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专利名称：一种飞行器姿态控制模拟训练装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202010552842.3

专利申请（专利权）人：中国人民解放军海军航空大学岸防兵学院
权利人地址：山东省烟台市芝罘区二马路188号

专利发明（设计）人：赵汝岩,王丽婷,王斌,董可海,李金飞

专利摘要：本发明为了演示飞行器姿态调整，设计飞行器姿态控制模拟训练装置，实现飞行器姿态的俯仰、偏航和滚转三自由度调整，并实时工作喷管、偏差姿态之间的对应关系，以满足飞行器姿态控制模拟演示和训练的需要。该装置包括底座、行走装置、电控箱、电控系统、操作控制面板、上部摆动平台、运动状态显示面板、空间正交运动机构、滚转运动机构、承重支架和防护围挡。底座是整个飞行器姿态控制模拟训练装置的承重结构。其中，空间正交运动机构是执行飞行器俯仰姿态和偏航姿态模拟的运动机构，滚转运动机构是执行飞行器滚转姿态的运动机构。

主权利要求：
1.一种飞行器姿态控制模拟训练装置，其特征在于包括了底座(1)、行走装置(2)、电控箱(3)、电控系统(4)、操作控制面板(5)、上部摆动平台(6)、运动状态显示面板(7)、空间正交运动机构(8)、滚转运动机构、承重支架(11)和防护围挡(13)；
其中，底座(1)下部安装有4～6个行走装置(2)，上部安装有电控箱(3)和防护围挡(13)；电控箱(3)上表面安装有操作控制面板(5)，内部安装有电控系统(4)；
防护围挡(13)内，承重支架(11)固定安装在底座(1)上，用于支撑安装在其上的空间正交运动机构(8)和滚转运动机构，其中，空间正交运动机构(8)是执行飞行器俯仰姿态和偏航姿态模拟的运动机构，滚转运动机构是执行飞行器滚转姿态的运动机构；滚转运动机构由底部回转支承(9)、滚转电机(10)和减速转向机构(12)组成，底部回转支承(9)安装在承重支架(11)上部，滚转电机(10)和减速转向机构(12)安装在承重支架(11)下部，减速转向机构(12)经过承重支架(11)中间的开孔与底部回转支承(9)连接，底部回转支承(9)上部与正交运动机构(8)连接，这样，当滚转电机(10)输出转动时，经由减速和转向之后，可驱动底部回转支承(9)及其上部的空间正交运动机构(8)一起转动，模拟飞行器的滚转姿态；
上部摆动平台(6)下表面通过3个球头轴承与空间正交运动机构(8)连接，其上表面同轴安装运动状态显示面板(7)；运动状态显示面板(7)按照实际飞行器上喷管的布局，设置喷管状态指示灯，用于显示不同姿态时喷管的工作状态；减速转向机构(12)和底部回转支承(9)的转动中心轴与上部摆动平台(6)运动状态显示面板(7)中心同轴；
所述的空间正交运动机构(8)底部为底部旋转平台(813)，与底部回转支承(9)紧固连接；底部旋转平台(813)上安装有“一轴三点四滑台”结构：
“一轴”结构：是指底部旋转平台中心位置安装有中心顶杆(804)，该顶杆通过球头轴承C(803)与上部摆动平台(6)的中心位置连接，两者组成的中心轴结构，其轴心与底部旋转平台同轴，与上部摆动平台(6)同轴，也表示飞行器姿态的轴心位置；
“三点”结构：空间正交运动机构(8)的“三点”是指与上部摆动平台(6)下表面连接的三个球头轴承分别为球头轴承A(801)、球头轴承B(802)和球头轴承C(803)，3者处于同一平面；球头轴承A安装滑轨A(815)内，滑轨A紧固连接在上部摆动平台(6)下表面，方向为横轴线正方向(+x)，球头轴承A的初始位置为距球头轴承c即上部摆动平台(6)圆心的L处；球头轴承B安装滑轨B(817)内，滑轨B紧固连接在上部摆动平台(6)下表面，方向为纵轴线正方向(+y)，球头轴承B的初始位置为距球头轴承c即上部摆动平台(6)圆心的L处；球头轴承c安装在上部摆动平台下表面圆心处；空间正交运动机构(8)通过控制这“三点”之间的相对位置，实现对俯仰和偏转姿态的调整；
“四滑台”结构：空间正交运动机构(8)的“四滑台”是指由步进减速电机A(805)与丝杠滑台A(806)、步进减速电机B(807)与丝杠滑台B(808)、步进减速电机C(809)与丝杠滑台C(810)、步进减速电机D(811)与丝杠滑台D(812)共4组机构构成的丝杠滑动结构，是飞行器俯仰和偏转姿态调整与模拟的具体作动机构；
步进减速电机A与丝杠滑台A的丝杠两者相连，并沿横轴线正方向(+x)固定于底部旋转平台(813)上，当步进减速电机A接到电控系统(4)信号开始工作时，驱动丝杠滑台A沿横轴线方向前后运动；步进减速电机B垂直固定于丝杠滑台A的滑台上，步进减速电机B与丝杠滑台B的丝杠两者相连，当步进减速电机B接到电控系统(4)信号开始工作时，驱动丝杠滑台B沿垂直方向上下运动；丝杠滑台B上安装有连接杆A(814)，通过该连接杆与球头轴承A(801)连接；当丝杠滑台A处于初始位置时，球头轴承A处于距离上部摆动平台(6)圆心L处；当丝杠滑台A沿横轴线方向运动时，球头轴承A也沿着横轴线方向在滑轨A(815)内滑动；这样，就构成了空间正交运动机构(8)在沿横轴线正方向(+x)上的前后运动机构，可实现飞行器姿态偏转控制的模拟；
同理，步进减速电机C与丝杠滑台C的丝杠相连，沿纵轴线正方向(+y)固定于底部旋转平台(813)上表面，当步进减速电机C接到电控系统(4)信号开始工作时，驱动丝杠滑台C沿纵轴线方向前后运动；步进减速电机D垂直固定于丝杠滑台C的滑台上，与丝杠滑台D的丝杠相连，当步进减速电机D接到电控系统(4)信号开始工作时，驱动丝杠滑台D沿垂直方向上下运动；丝杠滑台D上安装有连接杆B(816)，通过该连接杆与球头轴承B(802)连接；当丝杠滑台C处于初始位置时，球头轴承B处于距离上部摆动平台(6)圆心L处；当丝杠滑台C沿纵轴线方向运动时，球头轴承B也沿着纵轴线方向在滑轨B(817)内滑动；这样，就构成了空间正交运动机构(8)在沿纵轴线正方向(+y)上的前后运动机构，可实现飞行器姿态俯仰控制的模拟。
2.如权利要求1所述的飞行器姿态控制模拟训练装置，其特征在于所述的运动状态显示面板(7)安装在上部摆动平台(6)上表面，且与其同轴，大小与上部摆动平台相同；面板上分布有12个喷管指示灯，其数量、分布方式、具体朝向、工作时机都与实际的飞行器姿态控制系统的姿控发动机一致，当对应喷管工作时，喷管指示灯亮，当喷管不工作时，喷管指示灯灭；喷管指示灯具体的分布如下：运动状态显示面板(7)上，沿横轴线正方向(+x)靠近面板边缘处设置有①、②、③号喷管指示灯，①号喷管指示灯位于横轴线上，喷管水平朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为横轴线负方向(?x)，②、③号喷管指示灯垂直于横轴线，分布在①号喷管指示灯的两侧，喷管方向朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为纵轴方向(±y)；在①、②、③号喷管指示灯的对称位置，即横轴线负方向(?x)靠近面板边缘处设置⑦⑧⑨号喷管指示灯，⑦号喷管指示灯位于横轴线上，喷管水平朝外，⑧、⑨号喷管指示灯垂直于横轴线，分布在⑦号喷管指示灯的两侧，喷管方向朝外；
运动状态显示面板(7)上，沿纵轴线正方向(+y)靠近面板边缘处设置有④、⑤、⑥号喷管指示灯，④号喷管指示灯位于纵轴线上，喷管水平朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为纵轴线负方向(?y)，⑤、⑥号喷管指示灯对称分布在④号喷管指示灯两侧，与④号喷管指示灯之间夹角均为75°，喷管方向朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量一部分为纵轴方向(±y)，一部分为横轴方向(±x)；在④、⑤、⑥号喷管指示灯的对称位置，即纵轴线负方向(?y)靠近面板边缘处设置⑩、 号喷管指示灯，⑩号喷管指示灯位于纵轴线上，喷管水平朝外， 号喷管指示灯对称分布在⑩号喷管指示灯两侧，与其之间夹角为75°，喷管方向朝外。
3.如权利要求1或2所述的飞行器姿态控制模拟训练装置，其特征在于所述的操作控制面板(5)是开展模拟训练的输入终端和控制指令信号反馈终端，可分为3个区域：
面板的中央区域并排设置俯仰角度 调整区、偏航角度(ψ)调整区和滚转角度(γ)调整区；这3个调整区内均设置有4个可旋转的偏差角度选择开关，分别对应俯仰角度 偏航角度(ψ)和滚转角度(γ)在+0～+15°、+16°～+30°、?0～?15°、?16°～?30°四个偏差范围内的调整控制；工作时，同一调整区内的偏差角度选择开关只能4选1，不能同时多个运行；
不同调整区的偏差角度选择开关可以同时组合使用，即俯仰偏差角度、偏航偏差角度、滚转偏差角度可独立运行，也可两两组合或者三个同时组合；
操作控制面板(5)的上部区域的一侧为控制指令显示屏，显示飞行器进行姿态调整时对应的控制指令代码；
操作控制面板(5)的上部区域的另一侧设置有1个选择开关和4个按钮；选择开关对应该飞行器姿态控制模拟训练装置的不同模式，一种为教学演示模式，一种为模拟训练模式；
选择开关旁边依次排列4个按钮，其中1个为作动按键，按下后飞行器姿态开始调整，弹起时表示动作结束，1个取消按键，按下后取消已输出的姿态偏差调整指令，1个复位按键，按下后空间正交运动机构(8)和底部回转支承(9)恢复到初始位置，上部摆动平台(6)恢复到水平的初始位置，1个紧急制动按键，遇突发情况按下，可终止姿态调整。
4.如权利要求1或2所述的飞行器姿态控制模拟训练装置，其特征在于所述的空间正交运动机构(8)通过各个作动机构的位置变化，实现上部摆动平台(6)的俯仰角 和偏转角ψ调整，从而模拟飞行器姿态俯仰和偏转；其具体模拟方式为：(1)当调整俯仰角 时，空间正交运动机构(8)的步进减速电机D(811)驱动丝杠滑台D(812)上下移动 步进减速电机C(809)驱动丝杠滑台C(810)同步带动步进减速电机D(811)和丝杠滑台D(812)向中心顶杆(804)方向左右移动(2)当调整偏转角ψ时，空间正交运动机构(8)的步进减速电机B(807)驱动丝杠滑台B(808)上下移动Lsinψ，步进减速电机A(805)驱动丝杠滑台A(806)同步带动步进减速电机B(807)和丝杠滑台B(808)向中心顶杆(804)方向左右移动L(1?cosψ)。
5.如权利要求1或2所述的飞行器姿态控制模拟训练装置，其特征在于所述的滚转运动机构通过输出旋转，实现上部摆动平台(6)的滚转角γ调整，从而模拟飞行器姿态的滚转，具体作动过程为滚转电机(10)输出转动，经减速转向机构(12)之后，驱动底部回转支承(9)内部的载重轴承，带动底部旋转平台(813)、中心顶杆(804)、上部摆动平台(6)和运动状态显示面板(7)以中心顶杆为轴旋转。
6.一种飞行器姿态控制模拟训练方法，其特征在于使用如权利要求1至5任一项所述的飞行器姿态控制模拟训练装置，训练方法包括飞行器姿态控制演示和飞行器姿态控制训练两种模式：
(1)飞行器姿态控制演示模式，对应于所述飞行器姿态控制模拟训练装置操作控制面板(5)上模式选择开关的“演示”选项；当处于该模式时，操作人员可调整俯仰角度 偏航角度(ψ)和滚转角度(γ)的偏差角度，控制飞行器姿态控制模拟训练装置执行作动任务，同时运动状态显示面板(7)上的对应喷管指示灯亮起，指示出该喷管开始工作，操作控制面板(5)上的控制指令显示屏显示出本次姿态控制动作对应的控制指令代码；当姿态调整动作执行到位后，喷管指示灯熄灭；完成演示后，操作人员手动复位系统；
(2)飞行器姿态控制训练模式，对应于所述飞行器姿态控制模拟训练装置操作控制面板(5)上模式选择开关的“训练”选项；当处于该模式时，飞行器姿态控制模拟训练装置的电控系统(4)随机生成一个姿态控制指令，并发送到控制指令显示屏上，训练人员看到显示屏上的指令代码后，根据该指令的要求调整俯仰角度 偏航角度(ψ)和滚转角度(γ)的偏差角度，随后按下作动按键，驱动飞行器姿态控制模拟训练装置执行作动任务；电控系统(4)判断本次调整是否按照控制指令要求完成，若判断已完成，则控制指令显示屏显示操作正确对应的指令，训练人员可按复位键，系统复位，若电控系统判断本次姿态调整错误，则控制指令显示屏上的控制指令会常闪，提示错误，训练人员可重新操作偏差角度选择开关，直至正确的完成该控制指令代码对应的姿控动作。 说明书 : 一种飞行器姿态控制模拟训练装置技术领域[0001] 本发明涉及飞行器姿态控制领域，具体为一种具有三自由度的飞行器姿态控制模拟训练装置。背景技术[0002] 随着飞行器装备的飞速发展，对飞行器飞行过程姿态控制系统的精确性与复杂性提出了更高的要求。飞行器姿态偏差种类包括正负俯仰、正负偏航、正负滚转以及综合偏差，通常飞行器在飞行过程中，需要多个喷管和多路控制信号协同完成飞行器的俯仰、偏航和滚转姿态控制。由于偏差种类、偏差组合、工作喷管、控制信号变化繁多、组合复杂，在教学和训练中，为准确演示和表述以上复杂作动关系，需要研制一种飞行器姿态控制模拟训练装置，达到具体清晰地表述偏差信号、工作喷管、偏差姿态之间的工作关系。发明内容[0003] 本发明为演示飞行器姿态调整过程，通过设计飞行器姿态控制模拟训练装置，实现飞行器姿态的三自由度调整，实时表示工作喷管、偏差姿态之间的对应关系，以满足飞行器姿态控制模拟演示和训练的需要。[0004] 本发明所述的飞行器姿态控制模拟训练装置，包括底座1、行走装置2、电控箱3、电控系统4、操作控制面板5、上部摆动平台6、运动状态显示面板7、空间正交运动机构8、滚转运动机构、承重支架11和防护围挡13。[0005] 底座1是整个飞行器姿态控制模拟训练装置的承重结构。在底座1的下部安装有4～6个行走装置2，起到支撑和便于推行的作用。电控箱3与防护围挡13焊接于底座1之上，内部分别为飞行器姿态控制模拟训练装置的控制系统和姿态模拟作动机构。[0006] 电控箱3上表面安装有操作控制面板5，用于飞行器姿态控制模拟训练装置的外部控制；电控箱3内部安装有电控系统4，为飞行器姿态控制模拟训练装置内的各个设备提供电力，处理各种逻辑关系，执行和反馈控制信号。[0007] 防护围挡13内，承重支架11固定安装在底座1上，用于支撑安装在其上的空间正交运动机构8和滚转运动机构。空间正交运动机构8是执行飞行器俯仰姿态和偏航姿态模拟的运动机构，滚转运动机构是执行飞行器滚转姿态的运动机构。[0008] 上部摆动平台6下表面通过3个球头轴承与空间正交运动机构8连接，上部摆动平台6上表面同轴安装运动状态显示面板7。运动状态显示面板7按照实际飞行器上喷管的布局，设置喷管状态指示灯，用于显示不同姿态时喷管的工作状态。[0009] 滚转机构的转动轴与上部摆动平台6、运动状态显示面板7中心同轴。[0010] 1.滚转运动机构[0011] 所述的滚转运动机构由底部回转支承9、滚转电机10和减速转向机构12组成，安装在承重支架11的上下部。[0012] 承重支架11上部安装底部回转支承9，下部安装滚转电机10和减速转向机构12，承重支架11中间开孔，减速转向机构12经过该开孔与底部回转支撑9连接。底部回转支承9上部与正交运动机构8连接。当滚转电机10输出转动时，经由减速和转向之后，可驱动底部回转支撑9及其上部的空间正交运动机构8一起转动，模拟飞行器的滚转姿态。[0013] 减速转向机构12和底部回转支承9的转动中心轴与上部摆动平台6、运动状态显示面板7中心同轴。[0014] 2.空间正交运动机构[0015] 所述的空间正交运动机构8底部为底部旋转平台813，与底部回转支承9紧固连接。底部旋转平台813上安装有“一轴三点四滑台”结构。空间正交运动机构8的“一轴”是指中心顶杆804与球头轴承C803组成的中心轴结构，其轴心与底部旋转平台同轴，也表示飞行器姿态的轴心位置。球头轴承C803的中心与上部摆动平台6中心同轴；中心顶杆804上部通过球头轴承C与上部摆动平台连接，中心顶杆下部紧固连接在底部旋转平台813上表面圆心处，使得上部摆动平台与底部旋转平台同轴。[0016] 空间正交运动机构8的“三点”是指通过球头轴承A801、球头轴承B802和球头轴承C803这3个轴承与上部摆动平台6下表面连接，3个球头轴承处于同一平面；球头轴承A安装滑轨A815内，滑轨A紧固连接在上部摆动平台6下表面，方向为横轴线正方向(+x)，球头轴承A的初始位置为距球头轴承C即上部摆动平台6圆心的L处；球头轴承B安装滑轨B817内，滑轨B紧固连接在上部摆动平台6下表面，方向为纵轴线正方向(+y)，球头轴承B的初始位置为距球头轴承C即上部摆动平台6圆心的L处；球头轴承C安装在上部摆动平台下表面圆心处。[0017] 空间正交运动机构8的“四滑台”是指由步进减速电机A805与丝杠滑台A806、步进减速电机B807与丝杠滑台B808、步进减速电机C809与丝杠滑台C810、步进减速电机D811与丝杠滑台D812共4组机构构成的丝杠滑动结构。步进减速电机A与丝杠滑台A的丝杠两者相连，并沿横轴线正方向(+x)固定于底部旋转平台813上表面，当步进减速电机A接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台A沿横轴线方向前后运动。步进减速电机B垂直固定于丝杠滑台A的滑台上，步进减速电机B与丝杠滑台B的丝杠两者相连，当步进减速电机B接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台B沿垂直方向上下运动；丝杠滑台B上安装有连接杆A814，通过该连接杆与球头轴承A801连接。当丝杠滑台A处于初始位置时，球头轴承A处于距离上部摆动平台6圆心L处；当丝杠滑台A沿横轴线方向运动时，球头轴承A也沿着横轴线方向在滑轨A815内滑动。这样，步进减速电机A805与丝杠滑台A806、步进减速电机B807与丝杠滑台B808，以及连接杆A814共同构成了空间正交运动机构8在沿横轴线正方向(+x)上的前后运动机构。[0018] 同理，步进减速电机C与丝杠滑台C的丝杠相连，沿纵轴线正方向(+y)固定于底部旋转平台813上表面，当步进减速电机C接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台C沿纵轴线方向前后运动。步进减速电机D垂直固定于丝杠滑台C的滑台上，与丝杠滑台D的丝杠相连，当步进减速电机D接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台D沿垂直方向上下运动；丝杠滑台D上安装有连接杆B816，通过该连接杆与球头轴承B802连接。当丝杠滑台C处于初始位置时，球头轴承B处于距离上部摆动平台6圆心L处；当丝杠滑台C沿纵轴线方向运动时，球头轴承B也沿着纵轴线方向在滑轨B817内滑动。这样，步进减速电机C809与丝杠滑台C810、步进减速电机D811与丝杠滑台D812，以及连接杆B816共同构成了空间正交运动机构8在沿纵轴线正方向(+y)上的前后运动机构。[0019] 3.运动状态显示面板[0020] 所述飞行器姿态控制模拟训练装置的运动状态显示面板7安装在上部摆动平台6上表面，且与其同轴，大小与上部摆动平台相同。运动状态显示面板7上分布有12个喷管指示灯，其数量、分布方式、具体朝向、工作时机都与实际的飞行器姿态控制系统的姿控发动机一致，用以直观的表示和模拟姿控发动机的工作状态。[0021] 运动状态显示面板7上，沿横轴线正方向(+x)靠近面板边缘处设置有①、②、③号喷管指示灯，①号喷管指示灯位于横轴线上，喷管水平朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为横轴线负方向(?x)，②、③号喷管指示灯垂直于横轴线，分布在①号喷管指示灯的两侧，喷管方向朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为纵轴方向(±y)。在①、②、③号喷管指示灯的对称位置，即横轴线负方向(?x)靠近面板边缘处设置⑦⑧⑨号喷管指示灯，⑦号喷管指示灯位于横轴线上，喷管水平朝外，⑧、⑨号喷管指示灯垂直于横轴线，分布在⑦号喷管指示灯的两侧，喷管方向朝外。[0022] 运动状态显示面板7上，沿纵轴线正方向(+y)靠近面板边缘处设置有④、⑤、⑥号喷管指示灯，④号喷管指示灯位于纵轴线上，喷管水平朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为纵轴线负方向(?y)，⑤、⑥号喷管指示灯对称分布在④号喷管指示灯两侧，与④号喷管指示灯之间夹角均为75°，喷管方向朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量一部分为纵轴方向(±y)，一部分为横轴方向(±x)。在④、⑤、⑥号喷管指示灯的对称位置，即纵轴线负方向(?y)靠近面板边缘处设置⑩、 号喷管指示灯，⑩号喷管指示灯位于纵轴线上，喷管水平朝外， 号喷管指示灯对称分布在⑩号喷管指示灯两侧，与其之间夹角为75°，喷管方向朝外。[0023] 运动状态显示面板7的电源和信号均有电控系统4提供。当对应喷管工作时，喷管指示灯亮，当喷管不工作时，喷管指示灯灭。[0024] 4.操作控制面板[0025] 所述飞行器姿态控制模拟训练装置的操作控制面板5是开展模拟训练的输入终端和控制指令信号反馈终端。[0026] 操作控制面板5可分为3个区域。面板的中央区域并排设置俯仰角度 调整区、偏航角度(ψ)调整区和滚转角度(γ)调整区。这3个调整区内均设置有4个可旋转的偏差角度选择开关，分别对应俯仰角度 偏航角度(ψ)和滚转角度(γ)在+0～+15°、+16°～+30°、?0～?15°、?16°～?30°四个偏差范围内的调整控制。工作时，同一调整区内的偏差角度选择开关只能4选1，不能同时多个运行；不同调整区的偏差角度选择开关可以同时组合使用，即俯仰偏差角度、偏航偏差角度、滚转偏差角度可独立运行，也可两两组合或者三个同时组合。[0027] 操作控制面板5的上部区域的一侧为控制指令显示屏，显示飞行器进行姿态调整时对应的控制指令代码。[0028] 操作控制面板5的上部区域的另一侧设置有1个选择开关和4个按钮。选择开关对应该飞行器姿态控制模拟训练装置的不同模式，一种为教学演示模式，一种为模拟训练模式。选择开关旁边依次排列4个按钮。其中1个为作动按键，按下后飞行器姿态开始调整，弹起时表示动作结束；1个取消按键，按下后取消已输出的姿态偏差调整指令；1个复位按键，按下后空间正交运动机构8和底部回转支承9恢复到初始位置，上部摆动平台6恢复到水平的初始位置；1个紧急制动按键，遇突发情况按下，可终止姿态调整。[0029] 5.电控系统[0030] 飞行器姿态模拟训练装置的设备用电、动作控制信号、显示控制信号均由电控系统4提供，其核心是基于PLC的逻辑控制电路。[0031] 运动控制PLC是电控系统4逻辑控制的核心，接收来自操作控制面板5的指令输入，即发动机喷管姿态偏差调整指令信号，通过控制对应的步进减速电机A～D和滚转电机，实现对应丝杠滑台的位置控制，使上部摆动平台6运动到指定的位置。同时，运动控制PLC向运动状态显示面板7输出信号，控制运动状态显示面板上的喷管指示灯亮或灭，指示出对应喷管开始工作。编码器A～E实时获取5台步进电机的状态信息，信号处理后与运动控制PLC通信，经计算达到指定偏差时，停止步进电机的作动，运动状态显示面板7上的喷管指示灯全灭。[0032] 姿态变化结束后，若复位信号按键被激活，运动控制PLC控制相应的步进电机驱动对应的丝杠滑台运动，使上部摆动平台6恢复到初始位置。[0033] 在运行过程中，如果紧急停止按键被激活，运动控制PLC控制所有步进电机停止工作，丝杠滑台停止运动，同时运动状态显示面板7上的所有喷管指示灯闪动。[0034] 运动控制PLC会按照预先设定的代码规则，将当前的控制状态以控制指令代码的格式，发送到操作控制面板5的控制指令栏中显示。[0035] 6.飞行器姿态模拟的方式[0036] 本发明所指的飞行器姿态是指飞行器飞行过程中的俯仰、偏航和滚转3轴内的运动姿态。其中，+z轴方向为飞行器中心轴的飞行方向，调整z轴的方位夹角γ，即实现飞行器滚转姿态的调整，γ取正，则顺时针滚转(正滚转)，γ取负，则逆时针滚转(负滚转)。+x轴为飞行器横轴线的正方向，调整x轴的方位夹角ψ，即实现飞行器偏转姿态的调整，ψ取负，则飞行器向左偏转(负偏转)，ψ取正，则飞行器向右偏转(正偏转)。+y轴为飞行器纵轴线的正方向，调整y轴的方位夹角 即实现飞行器俯仰姿态的调整，取负，则飞行器向下俯冲(负俯仰)，取正，则飞行器向上仰起(正俯仰)。[0037] 本发明中对俯仰姿态和偏航姿态的模拟基本一致。以偏航姿态模拟为例，当运动控制PLC接到指令，要求上部摆动平台6的x轴向左偏转?ψ角度，运动PLC向步进减速电机A805和步进减速机B807发出作动信号。如图6所示，步进减速电机B驱动丝杠滑台B808在指定的时间内向上移动Lsinψ，带动连接杆A814向上顶起上部摆动平台高度为Lsinψ，实现上部摆动平台6以球头轴承B802和球头轴承C803的连线为轴(y轴)向左偏转?ψ角，产生向左的负偏航运动；步进减速电机A驱动丝杠滑台A806同步带动步进减速电机B和丝杠滑台B向中心顶杆方向移动L(1?cosψ)，使球头轴承A801在滑轨A内滑动L(1?cosψ)，消除上部摆动平台在偏航运动过程中丝杠滑台B的应力。俯仰姿态模拟与偏航姿态模拟相似，其作动过程由运动控制PLC控制步进减速电机C809和步进减速机D811作动，带动连接杆B816发生垂直方向的位移，同时球头轴承B802在滑轨B817中滑动，消除丝杠滑台D812的应力，实现上部摆动平台6以球头轴承A801和球头轴承C803的连线为轴(x轴)，发生上下偏转，产生俯仰运动。[0038] 本发明对滚转姿态的模拟，当运动控制PLC接到滚转指令后，向滚转电机10发出作动信号，滚转电机10输出转动，经减速转向机构12之后，驱动底部回转支承9内部的载重轴承，带动底部旋转平台813、中心顶杆804、上部摆动平台6和运动状态显示面板7以中心顶杆为轴旋转。[0039] 由此可见，本发明所述的飞行器姿态控制模拟训练装置通过特殊的机电结构设计和功能模块研发，实现了对飞行器俯仰、偏航和滚转三个自由度姿态调整与控制的模拟，清晰的表述了偏差信号、工作喷管、偏差姿态之间的工作关系，通过控制面板操作和训练功能开发，能够在装备教学和培养中发挥重要作用。附图说明[0040] 图1为飞行器姿态控制模拟训练装置的结构示意图。其中，1?底座，2?行走装置，3?电控箱，4?电控系统，5?操作控制面板，6?上部摆动平台，7?运动状态显示面板，8?空间正交运动机构，9?底部回转支承，10?滚转电机，11?承重支架，12?减速转向机构，13?防护围挡。[0041] 图2为空间正交运动机构与滚转机构结构示意图。其中，801?球头轴承A，802?球头轴承B，803?球头轴承C，804?中心顶杆，805?步进减速电机A，806?丝杠滑台A，807?步进减速电机B，808?丝杠滑台B，814?连接杆A，815?滑轨A，809?步进减速电机C，810?丝杠滑台C，811?步进减速电机D，812?丝杠滑台D，816?连接杆B，817?滑轨B，813?底部旋转平台，9?底部回转支承，10?滚转电机，11?承重支架，12?减速转向机构。[0042] 图3为运动状态显示面板的俯视示意图。其中， 为喷管指示灯编号。[0043] 图4为操作控制面板示意图。[0044] 图5为电控系统运动控制逻辑关系图。[0045] 图6为俯仰偏航作动原理示意图。[0046] 图7为飞行器姿态控制演示模式的响应流程图。[0047] 图8为飞行器姿态控制训练模式的响应流程图。具体实施方式[0048] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0049] 1.飞行器姿态控制模拟训练装置的结构组成[0050] (1)整体结构[0051] 如图1所示，本实施例搭建了具有三自由度的飞行器姿态控制模拟训练装置，包括底座1、行走装置2、电控箱3、电控系统4、操作控制面板5、上部摆动平台6、运动状态显示面板7、空间正交运动机构8、底部回转支承9、承重支架11、滚转电机10、减速转向机构12和防护围挡13。[0052] 其中，行走装置2共计有5个，沿底座1下表面周边安装，起到支撑和便于推行的作用。电控箱3与防护围挡13并排焊接于底座之上，电控箱3内部安装电控系统4，防护围挡13内部安装姿态模拟作动机构。操作控制面板5安装于电控箱3上部。[0053] 防护围挡13内的中央位置处，有1个承重支架11固定安装在底座1上，用于支撑安装于上部的姿态模拟作动机构。承重支架11上部安装底部回转支承9，底部回转支承9上部紧固连接空间正交运动机构8，其中空间正交运动机构8执行飞行器俯仰姿态和偏航姿态的模拟。承重支架11下部安装有滚转电机10和减速转向机构12，承重支架11中间开孔，减速转向机构12经过该开孔与底部回转支撑9连接，滚转电机10输出的转动，经由减速和转向之后，驱动底部回转支撑9及其上部的空间正交运动机构8一起转动，模拟飞行器的滚转姿态。[0054] 上部摆动平台6下表面通过球头轴承A、球头轴承B和球头轴承C这3个轴承与空间正交运动机构8连接，上部摆动平台6上表面同轴安装运动状态显示面板7。运动状态显示面板7按照实际飞行器上喷管的布局，设置12个喷管状态指示灯，用于显示不同姿态时喷管的工作状态。[0055] 减速转向机构12、底部回转支承9、上部摆动平台6和运动状态显示面板7均为中心同轴。[0056] (2)空间正交运动机构[0057] 如图2所示，空间正交运动机构8通过底部旋转平台813，与底部回转支承9紧固连接。空间正交运动机构8通过“一轴三点四滑台”结构，实现对飞行器俯仰和偏转姿态的模拟。其中，所述“一轴”是指中心顶杆804与球头轴承C803组成的中心轴结构，其轴心与底部旋转平台同轴，也表示飞行器姿态的轴心位置。球头轴承C803的中心与上部摆动平台6中心同轴；中心顶杆804上部通过球头轴承C与上部摆动平台连接，中心顶杆下部紧固连接在底部旋转平台813上表面圆心处，使得上部摆动平台与底部旋转平台同轴。[0058] 空间正交运动机构8的“三点”是指球头轴承A801、球头轴承B802和球头轴承C803，3个球头轴承处于同一平面；球头轴承A安装滑轨A815内，滑轨A紧固连接在上部摆动平台6下表面，方向为横轴线正方向(+x)，球头轴承A的初始位置为距球头轴承C即上部摆动平台6圆心的L处；球头轴承B安装滑轨B817内，滑轨B紧固连接在上部摆动平台6下表面，方向为纵轴线正方向(+y)，球头轴承B的初始位置为距球头轴承C即上部摆动平台6圆心的L处；球头轴承C安装在上部摆动平台下表面圆心处。[0059] 空间正交运动机构8的“四滑台”是指由步进减速电机A805与丝杠滑台A806、步进减速电机B807与丝杠滑台B808、步进减速电机C809与丝杠滑台C810、步进减速电机D811与丝杠滑台D812共4组机构构成的丝杠滑动结构。步进减速电机A与丝杠滑台A的丝杠两者相连，并沿横轴线正方向(+x)固定于底部旋转平台813上表面，当步进减速电机A接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台A沿横轴线方向前后运动。步进减速电机B垂直固定于丝杠滑台A的滑台上，步进减速电机B与丝杠滑台B的丝杠两者相连，当步进减速电机B接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台B沿垂直方向上下运动；丝杠滑台B上安装有连接杆A814，通过该连接杆与球头轴承A801连接。当丝杠滑台A处于初始位置时，球头轴承A处于距离上部摆动平台6圆心L处；当丝杠滑台A沿横轴线方向运动时，球头轴承A也沿着横轴线方向在滑轨A815内滑动。这样，步进减速电机A805与丝杠滑台A806、步进减速电机B807与丝杠滑台B808，以及连接杆A814共同构成了空间正交运动机构8在沿横轴线正方向(+x)上的前后运动机构。[0060] 同理，步进减速电机C与丝杠滑台C的丝杠相连，沿纵轴线正方向(+y)固定于底部旋转平台813上表面，当步进减速电机C接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台C沿纵轴线方向前后运动。步进减速电机D垂直固定于丝杠滑台C的滑台上，与丝杠滑台D的丝杠相连，当步进减速电机D接到电控系统4信号开始工作时，驱动丝杠滑台D沿垂直方向上下运动；丝杠滑台D上安装有连接杆B816，通过该连接杆与球头轴承B802连接。当丝杠滑台C处于初始位置时，球头轴承B处于距离上部摆动平台6圆心L处；当丝杠滑台C沿纵轴线方向运动时，球头轴承B也沿着纵轴线方向在滑轨B817内滑动。这样，步进减速电机C809与丝杠滑台C810、步进减速电机D811与丝杠滑台D812，以及连接杆B816共同构成了空间正交运动机构8在沿纵轴线正方向(+y)上的前后运动机构。[0061] (3)运动状态显示面板[0062] 如图3所示，本实施例中的运动状态显示面板7安装在上部摆动平台6上表面，且与其同轴，大小与上部摆动平台相同。运动状态显示面板7上分布有12个喷管指示灯，其数量、分布方式、具体朝向、工作时机都与实际的飞行器姿态控制系统的姿控发动机一致，用以直观的表示和模拟姿控发动机的工作状态。[0063] 运动状态显示面板7上，沿横轴线正方向(+x)靠近面板边缘处设置有①、②、③号喷管指示灯，①号喷管指示灯位于横轴线上，喷管水平朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为横轴线负方向(?x)，②、③号喷管指示灯垂直于横轴线，分布在①号喷管指示灯的两侧，喷管方向朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为纵轴方向(±y)。在①、②、③号喷管指示灯的对称位置，即横轴线负方向(?x)靠近面板边缘处设置⑦⑧⑨号喷管指示灯，⑦号喷管指示灯位于横轴线上，喷管水平朝外，⑧、⑨号喷管指示灯垂直于横轴线，分布在⑦号喷管指示灯的两侧，喷管方向朝外。[0064] 运动状态显示面板7上，沿纵轴线正方向(+y)靠近面板边缘处设置有④、⑤、⑥号喷管指示灯，④号喷管指示灯位于纵轴线上，喷管水平朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量方向为纵轴线负方向(?y)，⑤、⑥号喷管指示灯对称分布在④号喷管指示灯两侧，与④号喷管指示灯之间夹角均为75°，喷管方向朝外，表示当对应喷管工作时，推力矢量一部分为纵轴方向(±y)，一部分为横轴方向(±x)。在④、⑤、⑥号喷管指示灯的对称位置，即纵轴线负方向(?y)靠近面板边缘处设置⑩、 号喷管指示灯，⑩号喷管指示灯位于纵轴线上，喷管水平朝外， 号喷管指示灯对称分布在⑩号喷管指示灯两侧，与其之间夹角为75°，喷管方向朝外。[0065] 运动状态显示面板7的电源和信号均有电控系统4提供。当对应喷管工作时，喷管指示灯亮，当喷管不工作时，喷管指示灯灭。[0066] 表1不同姿态调整对应的工作喷管[0067][0068] (4)操作控制面板[0069] 如图4所示，本实施例所指的操作控制面板5是开展模拟训练的输入终端和控制指令信号反馈终端。[0070] 操作控制面板5可分为3个区域。面板的中央区域并排设置俯仰角度 调整区、偏航角度(ψ)调整区和滚转角度(γ)调整区。这3个调整区内均设置有4个可旋转的偏差角度选择开关，分别对应俯仰角度 偏航角度(ψ)和滚转角度(γ)在+0～+15°、+16°～+30°、?0～?15°、?16°～?30°四个偏差范围内的调整控制。工作时，同一调整区内的偏差角度选择开关只能4选1，不能同时多个运行；不同调整区的偏差角度选择开关可以同时组合使用，即俯仰偏差角度、偏航偏差角度、滚转偏差角度可独立运行，也可两两组合或者三个同时组合。[0071] 操作控制面板5的上部区域的左侧为控制指令显示屏，显示飞行器进行姿态调整时对应的控制指令代码。[0072] 操作控制面板5的上部区域的右侧设置有1个选择开关和4个按钮。选择开关对应该飞行器姿态控制模拟训练装置的不同模式，一种为教学演示模式，一种为模拟训练模式。选择开关旁边依次排列4个按钮。其中1个为作动按键，按下后飞行器姿态开始调整，弹起时表示动作结束；1个取消按键，按下后取消已输出的姿态偏差调整指令；1个复位按键，按下后空间正交运动机构8和底部回转支承9恢复到初始位置，上部摆动平台6恢复到水平的初始位置；1个紧急制动按键，遇突发情况按下，可终止姿态调整。[0073] (5)电控系统逻辑关系[0074] 附图5描述了本实施例的电控系统4逻辑关系。飞行器姿态模拟训练装置的设备用电、动作控制信号、显示控制信号均由电控系统4提供，其核心是基于PLC的逻辑控制电路。[0075] 运动控制PLC是电控系统4逻辑控制的核心，接收来自操作控制面板5的指令输入，即发动机喷管姿态偏差调整指令信号，通过控制对应的步进减速电机A～D和滚转电机，实现对应丝杠滑台的位置控制，使上部摆动平台6运动到指定的位置。同时，运动控制PLC向运动状态显示面板7输出信号，控制运动状态显示面板上的喷管指示灯亮或灭，指示出对应喷管开始工作。编码器A～E实时获取5台步进电机的状态信息，信号处理后与运动控制PLC通信，经计算达到指定偏差时，停止步进电机的作动。[0076] 姿态变化结束后，若复位信号按键被激活，运动控制PLC控制相应的步进电机驱动对应的丝杠滑台运动，使上部摆动平台6恢复到初始位置，运动状态显示面板7上的喷管指示灯全灭。[0077] 在运行过程中，如果紧急停止按键被激活，运动控制PLC控制所有步进电机停止工作，丝杠滑台停止运动，同时运动状态显示面板7上的所有喷管指示灯闪动。[0078] 运动控制PLC会按照预先设定的代码规则，将当前的控制状态以控制指令代码的格式，发送到操作控制面板5的控制指令栏中显示。[0079] 2.飞行器姿态控制模拟训练方法[0080] 本发明为实现飞行器姿态控制的模拟与训练，开发了两种模式。[0081] (1)飞行器姿态控制演示模式[0082] 该模式对应于操作控制面板5上模式选择开关的“演示”选项。[0083] 当处于该模式时，操作人员可根据意愿，调整操作面板5上俯仰角度 调整区、偏航角度(ψ)调整区和滚转角度(γ)调整区内的偏差角度选择开关，随后按下作动按键。运动控制PLC根据操作人员输入的指令，向相关作动机构发出作动信号，执行规定的姿态调整动作，同时反馈位置信号，运动状态显示面板7上的对应喷管指示灯亮起，指示出该喷管开始工作。同时，操作面板5上的控制指令显示屏上，会显示出本次姿态控制动作对应的控制指令代码。当姿态调整动作执行到位后，喷管指示灯熄灭，上部摆动平台6姿态保持不动。完成本次演示后，手动按下复位键，各个作动机构复位，结束本次训练。飞行器姿态控制演示模式的响应流程见图7所示。[0084] 应当注意的是，在选择俯仰角度 偏航角度ψ和滚转角度γ时，不同调整区的偏差角度选择开关可以同时组合使用，即俯仰偏差角度、偏航偏差角度、滚转偏差角度可独立运行，也可两两组合或者三个同时组合，但是，同一调整区内的偏差角度选择开关只能4选1，不能同时多个运行，否则，作动按键将自动跳起，控制指令显示屏也会闪烁“EEEE”报错。[0085] (2)飞行器姿态控制训练模式[0086] 该模式对应于操作控制面板5上模式选择开关的“训练”选项。[0087] 当处于该模式时，电控系统4随机生成一个姿态控制指令，并发送到控制指令显示屏上。训练人员看到显示屏上的指令代码后，根据该指令的要求，调整操作面板5上俯仰角度 调整区、偏航角度(ψ)调整区和滚转角度(γ)调整区内的偏差角度选择开关，随后按下作动按键。若选择开关输入的角度值不符合“同一调整区内偏差角度选择开关4选1”的规则，则作动按键自动弹起，控制指令显示屏闪烁“EEEE”报错，电控系统重新跳转回初始状态，随机生成控制指令，开始新一轮的训练。若选择开关输入的角度值符合规则，则运动控制PLC根据训练人员输入的角度，向相关作动机构发出作动信号，完成相应角度值的姿态调整动作，同时反馈位置信号，运动状态显示面板7上的对应喷管指示灯亮起，指示出该喷管开始工作。当以上姿态调整到位后，电控系统根据位置反馈信号，判断本次调整是否按照控制指令要求完成，若判断已完成，则控制指令显示屏显示“AAAA”，表示本次操作正确，训练人员可按复位键，姿态控制机构复位，喷管指示灯灭，若电控系统判断本次姿态调整错误，则控制指令显示屏上的控制指令会常闪，提示错误，训练人员可重新操作偏差角度选择开关，直至正确的完成该控制指令代码对应的姿控动作。[0088] 飞行器姿态控制训练模式的响应流程见图8所示。[0089] 3.飞行器姿态控制模拟训练实例操作与作动过程[0090] 某次教学中，想模拟演示飞行器姿态的调整过程，实现正俯仰小偏差 正偏航大偏差ψ＝+30°、正滚转小偏差γ＝+15°的姿态模拟。[0091] (1)模式选择[0092] 根据教学意图，在系统加电后，应当选择操作控制面板5上模式选择开关的“演示”选项。[0093] (2)选择偏差角度[0094] 依次调整操作面板5上的偏差角度选择开关，俯仰角度 调整区中选择正俯仰小偏差旋钮上的+15开关，偏航角度(ψ)调整区中选择正偏大偏差旋钮上的+30开关，滚转角度(γ)调整区中选择正滚转小偏差旋钮上的+15开关。[0095] (3)姿态调整模拟[0096] 按下作动按键。电控系统首先判断本次输入信号是否符合规则，即同一调整区内的偏差角度选择开关只能4选1，不能同时多个运行，若不符合该规则，则作动按键自动跳起，控制指令显示屏闪烁“EEEE”报错；若输入符合规则，则进入作动过程，同时控制指令显示屏显示“0010”，显示本次姿态控制的控制代码。[0097] ①俯仰姿态调整。运动控制PLC控制步进减速电机D811驱动丝杠滑台D812在指定的时间内向下移动Lsin15°，步进减速电机C809驱动丝杠滑台C810同步带动步进减速电机D811和丝杠滑台D812向中心顶杆804方向移动?L(1?cos15°)，这样上部摆动平台6会以球头轴承A801和球头轴承C803的连线为轴产生正俯仰15°的运动。[0098] ②偏航姿态调整。运动控制PLC同步控制步进减速电机B807驱动丝杠滑台B808向下移动Lsin30°，步进减速电机A805驱动丝杠滑台A806同步带动步进减速电机B807和丝杠滑台B807向中心顶杆804方向移动?L(1?cos30°)，实现上部摆动平台6以球头轴承B802和球头轴承C803的连线为轴产生正偏航30°运动。[0099] ③滚转姿态调整。运动控制PLC同步控制滚转电机10驱动底部回转支承9，带动空间正交运动机构8、上部摆动平台6和运动状态显示面板7顺时针旋转15°。[0100] ④运动状态显示。运动控制PLC控制相应机构作动的过程中，同时控制运动状态显示面板7中的⑩喷管指示灯、⑦⑥ 号喷管指示灯、②⑨号喷管指示灯变亮，⑩号喷管指示灯亮代表正在执行正俯仰15°运动，⑦⑥ 号喷管指示灯亮代表正在执行正偏航30°运动，②⑨号喷管指示灯亮代表正在执行滚转15°运动。[0101] ⑤完成作动。运动控制PLC控制相应电机作动的过程中，编码器实时获取步进减速电机A805、步进减速电机B807、步进减速电机C809、步进减速电机D811和滚转电机10的状态信息，信号处理后与运动控制PLC通信，经计算达到指定偏差时，停止电机作动；同时运动状态显示面板7上点亮的喷管指示灯熄灭。[0102] (4)系统复位[0103] 按下操作控制面板5的复位按键，运动控制PLC控制步进减速电机A805、步进减速电机B807、步进减速电机C809、步进减速电机D811和滚转电机10反向作动，驱动丝杠滑台A806、丝杠滑台B808、丝杠滑台C810、丝杠滑台D812恢复到初始位置，使上部摆动平台5和运动状态显示面板7姿态恢复到初始水平状态。[0104] 以上举例说明了飞行器姿态控制模拟演示的过程。以此类推，飞行器姿态控制模拟训练的过程与此相似，主要差别是多出了控制指令代码的判读和系统判断是否按照指令完成姿态调整的过程，其执行过程可参见流程图8。[0105] 通过实施例的描述，可见本发明所述的飞行器姿态控制模拟训练装置不仅实现了飞行器俯仰、偏航和滚转三个自由度姿态的模拟，更以教学演示和控制训练为目的，实现了具体的飞行器姿态调整与控制演示、控制指令与控制动作模拟训练等功能。[0106] 本实施例中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

专利地区：山东

专利申请日期：2020-06-12

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN111710210B