一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统与控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统与控制方法，包括：无人倾转旋翼机平台、动力系统、传动系统、数据标定系统、数据链系统、地面测控系统、控制系统与控制方法。本发明专利技术，具有倾转旋翼机吹风模型标定、测试、控制一体化吹风实验能力。地面测控系统通过无线数据链将指令与机载控制系统交互通信，完成不同吹风速度与短舱倾角匹配关系下的全状态吹风实验，特别适合于研究旋翼动力状态下尾流与机翼/机身之间的干扰关系，为分析倾转旋翼机气动干扰机理、优化倾转旋翼机非线性飞行动力学建模提供可靠的参数依据。该一体化控制系统，具有布线精简、实验效率高、测试状态全等优点，有效地提高了倾转旋翼机全状态吹风实验的效率。

A test system and control method for the whole state blowing experiment of a tilting rotor machine

The invention discloses a test system for Tiltrotor full state blowing experiment and control methods, including unmanned tiltrotor platform, power system, transmission system, data calibration system, data link system, ground control system, control system and control method. The invention has the ability to calibrate, test and control the integrated blowing experiment of a tilting rotor blower model. The ground control system through the wireless data chain command and control system of airborne communication, the state of different speed and air blowing experiment, nacelle angle relationship, especially suitable for interference on rotor dynamic state relationship between the wake and the wing / body between the analysis of tiltrotor aerodynamic interference mechanism, optimization a reliable parameter basis of tilting nonlinear rotorcraft flight dynamics modeling. The integrated control system has the advantages of simple wiring, high efficiency and uniform test condition. It effectively improves the efficiency of the whole rotor blowing experiment.

【技术实现步骤摘要】
一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统与控制方法
本专利技术涉及一种无人机模型吹风实验控制系统，尤其针对倾转旋翼这一复杂构型无人机开展全状态、带动力吹风实验系统研制，属于控制系统地面测试

技术介绍
倾转旋翼机是一种兼具直升机与固定翼螺旋桨飞机飞行优点的飞行器，通过短舱倾转带动旋翼系统的拉力矢量在垂直与水平方向相互转换，进而完成直升机与固定翼螺旋桨飞机飞行模式的切换。其独特的气动布局可以合理解决无人机的垂直起降、高速巡航等飞行特点，增加了无人机的航时、航程，扩大了常规构型飞行器的飞行包线。倾转旋翼机具有自身飞行优点的同时也存在很多技术难点，从控制相关领域考虑主要包括：全模式飞行状态的非线性飞行动力学建模技术、全模式飞行状态的控制律设计技术、全模式飞行状态的冗余舵面重构技术、全模式飞行状态的旋翼变转速控制技术、全模式飞行安全走廊预估技术等。其中全模式飞行状态的非线性飞行动力学建模技术需要探索倾转旋翼机的气动干扰问题。在直升机飞行模式下，倾转旋翼机等同于横列式双旋翼直升机，机翼对旋翼尾流的阻塞作用，以及双旋翼之间尾迹干扰，形成典型的“喷泉效应”；在倾转过渡飞行模式，随着旋翼尾迹的弯曲变形，旋翼与机翼角度变化导致该过程是一个高动态、强耦合、非线性的运动过程，通过现有理论建模技术很难描述该过程的运动机理，因此亟需对该复杂过程展开吹风实验，通过实验数据探索该过程的运动特性，对理论建模进行非线性修正；而在固定翼飞行模式，双旋翼演变为固定翼的螺旋桨，由于桨叶需要同时满足旋翼以及螺旋桨的性能，因此在该飞行模式主要研究桨叶的气动性能，以及尾流对机身的气动干扰作用。现阶段，在国内有的学者针对倾转旋翼机模型或者结构部件如短舱系统等展开实验研究，但针对带动力、全状态倾转旋翼机进行吹风实验的报道较少，因此在国内对倾转旋翼机展开带动力、全状态吹风实验具有重要的科学意义。本专利技术充分考虑倾转旋翼机的飞行状态，在现有实验室基础条件下，设计一体化操纵控制系统，囊括倾转旋翼机的全模式飞行状态，为机理建模提供可靠的实验数据。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是设计一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统与控制方法，通过该系统可以在风洞实验室内完成全状态模拟倾转旋翼机的飞行过程，掌握各飞行模式的运动机理，特别是过渡飞行模式的复杂运动学特性，便于在实验室内获得倾转旋翼机大量的数据资料，有效地提高了实验效率，并降低验证机试飞试验的风险。技术方案：为了完成以上目的，采取以下技术方案。一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统，该系统包括地面测控系统、全尺寸倾转旋翼机平台、连接支架、天平、平台支架柱、风洞以及数据采集设备，其中：所述全尺寸倾转旋翼机平台在重心位置安装连接支架，通过连接支架与天平连接，所述天平安装在地面的平台支架柱上；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有机上数传电台，所述机上数传电台用于与地面测控系统通讯，进行数据传输；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有机上控制系统，所述机上控制系统接收所述机上传输电台的数据控制执行机构的位置变化；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有执行机构，所述执行机构根据机上控制系统的指令完成周期变距、舵面偏转动作；所述地面测控系统设有地面数据电台，所述地面数据电台将地面控制系统的控制指令发送给机上数传电台，实现地面控制系统对全尺寸倾转旋翼机平台的控制数据传输；所述地面测控系统根据实验状况生成相应的控制指令；所述风洞设置在整个由全尺寸倾转旋翼机平台、连接支架、天平、平台支架柱组成的实验系统外部，为实验提供不同风速；所述数据采集设备采集天平测量的六分量试验数据；所述全尺寸倾转旋翼机平台包括一小型无人倾转旋翼验证机模型，其包括动力系统以及传动系统，所述动力系统包括双翼尖无刷直流电机、地面大功率直流电源、开关电源；所述机上数传电台收地面测控系统的控制指令，实时控制无刷直流电机的转速；地面大功率直流电源为双翼尖无刷电机提供能源，所述开关电源为实验平台的控制系统提供电源；所述传动系统包括连接在机翼上的倾转机构和短舱系统，其中倾转机构采用蜗轮蜗杆驱动方式，短舱系统包括依次连接的电机驱动旋翼系统、以及舵机驱动自动倾斜器，作期望舵面控制。所述地面传输电台通过串口与地面测控系统的控制器连接。所述数据采集设备通过数据采集电缆与天平连接，实时采集天平的应力变化，获得倾转旋翼机的六力素数据。所述地面测控系统对全尺寸倾转旋翼机平台的每个执行机构进行中立点微调、输出行程限幅，每个操纵舵面微调，并实时显示每个执行机构的当前位置；所述地面测控系统完成电机的启动和停转、飞行模式转换、配平数据存储与提取、执行机构复位功能。所述操纵舵面角度包括总距、总距差动、横向变距、纵向变距、纵向差动、襟副翼、升降舵、方向舵以及短舱角。本专利技术还提供一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验测试系统的控制方法，该方法控制步骤如下：首先，将整个实验系统置于风洞环境中，a.地面测控系统供电，当测控系统初始化完成后，打开数据链系统，完成地面测控系统初始状态的控制指令发送任务，再打开地面开关电源为全尺寸倾转旋翼机平台的控制系统供电，控制系统接收到地面的初始化控制指令后，将全机舵面位置控制到复位状态；b.初始化完成后，若进行静态吹风实验或者旋翼无动力实验，按照实验要求，在地面测控系统中，将全尺寸倾转旋翼机平台的初始角度指令发送到机上控制系统，所述机上控制系统根据接收的控制指令完成全尺寸倾转旋翼机平台的操纵面驱动控制，然后数据采集设备系统采集初始状态的六力素，风洞开始风速启动、调整到稳态，再进行数据采集工作；c.若进行动力吹风实验，在系统完成初始化之后，将地面大功率直流电源开关闭合，为动力系统供电，按照实验要求，先发送舵面控制指令，再发送启动电机指令，直至电机达到额定转速再采集初始状态的六力素，风洞开始风速启动、调整到稳态，再进行数据采集工作。步骤b中的全尺寸倾转旋翼机平台的初始角度包括总距、总距差动、横向周期变距、纵向周期变距、纵向周期变距差动、双襟副翼舵、升降舵、方向舵以及短舱倾角的角度。所述机上控制系统通过PWM信号驱动执行机构动作。本专利技术与现有技术方案的优点在于：(a)相对于单一静态模式吹风实验，本专利技术所述的全状态吹风实验，体现了倾转旋翼机的特点，具备在实验室全状态模拟该无人机多种飞行模式的飞行过程。在倾转过渡模式，短舱倾角在飞行包线内任意给定，便于深入研究这一特殊飞行模式的运动机理，进而探索该构型飞行器的转换走廊、操纵特性等。通过吹风实验获得大量的实验数据，为试飞试验提供了理论支撑，并降低了试飞试验的风险。(b)本专利技术所述带动力吹风实验最大程度模拟真实的试飞环境，旋翼处于工作状态，旋翼尾流与吹风气流混合流过机身。通过对该过程的试飞数据分析结合无动力实验状态，可以更加深入掌握旋翼之间、旋翼/机翼、旋翼/机身之间的气动干扰作用，而且随着短舱倾转，吹风速度变化，固定翼舵面的切入与旋翼变距的洗出等操纵特性，均得到实验验证。附图说明图1为本专利技术的安装示意图；图2为本专利技术的动力和传动部件图；图3为本专利技术的测控软件流程图；图4为本专利技术的控制系统输出的PWM信号；图5为本专利技术的原理示意图；图6为本专利技术系统的数据传输示意图；图7为本专利技术系统的物理连接示意图；图中附图标记的含义为：1-机身；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统，其特征在于，该系统包括地面测控系统、全尺寸倾转旋翼机平台、连接支架、天平、平台支架柱、风洞以及数据采集设备，其中：所述全尺寸倾转旋翼机平台的重心位置上安装连接支架，通过连接支架与天平连接，所述天平安装在地面的平台支架柱上；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有机上数传电台，所述机上数传电台用于与地面测控系统通讯，进行数据传输；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有机上控制系统，所述机上控制系统接收所述机上传输电台的数据控制执行机构的位置变化；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有执行机构，所述执行机构根据机上控制系统的指令完成周期变距、舵面偏转动作；所述地面测控系统设有地面数据电台，所述地面数据电台将地面控制系统的控制指令发送给机上数传电台，实现地面控制系统对全尺寸倾转旋翼机平台的控制数据传输；所述地面测控系统根据实验状况生成相应的控制指令；所述风洞设置在整个由全尺寸倾转旋翼机平台、连接支架、天平、平台支架柱组成的实验系统外部，为实验提供不同的吹风速度；所述数据采集设备用于采集天平测量的六分量试验数据。

【技术特征摘要】
1.一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统，其特征在于，该系统包括地面测控系统、全尺寸倾转旋翼机平台、连接支架、天平、平台支架柱、风洞以及数据采集设备，其中：所述全尺寸倾转旋翼机平台的重心位置上安装连接支架，通过连接支架与天平连接，所述天平安装在地面的平台支架柱上；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有机上数传电台，所述机上数传电台用于与地面测控系统通讯，进行数据传输；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有机上控制系统，所述机上控制系统接收所述机上传输电台的数据控制执行机构的位置变化；所述全尺寸倾转旋翼机平台上设有执行机构，所述执行机构根据机上控制系统的指令完成周期变距、舵面偏转动作；所述地面测控系统设有地面数据电台，所述地面数据电台将地面控制系统的控制指令发送给机上数传电台，实现地面控制系统对全尺寸倾转旋翼机平台的控制数据传输；所述地面测控系统根据实验状况生成相应的控制指令；所述风洞设置在整个由全尺寸倾转旋翼机平台、连接支架、天平、平台支架柱组成的实验系统外部，为实验提供不同的吹风速度；所述数据采集设备用于采集天平测量的六分量试验数据。2.根据权利要求1所述的一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统，其特征在于：所述倾转旋翼机平台包括一小型无人倾转旋翼验证机模型，其包括动力系统以及传动系统，所述动力系统包括双翼尖无刷直流电机、地面大功率直流电源、开关电源；所述机上控制系统收地面测控系统的控制指令，实时控制无刷直流电机的转速；地面大功率直流电源为双翼尖无刷电机提供能源，所述开关电源为实验平台的控制系统提供电源；所述传动系统包括连接在机翼上的倾转机构和短舱系统，其中倾转机构采用蜗轮蜗杆驱动方式，短舱系统包括依次连接的电机驱动旋翼系统、以及舵机驱动自动倾斜器，作期望舵面控制。3.根据权利要求1所述的一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统，其特征在于：所述地面传输电台通过串口与地面测控系统连接。4.根据权利要求1所述的一种用于倾转旋翼机全状态吹风实验的测试系统，其特征在于：所述数据采集设备通过数据采集电缆与天平连接，实时采集天平的应力变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭剑东，宋彦国，高艳辉，仲倩，李志宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32