[发明专利]一种连续在轨运动的六自由度捕获轨迹试验方法

说明书

本发明公开了一种连续在轨运动的六自由度捕获轨迹试验方法，所述试验方法利用测力天平测得的分离体模型气动力，求解全尺寸分离体动力学方程组，得到全尺寸分离体的飞行轨迹，再通过天地转换、速度缩比，得到风洞坐标系下分离体模型的运动轨迹，最后利用六自由度机构带动分离体模型按需要的轨迹运动，在分离体模型运动过程中，提前测量天平数据，求解全尺寸分离体动力学方程组，并规划下一段运动轨迹。该试验方法无需暂停运动进行信号测量和数据计算，使得整个分离体模型的运动轨迹无间歇，并能确保分离体模型始终保持在真实轨迹上，提高了试验精度，增大了试验数据量，缩短了捕获轨迹试验时间，降低了试验成本。

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种连续在轨运动的六自由度捕获轨迹试验方法。

背景技术

风洞捕获轨迹试验技术（简称CTS）是运用在风洞试验中的一种机电一体化装置，用来模拟分离体从主机上分离后的运动轨迹，为分离体在其主机上的合适布局和投放参数控制提供可靠依据。它利用计算机、六自由度装置和风洞相互配合，通过测量分离体模型的气动载荷求解分离体模型空间六自由度运动方程组来获取分离体模型的运动位置或速度，进而实现投放轨迹模拟。

目前，CTS的控制方式主要是基于闭环的位置控制方式，分离体模型处于定速间歇式运动模式，主要存在以下不足：

1）分离体模型在运动到目标位置后暂停，进行信号测量和数据计算，然后再进行下一步的运动，并需要对位置进行反复修正，故获得一条分离体轨迹的时间较长，其试验效率低，能耗高；

2）分离体模型运动为非连续性，轨迹点的下一点位置是预测产生，并不一定和分离体模型六自由度动力学方程规定位置始终重合，模型重心也不能连续保持在真实运动轨迹上。

除此之外，国内外还有CTS的速度控制方法，求解分离体飞行的运动学六自由度方程，算出给定时间步长后分离体的质心运动速度与绕质心转动的角速度，再使用插值方法得到连续的速度与角速度，然后控制六自由度机构带动分离体模型按照运动轨迹与运动姿态移动，逐步推进完成一条分离轨迹的测量，但求解出来的速度之间使用二次插值多项式的方法，运动的位置可能会与六自由度运动微分方程计算出的位置差别较大。

由于CTS系统六自由度机构运动的轨迹不能在试验前确定，所以传统工业六自由度机械手的成熟的控制策略难以直接运用到CTS试验的控制中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种连续在轨运动的六自由度捕获轨迹试验方法。

本发明的连续在轨运动的六自由度捕获轨迹试验方法，其特点是：所述的试验方法使用的试验设备包括上位计算机、下位计算机、电机驱动器、电机、六自由度机构、位置传感器、速度传感器和测力天平；所述的电机驱动器包括X1轴电机驱动器、X2轴电机驱动器、Y轴电机驱动器、Z1轴电机驱动器、Z2轴电机驱动器、α轴电机驱动器、β轴电机驱动器和γ轴电机驱动器；所述的电机包括与电机驱动器对应的X1轴电机、X2轴电机、Y轴电机、Z1轴电机、Z2轴电机、α轴电机、β轴电机和γ轴电机；所述的电机轴上安装有绝对式编码器，绝对式编码器将采集的数据处理成位置和速度信息，绝对式编码器具有位置传感器和速度传感器的双重功能；

其连接关系是，所述的上位计算机、下位计算机和电机驱动器通过网线连接，电机驱动器和电机通过信号线和动力线连接，位置传感器、速度传感器和下位计算机通过信号线连接、测力天平和下位计算机通过信号线连接；分离体模型内部安装有测力天平，测力天平的支杆与六自由度机构固定连接；所述的电机驱动器驱动电机控制六自由度机构通过测力天平的支杆带动分离体模型运动；

所述的上位计算机安装有人机互动程序，人机互动程序用于读取试验参数和保存数据、触发试验、显示当前速度和位置、显示天平信号；

所述的下位计算机安装有PLC软件，用于实时控制电机运动，并在PLC软件内编写捕获轨迹试验的程序；