專利名稱：翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于翼傘系統(tǒng)歸航控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及對翼傘空投實驗系統(tǒng)的改進，具體為翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
翼傘氣動性能優(yōu)良，通過自動或者手動的滑翔轉(zhuǎn)彎控制實現(xiàn)比較精確的定點著陸。又以其低成本在各領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。如無人機和飛船返回艙的回收、人員和武器裝備的空投、高空風(fēng)能發(fā)電等。翼傘系統(tǒng)的操縱主要是靠左(或右)側(cè)的單側(cè)下偏，當(dāng)電機拉下左(或右)操縱繩時，翼傘系統(tǒng)向左(或右)轉(zhuǎn)彎，通過電機不斷地操縱傘繩使得系統(tǒng)沿著設(shè)定的航跡運動。 只有通過自主歸航控制算法不斷的進行誤差修正，才能實現(xiàn)翼傘系統(tǒng)的精確自主歸航。現(xiàn)行驗證控制器的有效性和控制執(zhí)行機構(gòu)的正確性的方法主要是汽車拖曳實驗，塔臺投放實驗和高空空投實驗。這些實驗的主要目的是要給翼傘系統(tǒng)提供一個接近實際的空投環(huán)境，模擬出翼傘系統(tǒng)的實際空投過程出艙，充滿完全展開，控制器接收傘載 GPS信號，自主歸航控制算法解算控制量，控制量施加到控制執(zhí)行機構(gòu)對翼傘系統(tǒng)進行歸航控制，在著陸點精確著陸。但是這些實驗驗證方法都存在一定的缺點汽車拖曳實驗是以一定的速度使得翼傘系統(tǒng)充滿展開，控制算法解算出控制量， 控制量施加到控制執(zhí)行機構(gòu)，這種方法只能驗證控制器與控制執(zhí)行機構(gòu)以及控制執(zhí)行機構(gòu)與翼傘連接的正確性，并不能很好的驗證自主歸航控制算法的有效性。塔臺投放實驗是將翼傘系統(tǒng)在完全充滿展開的情況下，以給定的初始速度在一定的高度下落，這種方法既能驗證控制器與控制執(zhí)行機構(gòu)以及控制執(zhí)行機構(gòu)與翼傘連接的正確性，又能在一定程度上驗證自主歸航控制算法的有效性，但是由于塔臺投放高度有限，并不能很好的驗證自主歸航控制算法的有效性。高空空投實驗是用飛機將翼傘系統(tǒng)載至一定高度的高空，可以完整實現(xiàn)翼傘出艙直至著陸的過程，這種方法既能驗證控制器與控制執(zhí)行機構(gòu)以及控制執(zhí)行機構(gòu)與翼傘連接的正確性，又能驗證自主歸航控制算法的有效性，但是費用高、風(fēng)險大、組織一次實驗耗時較長。為了能在實際空投前驗證控制算法的有效性和控制執(zhí)行機構(gòu)的正確性，期望有一種驗證周期短、節(jié)約成本、高度逼近實際空投環(huán)境的實驗方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)，能夠模擬翼傘自主歸航過程真實工作環(huán)境的測試平臺。本發(fā)明提供的翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)，包括電機操縱系統(tǒng)、傘載控制系統(tǒng)和翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)；
電機操縱系統(tǒng)包括底座，底座上安裝的支撐架，以及用于控制翼傘系統(tǒng)左下偏的左電機和右下偏的右電機，左電機和右電機軸套上各安裝有一個用于卷動翼傘操縱繩的絞盤，用于控制翼傘后緣的兩根翼傘操縱繩的一端分別固定并纏繞在其中的一個絞盤上，翼傘操縱繩的另一端繞過支撐架頂端橫梁上安裝的滑輪后各固定有一個模擬左右下偏控制時翼傘操縱繩受力的重錘，左電機和右電機分別通過電機控制器輸出動力線連接傘載控制系統(tǒng)中的電機控制器，左電機和右電機上同時各安裝有一個用于反饋翼傘操縱繩位置的多圈電位器，多圈電位器通過反饋信號線連接傘載控制系統(tǒng)中的微控制單元；傘載控制系統(tǒng)包括兩個電機控制器，分別與電機操縱系統(tǒng)中左電機或右電機連接，用于對左電機或右電機進行控制，實現(xiàn)控制算法并提供控制策略的微控制單元，分別與兩個電機控制器連接，同時通過反饋信號線分別連接電機操縱系統(tǒng)中的兩個用于反饋電機控制位置的多圈電位器，微控制單元根據(jù)多圈電位器的反饋信號及翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)解算的翼傘系統(tǒng)的位置對左電機或右電機進行控制，電源，用于為兩個電機控制器供電；翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)與傘載控制系統(tǒng)中的微控制單元連接，由仿真PC機實現(xiàn)，仿真PC機采用空投過程中的翼傘系統(tǒng)動力學(xué)非線性模型，仿真PC機將解算的翼傘系統(tǒng)的位置實時顯示形成動態(tài)的翼傘系統(tǒng)三維歸航曲線圖，并將解算的翼傘系統(tǒng)的位置以GPS 的信號格式提供給傘載控制系統(tǒng)中的微控制單元。所述的左電機和右電機采用直流電動機，該電機能夠?qū)g盤施加正、反兩個方向的力矩。所述的動力學(xué)非線性模型為六自由度非線性模型，包括翼傘系統(tǒng)的三維位置信息，即慣性坐標(biāo)系下的X、Y和Z三軸位置，以及三個歐拉角信息，即俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角，在滿足接口協(xié)議的條件下，與傘載控制系統(tǒng)無縫連接。所述的GPS信號格式的位置包括經(jīng)緯度和高度信息，它由仿真PC機實時解算慣性坐標(biāo)系下的三軸位置得到，并傳遞到傘載控制系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果1)翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)中采用的裝置簡單、節(jié)約成本，在室內(nèi)就可以完成實驗。2)位于PC機的翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)采用空投過程中的翼傘系統(tǒng)六自由度非線性模型，可以設(shè)置較復(fù)雜的外界環(huán)境以高度逼近真實的空投過程。3)翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)可以綜合驗證自主歸航控制算法的有效性和控制器檢測與控制多任務(wù)協(xié)調(diào)的正確性以及操縱傘繩的控制執(zhí)行機構(gòu)的正確性。通過實時顯示在PC機上的翼傘系統(tǒng)歸航曲線來驗證所設(shè)計的自主歸航控制算法的有效性；電機操縱系統(tǒng)可以驗證控制器檢測與控制多任務(wù)協(xié)調(diào)的正確性以及操縱傘繩的控制執(zhí)行機構(gòu)的正確性。4)翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)作為一種實驗手段，驗證周期短、可重復(fù)利用率高，其為自主歸航控制器的設(shè)計、實驗以及驗證提供了有效的手段和開發(fā)環(huán)境。


圖1為翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，0-支撐架，1-左電機，2-右電機，3-絞盤，4-絞盤，5_翼傘操縱繩，6_翼傘操縱繩，7-重錘，8-重錘，9-滑輪，10-滑輪，11-多圈電位器，12-多圈電位器，13-反饋信號線，14-反饋信號線，15-微控制單元，16-控制量輸出信號線，17-控制量輸出信號線，18-電機控制器，19-電機控制器，20-電機控制器輸出動力線，21-電機控制器輸出動力線，22-電源線(負)，23_電源線(正)，M_電源，25-翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)提供控制信號的信號線，26-翼傘系統(tǒng)仿真模型，27-GPS信號的信號線，28-電機操縱系統(tǒng)，29-傘載控制系統(tǒng)， 30-翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)。圖2為實時顯示形成的翼傘系統(tǒng)三維歸航曲線圖；圖3為翼傘系統(tǒng)三維歸航曲線圖在水平面上的二維投影圖。
具體實施例方式實施例1 本翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括電機操縱系統(tǒng)觀、傘載控制系統(tǒng)四和翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)30。電機操縱系統(tǒng)28由支撐架0、控制翼傘系統(tǒng)左下偏的左電機1和右下偏的右電機 2、與電機軸套安裝的用于卷動翼傘操縱繩的絞盤3和4、用于控制翼傘后緣的翼傘操縱繩5 和6、模擬左右下偏控制時翼傘操縱繩受力的重錘7和8、支撐翼傘操縱繩受力的滑輪9和 10、用于反饋電機控制位置的多圈電位器11和12、連接到微控制單元的反饋信號線13和 14以及接收電機控制信號的動力線20和21組成。傘載控制系統(tǒng)四由接收多圈電位器11和12反饋電機1和2控制位置的反饋信號線13和14、微控制單元15、微控制單元15解算出的電機控制量輸出信號線16和17、電機控制器18和19、電機控制器18和19的輸出動力線20和21、給電機控制器18和19供電的電源線22和23、電源M、微控制單元15給翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)提供控制信號的信號線25以及微控制單元15接收翼傘系統(tǒng)空投GPS信號的信號線27組成。翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)30由接收微控制單元15提供控制信號的信號線25、位于 PC機的翼傘系統(tǒng)仿真模型沈和為微控制單元15提供翼傘系統(tǒng)空投GPS信號的信號線27。支撐架0，架子以鋁合金方管為材料，底座以鋼板為材料，架子高1800mm，寬 600mm，左電機1和右電機2角對稱的安裝在底座上，電機的橫向中心軸線與支撐架0橫向中心軸線的距離為130mm。左電機1和右電機2采用臺灣全重(XAJONG)直流電機，型號為 5GX15KB(電機功率為100W，電壓MV，電流6. 5A，輸出轉(zhuǎn)速1800RPM，扭矩7. OKg/cm，減速比為1/3-1/1800)，通過改變輸入電壓的正負極來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。絞盤3和4的直徑為 140mm，用于卷繞翼傘操縱繩的槽深為14mm，槽寬為3. 5mm。翼傘操縱繩5和6為尼龍繩， 繩直徑為3. 5mm，繩長為1. 5米。翼傘操縱繩5和6的一端分別固定在絞盤3和4上，另一端通過支撐翼傘操縱繩5和6受力的滑輪9和10與模擬翼傘操縱繩受力的重錘7和8相連。重錘7和8為鐵質(zhì)實心的圓柱體，直徑為100mm，一種質(zhì)量為8Kg (單側(cè)下偏翼傘操縱繩受到的最大的力)，另一種質(zhì)量為13Kg(雙側(cè)下偏產(chǎn)生雀降效果時翼傘操縱繩受到的最大的力)?；?和10對稱的固定在支撐架0的頂端橫梁，其安裝點距離橫梁兩側(cè)端點為 150mm，為了避免操縱翼傘操縱繩5和6過程時重錘7和8上下移動與翼傘操縱繩5和6發(fā)生摩擦，滑輪9和10都采用雙滑輪串接的形式，組成雙滑輪的兩個滑輪中心距離為70mm。 多圈定位器11和12為美國BOURNS生產(chǎn)的3590S-2-502L(獨立線性精度為士0. 25%，功率為2W，有效電子轉(zhuǎn)角為3600°，電阻值，輸入電壓0 100V)，分別與電機1和2軸套安裝，通過腳架固定在支撐架0上，電機1和2轉(zhuǎn)動分別帶動多圈定位器11和12轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，多圈定位器11和12中反應(yīng)電機1和2轉(zhuǎn)動圈數(shù)的位置信號分別通過反饋信號線13和 14反饋給微控制單元15。微控制單元15中預(yù)先置入設(shè)計好的自主歸航控制算法和目標(biāo)點，以固定的采樣周期接收位于PC機的翼傘系統(tǒng)仿真模型沈提供的GPS信號值，自主歸航控制算法以固定的控制周期根據(jù)GPS信號值和目標(biāo)點的位置解算出控制量，微控制單元15根據(jù)反饋信號值與解算得到的控制量比較判斷電機1和2的動作是否到位，微控制單元15判斷得到電機控制信號。微控制單元15將判斷得到的電機控制信號通過輸出信號線16和17輸出到電機控制器18和19，將解算得到的控制量通過信號線25輸出到翼傘系統(tǒng)仿真模型26。控制量的正負決定控制量輸入到哪個電機控制器，控制量是正表示對翼傘系統(tǒng)進行左下偏控制， 此時微控制單元15將判斷得到的電機控制信號通過輸出信號線16輸出到電機控制器18， 電機控制器18根據(jù)電機控制信號控制左電機1動作，微控制單元15不輸出信號給電機控制器19，右電機2不產(chǎn)生動作；控制量為負情況與上述相反。雙側(cè)下偏時電機控制器18和 19分別同時控制左電機1和右電機2動作。電機控制器18和19是臺灣全重FR-LVM低壓速度正反轉(zhuǎn)控制器(工作電壓MV，最大工作電流10A，工作頻率為20次/min，輸出電壓 MV，操作正、反轉(zhuǎn)的動作時，正反轉(zhuǎn)之間有剎車動作)，控制正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)是通過微控制單元15選擇電機控制器18和19的COM端是和CW端聯(lián)通還是和CCW端聯(lián)通，一旦微控制單元15選定電機控制器18和19的COM端連接的端口，電機控制器18和19的輸出端口會產(chǎn)生與之相應(yīng)極性的電壓，電壓控制信號分別通過20和21輸出到左電機1和右電機2，電機產(chǎn)生正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)動作。電機控制器18和19正常工作需要穩(wěn)壓直流電源由電源M通過電源線22和23提供，電源M是硅能電池MV/10Ah。翼傘系統(tǒng)仿真模型沈是翼傘系統(tǒng)的六自由度非線性仿真模型，采用Matlab編寫， 它可解算出翼傘系統(tǒng)在空投過程中的三維位置信息和三個歐拉角信息，這六個信息定位了翼傘系統(tǒng)在慣性坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)，進而將解算的翼傘系統(tǒng)的三維位置信息轉(zhuǎn)換成 GPS的信號格式的經(jīng)緯度和高度信息。翼傘系統(tǒng)仿真模型沈中可以加入風(fēng)、大氣密度的變化等擾動來模擬實際的翼傘空投的環(huán)境。GPS信號通過信號線27輸出到微控制單元15，供置入到微控制單元15中的自主歸航控制算法解算控制量。翼傘系統(tǒng)仿真模型沈以固定的控制周期接收微控制單元15通過信號線25輸出的控制量信號，控制量施加到六自由度非線性仿真模型，翼傘系統(tǒng)的航向發(fā)生變化，實現(xiàn)對翼傘系統(tǒng)歸航的控制。翼傘系統(tǒng)仿真模型 26記錄每個GPS信號采樣點的值，可以動態(tài)、直觀的在PC機上顯示翼傘系統(tǒng)的位置和歸航的曲線。圖2為在PC機上實時顯示的翼傘系統(tǒng)三維的位置和歸航的曲線圖。圖3為翼傘系統(tǒng)三維歸航曲線圖在水平面上的二維投影圖。翼傘系統(tǒng)的三維位置信息轉(zhuǎn)換成GPS的信號格式的經(jīng)緯度和高度信息是通過高斯-克呂格投影逆變換進行轉(zhuǎn)換獲得的，具體轉(zhuǎn)換過程如下a = 6378137m，橢球的長半軸b = 6356752. 3142m 橢球的短半軸f = (a-b) /a橢球的扁率e2 = (a2-b2)/a2 第一偏心率
ei2 = (a2_b2)/b2 第二偏心率χ, y, ζ為平面直角坐標(biāo)下翼傘系統(tǒng)的三維位置信息。
權(quán)利要求
1.一種翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括電機操縱系統(tǒng)、傘載控制系統(tǒng)和翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)；電機操縱系統(tǒng)包括底座，底座上安裝的支撐架，以及用于控制翼傘系統(tǒng)左下偏的左電機和右下偏的右電機，左電機和右電機軸套上各安裝有一個用于卷動翼傘操縱繩的絞盤， 用于控制翼傘后緣的兩根翼傘操縱繩的一端分別固定并纏繞在其中的一個絞盤上，翼傘操縱繩的另一端繞過支撐架頂端橫梁上安裝的滑輪后各固定有一個模擬左右下偏控制時翼傘操縱繩受力的重錘，左電機和右電機分別通過電機控制器輸出動力線連接傘載控制系統(tǒng)中的電機控制器，左電機和右電機上同時各安裝有一個用于反饋翼傘操縱繩位置的多圈電位器，多圈電位器通過反饋信號線連接傘載控制系統(tǒng)中的微控制單元；傘載控制系統(tǒng)包括兩個電機控制器，分別與電機操縱系統(tǒng)中左電機或右電機連接，用于對左電機或右電機進行控制，實現(xiàn)控制算法并提供控制策略的微控制單元，分別與兩個電機控制器連接，同時通過反饋信號線分別連接電機操縱系統(tǒng)中的兩個用于反饋電機控制位置的多圈電位器，微控制單元根據(jù)多圈電位器的反饋信號及翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)解算的翼傘系統(tǒng)的位置對左電機或右電機進行控制，電源，用于為兩個電機控制器供電；翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)與傘載控制系統(tǒng)中的微控制單元連接，由仿真PC機實現(xiàn)，仿真PC機采用空投過程中的翼傘系統(tǒng)動力學(xué)非線性模型，仿真PC機將解算的翼傘系統(tǒng)的位置實時顯示形成動態(tài)的翼傘系統(tǒng)三維歸航曲線圖，并將解算的翼傘系統(tǒng)的位置以GPS的信號格式提供給傘載控制系統(tǒng)中的微控制單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的左電機和右電機采用直流電動機，電機能夠?qū)g盤施加正、反兩個方向的力矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的仿真PC機解算的動力學(xué)非線性模型為六自由度非線性模型，包括翼傘系統(tǒng)的三維位置信息，即慣性坐標(biāo)系下的1、7和1!三軸位置， 以及三個歐拉角信息，即俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角，在滿足接口協(xié)議的條件下，與傘載控制系統(tǒng)無縫連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的GPS信號格式的位置包括經(jīng)緯度和高度信息，它由仿真PC機實時解算慣性坐標(biāo)系下的三軸位置得到，并傳遞到傘載控制系統(tǒng)。
全文摘要
一種翼傘自主歸航半實物仿真系統(tǒng)。包括電機操縱系統(tǒng)、傘載控制系統(tǒng)和翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)。電機操縱系統(tǒng)能夠模擬翼傘自主歸航過程中實時操縱翼傘后緣傘繩的動作；傘載控制系統(tǒng)的輸出控制信號施加到電機操縱系統(tǒng)和翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)；翼傘系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)中，仿真PC機解算翼傘系統(tǒng)動力學(xué)非線性模型，將仿真的翼傘系統(tǒng)的位置信息解算為GPS的信號格式提供給傘載控制系統(tǒng)，并將解算的GPS信號值實時顯示形成動態(tài)的翼傘系統(tǒng)三維歸航曲線圖，以此驗證自主歸航控制器的有效性和控制執(zhí)行方案的正確性。本發(fā)明是實際空投前驗證控制算法和控制執(zhí)行方案的半實物仿真，可提前發(fā)現(xiàn)問題及時解決，縮短了翼傘系統(tǒng)自主歸航控制方案的開發(fā)周期，節(jié)約了成本。
文檔編號G05B17/02GK102323759SQ20111017434
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者吳泰霖, 孫青林, 焦亮, 鄒曉健, 陳增強 申請人:南開大學(xué)