通常只能支持旋翼或者固定翼一种飞行器的研究，很难满足旋翼-固定翼融合的低速vtol飞行器垂直起飞、起飞转平飞、平飞、平飞转降落、垂直降落全过程全模态实验研究需求。基于上述考虑，一个具备旋翼-固定翼融合低速vtol飞行器全过程全模态六自由度实时测控的动力学与控制一体化地面实验研究平台是业界非常需要的。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台、方法，基于该试验平台可以用于装配所需要的运动部件，进而实现不同待测元件的试验。

2、本发明的技术方案是：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台，包括：支撑底座1、运动部件、传感器部件、控制部件，所述传感器部件主要是测力部件；所述支撑底座1上用于安装测力部件，所述测力部件上用于安装运动部件；所述运动部件用于安装待测元件；所述控制部件接受传感器部件传递的信号，生成控制指令控制待测元件。

4、所述待测元件为vtol飞行器9整机或者vtol飞行器9局部动力系统。

5、所述待测元件为vtol飞行器9整机，则所述运动部件采用第一运动部件；所述待测元件为vtol飞行器9局部动力系统，则所述运动部件采用第二运动部件，所述传感器部件还包括与局部动力系统连接的转速传感器16。

6、所述第一运动部件包括一体式圆盘螺纹支撑杆5、转接头6、第一连接件7、万向转换装置8；所述一体式圆盘螺纹支撑杆5一端连接测力部件，所述一体式圆盘螺纹支撑杆5另一端通过转接头6与第一连接件7一端连接，所述第一连接件7另一端与万向转换装置8一端连接，所述万向转换装置8另一端用于安装vtol飞行器9整机。

7、所述万向转换装置8包括万向阻尼球头8-1、万向节联轴器8-2，所述万向阻尼球头8-1包括阻尼件、球头件，阻尼件用于连接第一连接件7、球头件，并用于调节所述球头件阻尼大小；所述球头件一端与阻尼件配合，球头件另一端用于连接所述万向节联轴器8-2一端，所述万向节联轴器8-2另一端与vtol飞行器9整机连接。

8、所述第二运动部件包括一体式圆盘螺纹支撑杆5、转接头6、第二连接件11、转接片13、涵道位置调节固定装置10，所述一体式圆盘螺纹支撑杆5一端连接测力部件，所述一体式圆盘螺纹支撑杆5另一端通过转接头6与第二连接件11一端连接，所述第二连接件11另一端通过转接片13连接vtol飞行器9局部动力系统；所述vtol飞行器9局部动力系统包括直流无刷电机14、旋翼15，所述直流无刷电机14中心点铅垂方向与测力部件中心点重合。

9、所述涵道位置调节固定装置10包括安装部10-2，所述安装部10-2设有调节孔，所述一体式圆盘螺纹支撑杆5穿过调节孔，以使所述安装部10-2沿所述一体式圆盘螺纹支撑杆5轴向方向运动，并通过所述固定件与所述一体式圆盘螺纹支撑杆5配合以进行限位；所述安装部10-2的周向间隔安装涵道连接件，涵道12设有连接部用于与涵道连接件连接。

10、所述一体式圆盘螺纹支撑杆5包括用于连接测力部件的测力连接部、用于连接转接头6的转接连接部，所述测力连接部为圆盘结构，沿所述圆盘结构的端面的轴向方向设置一体的所述转接连接部。

11、根据本发明的第二方面，提供了一种用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台的试验方法，

12、采用基于第一运动部件构建的用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台，安装vtol飞行器9整机，约束vtol飞行器9地面坐标系下的平动；该平台构建了测力元件到vtol飞行器9整机控制部件的反馈连接，采用地面实验平台飞行器-测力元件-控制部件的控制回路等效飞行器飞行过程中飞行器-惯性导航元件-控制器的控制回路；对万向转换装置8阻尼进行如下调节：如果万向转换装置8阻尼调节为零，不约束vtol飞行器9的转动，此时传感器部件替换惯性导航元件中的加速度计，反馈给控制器的力信号等效反馈vtol飞行器9的速度和线加速度信息，即等效反馈vtol飞行器9的平动信息；如果万向转换装置8阻尼调节为预设最大时，此时测力部件将惯性导航元件全替换，反馈的力和力矩信号等效反馈vtol飞行器9的位置、姿态、速度和加速度信息，即同时等效反馈vtol飞行器9的平动与转动信息；或者，

13、采用基于第二运动部件构建的用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台，安装vtol飞行器9局部动力系统；将测力传感器2、转速传感器16与单片机17连接，单片机17与直流无刷电机14之间通过电调连接，同时单片机17通过usart串口与上位机通讯。

14、本发明的有益效果是：

15、第一，与传统地面实验平台相比，该用于飞行器动力学与控制一体化研究的地面试验平台构建了测力部件到控制部件的反馈连接，采用力信号实时等效反馈飞行器平衡位置附近的位置、姿态、速度及加速度变化，开创性的在地面实验平台实现对飞行器位置、姿态、速度及加速度全状态的实时控制。

16、第二，将运动部件、传感器部件、控制部件相结合，能实现低速vtol飞行器飞行过程地面实验模拟，包括垂直起飞、起飞转平飞、平飞、平飞转降落、垂直降落全过程全模态，还可通过传感器实时监测气动性能数据用于闭环反馈控制，能够在某个层面代替飞行实验开展动力学与控制一体化研究，进而降低运行成本及炸机风险。此外，本发明还可同时对飞行器局部系统进行动力学与控制一体化研究。

17、第三，由运动部件、传感器部件、控制部件三种部件间相互配合实现其动力学与控制一体化的能力，可进行气动优化与流动控制一体化研究。运动部件主要表现为通过万向转换装置和一体式圆盘螺纹支撑杆来实现低速vtol飞行器9垂直起飞、起飞转平飞、平飞、平飞转降落、垂直降落六自由度运动状态的复现全覆盖。运动部件以杆类外观为主具有较小的体积和较强的强度，可使平台整体稳定性良好震动较小，对气流的影响小，减小对飞行器流动控制的影响，能更好的对飞行器展开气动优化及流动控制研究。测力部件主要表现为对待测装置x、y、z三轴力和力矩的实时测量从而对低速vtol飞行器不同运动状态六自由度气动特性以及动力系统局部模型气动特性进行实时监测。控制部件主要表现在接收测力部件等传感器传输的信号，经数据分析解算出当前飞行器的位置、姿态、速度及加速度等信息，并根据相关控制算法生成控制指令对低速vtol飞行器不同运动状态、动力系统等局部系统进行实时有人或无人控制。通过运动部件、传感器部件、控制部件的结合，可实现低速vtol飞行器垂直起飞、起飞转平飞、平飞、平飞转降落、垂直降落六自由度飞行全过程的控制，可测试低速vtol飞行器受到横风扰动时飞行器抗干扰能力，也可通过等效变载重原理测试飞行器在不同载重条件下的飞行性能。

18、综上，本发明的实验平台以真实硬件为基础，可以对低速vtol飞行器动力学与控制设计进行验证和优化。这样可以确保低速vtol飞行器飞行过程中具有良好气动特性，控制算法的效果达到预期，提高飞行器的飞行性能、安全性和经济性。同时本发明实验平台结构精炼、造价经济，用较为简单的结构实现多种测试功能。本发明实验平台可以在地面环境下实现低速vtol飞行器从垂直起飞、起飞转平飞、平飞、平飞转降落、垂直降落全过程模拟，在某个层面代替飞行实验开展动力学与控制一体化研究，从而降低飞行实验运行成本及炸机风险。本发明实验平台可以对飞行过程中的各类数据进行实时采集，以用于分析，为飞行器的设计与研发提供更精确的数据支持。该平台对各种型号的低速vtol飞行器、各种飞行控制策略都具有很强的兼容性和适应性。本发明实验平台可以在较短的时间内完成对控制策略的验证和优化，同时完成对待测低速vtol飞行器整体或局部气动特性的测量，使得飞行器的研发周期大大缩短，从而提高研发效率。