[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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。本发明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。

发明内容

发明目的：本发明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。