基于极坐标靶标及三轴转台的飞行器姿态跟踪控制教学实验装置

摘要

基于极坐标靶标及三轴转台的飞行器姿态跟踪控制教学实验装置，它涉及飞行器姿态跟踪控制教学实验装置。它为了解决现有教学过程中由于缺少飞行器教学实验装置，不能完成飞行器各种控制律实验的问题。俯仰摆动轴部件固定在方位转动轴部件上；靶标传感器和靶盘固定装设在靶标驱动电机的电机转轴上；靶盘上固定设置有多个指示灯；滚转轴部件可滚转地装设在俯仰摆动轴部件上，飞行器固定设置在滚转轴上；飞行器光传感器的传感头朝向极坐标靶标组件中的靶盘；它通过对目标点测量，判断飞行器指向目标点的位置变化状况，通过三轴转台组件完成飞行器的姿态控制，实现飞行器对目标点的实时跟踪。它可为飞行器控制等课程教学提供了较理想的实验平台。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞行器姿态跟踪控制教学实验装置。

背景技术

飞行器实时控制是飞行器目标跟踪系统的关键环节，飞行器目标跟踪效果完全取决 于优良的飞行器控制律。如何能通过一种实验装置将各种飞行器控制律特性展示出来， 已经成为了飞行器控制及探测与制导教学的重要组成部分。在教学过程中，受制于技术、 环境、经济等因素影响，实物飞行器目标跟踪系统实验教学很难实施，缺少一种飞行器 教学实验装置，来完成飞行器各种控制律实验。

发明内容

本发明为了解决现有教学过程中由于缺少飞行器教学实验装置，不能完成飞行器各种 控制律实验的问题，而提出的基于极坐标靶标及三轴转台的飞行器姿态跟踪控制教学实验 装置。

基于极坐标靶标及三轴转台的飞行器姿态跟踪控制教学实验装置，它由极坐标靶标组 件、飞行器、参数测量及驱动控制组件、三轴转台组件和中心控制组件组成；所述极坐 标靶标组件和三轴转台组件固定装设在基座上；所述极坐标靶标组件由靶标驱动电机、 靶标传感器和靶盘组成；所述靶标传感器和靶盘固定装设在靶标驱动电机的电机转轴上； 所述靶盘上固定设置有多个指示灯；所述三轴转台组件包括方位转动轴部件、滚转轴部 件和俯仰摆动轴部件；所述俯仰摆动轴部件通过支架设置在方位转动轴部件上，所述俯 仰摆动轴部件用于调整俯仰角度；滚转轴部件装设在俯仰摆动轴部件上，所述滚转轴部 件用于调整滚转方向，所述飞行器固定设置在滚转轴部件上；所述飞行器包括本体和导 引头，所述导引头上固定设置有飞行器光传感器；所述飞行器光传感器的传感头朝向极 坐标靶标组件中的靶盘；所述靶标传感器的靶标传感信号输出端与参数测量及驱动控制 组件的靶标传感信号输入端相连；所述靶标驱动电机的靶标电机驱动信号输入端与参数 测量及驱动控制组件的靶标电机驱动信号输出端相连；所述靶盘的指示灯闪亮驱动信号 输入端与参数测量及驱动控制组件的指示灯闪亮驱动信号输出端相连；所述飞行器光传 感器的飞行器光传感信号输出端与参数测量及驱动控制组件的飞行器光传感信号输入端 相连；所述参数测量及驱动控制组件的第一三轴转台传感信号输入端与三轴转台组件中 的方位转动轴部件的第一三轴转台传感信号输出端相连；所述参数测量及驱动控制组件 的第二三轴转台传感信号输入端与三轴转台组件中的滚转轴部件的第二三轴转台传感信 号输出端相连；所述参数测量及驱动控制组件的第三三轴转台传感信号输入端与三轴转 台组件中的俯仰摆动轴部件的第三三轴转台传感信号输出端相连；所述参数测量及驱动 控制组件的第一三轴转台电机驱动信号输出端与三轴转台组件中的方位转动轴部件的第 一三轴转台电机驱动信号输入端相连；所述参数测量及驱动控制组件的第二三轴转台电 机驱动信号输出端与三轴转台组件中的滚转轴部件的第二三轴转台电机驱动信号输入端 相连；所述参数测量及驱动控制组件的第三三轴转台电机驱动信号输出端与三轴转台组 件中的俯仰摆动轴部件的第三三轴转台电机驱动信号输入端相连；所述参数测量及驱动 控制组件的参数测量数据输出端与中心控制组件的参数测量数据输入端相连；参数测量 及驱动控制组件的驱动控制信号输入端与中心控制组件的驱动控制信号输出端相连。

本发明所述基于极坐标靶标及三轴转台的飞行器姿态跟踪控制教学实验装置采用极 坐标靶标提供目标点运动轨迹，通过飞行器光传感器2-1对目标点测量，判断飞行器2 指向目标点的位置变化状况，根据位置变化确定飞行器2姿态变化数据，通过驱动三轴 转台组件4转动完成飞行器2指向目标点的姿态控制，实现飞行器2对目标点的实时跟 踪。本发明所述教学实验装置可为飞行器控制等课程教学提供了较理想的实验平台。

附图说明

图1为本发明所述教学实验装置的结构示意图；图2为靶盘1-3的示意图；图3为本 发明所述教学实验装置的模块示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于极坐标靶标 及三轴转台的飞行器姿态跟踪控制教学实验装置，它由极坐标靶标组件1、飞行器2、参 数测量及驱动控制组件3、三轴转台组件4和中心控制组件5组成；所述极坐标靶标组件 1和三轴转台组件4固定装设在基座上；所述极坐标靶标组件1由靶标驱动电机1-1、靶 标传感器1-2和靶盘1-3组成；所述靶标传感器1-2和靶盘1-3固定装设在靶标驱动电机 1-1的电机转轴上；所述靶盘1-3上固定设置有多个指示灯1-4；所述三轴转台组件4包括 方位转动轴部件4-1、滚转轴部件4-2和俯仰摆动轴部件4-3；所述俯仰摆动轴部件4-3通 过支架设置在方位转动轴部件4-1上，所述俯仰摆动轴部件4-3用于调整俯仰角度；滚转 轴部件4-2装设在俯仰摆动轴部件4-3上，所述滚转轴部件4-2用于调整滚转方向，所述 飞行器2固定设置在滚转轴部件4-2上；所述飞行器2包括本体和导引头，所述导引头上 固定设置有飞行器光传感器2-1；所述飞行器光传感器2-1的传感头朝向极坐标靶标组件 1中的靶盘1-3；所述靶标传感器1-2的靶标传感信号输出端与参数测量及驱动控制组件3 的靶标传感信号输入端相连；所述靶标驱动电机1-1的靶标电机驱动信号输入端与参数测 量及驱动控制组件3的靶标电机驱动信号输出端相连；所述靶盘1-3的指示灯闪亮驱动信 号输入端与参数测量及驱动控制组件3的指示灯闪亮驱动信号输出端相连；所述飞行器光 传感器2-1的飞行器光传感信号输出端与参数测量及驱动控制组件3的飞行器光传感信号 输入端相连；所述参数测量及驱动控制组件3的第一三轴转台传感信号输入端与三轴转台 组件4中的方位转动轴部件4-1的第一三轴转台传感信号输出端相连；所述参数测量及驱 动控制组件3的第二三轴转台传感信号输入端与三轴转台组件4中的滚转轴部件4-2的第 二三轴转台传感信号输出端相连；所述参数测量及驱动控制组件3的第三三轴转台传感信 号输入端与三轴转台组件4中的俯仰摆动轴部件4-3的第三三轴转台传感信号输出端相 连；所述参数测量及驱动控制组件3的第一三轴转台电机驱动信号输出端与三轴转台组件 4中的方位转动轴部件4-1的第一三轴转台电机驱动信号输入端相连；所述参数测量及驱 动控制组件3的第二三轴转台电机驱动信号输出端与三轴转台组件4中的滚转轴部件4-2 的第二三轴转台电机驱动信号输入端相连；所述参数测量及驱动控制组件3的第三三轴转 台电机驱动信号输出端与三轴转台组件4中的俯仰摆动轴部件4-3的第三三轴转台电机驱 动信号输入端相连；所述参数测量及驱动控制组件3的参数测量数据输出端与中心控制组 件5的参数测量数据输入端相连；参数测量及驱动控制组件3的驱动控制信号输入端与中 心控制组件5的驱动控制信号输出端相连。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在 于所述参数测量及驱动控制组件3由靶标驱动控制器3-1、靶标测量控制器3-2、飞行器 测量控制器3-3、三轴转台测量控制器3-4、三轴转台驱动控制器3-5和运动控制卡接口件 3-6组成；所述靶标驱动控制器3-1的靶标电机驱动信号输出端即为参数测量及驱动控制 组件3的靶标电机驱动信号输出端；所述靶标驱动控制器3-1的指示灯闪亮驱动信号输出 端即为参数测量及驱动控制组件3的指示灯闪亮驱动信号输出端；所述靶标驱动控制器 3-1的靶标驱动控制信号输入端与运动控制卡接口件3-6的靶标驱动控制信号输出端相 连；所述靶标测量控制器3-2的靶标传感信号输入端即为参数测量及驱动控制组件3的靶 标传感信号输入端；所述靶标测量控制器3-2的靶标传感信号输出端与运动控制卡接口件 3-6的靶标传感信号输入端相连；所述飞行器测量控制器3-3的飞行器光传感信号输入端 即为参数测量及驱动控制组件3的飞行器光传感信号输入端；所述飞行器测量控制器3-3 的飞行器光传感信号输出端与参数测量及驱动控制组件3的运动控制卡接口件3-6的飞行 器光传感信号输入端相连；

所述三轴转台测量控制器3-4的方位转动轴传感信号输入端即为参数测量及驱动控 制组件3的第一三轴转台传感信号输入端；

所述三轴转台测量控制器3-4的滚转轴传感信号输入端即为参数测量及驱动控制组 件3的第二三轴转台传感信号输入端；

所述三轴转台测量控制器3-4的俯仰摆动轴传感信号输入端即为参数测量及驱动控 制组件3的第三三轴转台传感信号输入端；

所述三轴转台测量控制器3-4的三轴转台传感信号输出端与运动控制卡接口件3-6的 三轴转台传感信号输入端相连；

所述三轴转台驱动控制器3-5的方位转动轴电机驱动信号输出端即为参数测量及驱 动控制组件3的第一三轴转台电机驱动信号输出端；

所述三轴转台驱动控制器3-5的滚转轴电机驱动信号输出端即为参数测量及驱动控 制组件3的第二三轴转台电机驱动信号输出端；

所述三轴转台驱动控制器3-5的俯仰摆动轴电机驱动信号输出端即为参数测量及驱 动控制组件3的第三三轴转台电机驱动信号输出端；

所述三轴转台驱动控制器3-5的三轴转台电机驱动信号输入端与运动控制卡接口件 3-6的三轴转台电机驱动信号输出端相连；

所述运动控制卡接口件3-6的参数测量数据输出端即为参数测量及驱动控制组件3的 参数测量数据输出端。

所述运动控制卡接口件3-6的驱动控制信号输入端即为参数测量及驱动控制组件3的 驱动控制信号输入端。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同 点在于所述方位转动轴部件4-1包括方位转动轴驱动电机4-1-1、方位转动轴传感器4-1-2 和方位转动轴；所述方位转动轴驱动电机4-1-1的电机驱动信号输入端即为方位转动轴部 件4-1的第一三轴转台电机驱动信号输入端；所述方位转动轴固定连接在方位转动轴驱动 电机4-1-1的电机转轴上，所述方位转动轴传感器4-1-2固定设置在方位转动轴驱动电机 4-1-1的电机转轴上；所述方位转动轴传感器4-1-2的传感信号输出端即为方位转动轴部 件4-1的第一三轴转台传感信号输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相 同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在 于所述滚转轴部件4-2包括滚转轴驱动电机4-2-1、滚转轴传感器4-2-2和滚转轴；所述滚 转轴驱动电机4-2-1的电机驱动信号输入端即为滚转轴部件4-2的第二三轴转台电机驱动 信号输入端；所述滚转轴固定连接在方位转动轴驱动电机4-2-1的电机转轴上，所述方位 转滚转轴传感器4-2-2固定设置在滚转轴驱动电机4-2-1的电机转轴上；所述滚转轴传感 器4-2-2的传感信号输出端即为滚转轴部件4-2的第二三轴转台传感信号输出端。

其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在 于所述俯仰摆动轴部件4-3包括俯仰摆动轴驱动电机4-3-1、俯仰摆动轴传感器4-3-2和俯 仰摆动轴；所述俯仰摆动轴驱动电机4-3-1的电机驱动信号输入端即为俯仰摆动轴部件4-3 的第三三轴转台电机驱动信号输入端；所述俯仰摆动轴固定连接在俯仰摆动轴驱动电机 4-3-1的电机转轴上，所述俯仰摆动轴传感器4-3-2固定设置在俯仰摆动轴驱动电机4-3-1 的电机转轴上；所述俯仰摆动轴传感器4-3-2的传感信号输出端即为俯仰摆动轴部件4-3 的第三三轴转台传感信号输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在 于所述中心控制组件5包括中心控制器5-1和运动控制卡5-2；所述运动控制卡5-2的参 数测量数据输入端即为中心控制组件5的参数测量数据输入端；

所述运动控制卡5-2的驱动控制信号输出端即为中心控制组件5的驱动控制信号输出 端；

所述运动控制卡5-2的数据信号输出输入端与中心控制器5-1的数据信号输入输出端 相连。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

本发明的工作原理：

本发明目的是提供一种能利用极坐标靶标实现目标点运动轨迹，通过安装于三轴转台 上的飞行器导引头，辨识出靶标上设定的目标点运动，由分析系统判断出飞行器指向目标 点位置的飞行器角度姿态，并分析出控制三轴转台各轴的转动角度，通过驱动电路驱动三 轴转台转动，实现安装在三轴转台的飞行器指向目标点做实时跟踪运动的教学实验装置。

本发明利用极坐标靶标组件1提供目标点运动轨迹，并利用三轴转台组件4的姿态调 整特性，实现对安装在三轴转台组件4上的飞行器2指向目标点做实时跟踪运动的教学 实验装置。中心控制组件5以设定好的目标点运动轨迹控制极坐标靶标组件1中的靶盘 1-3左右转动和指示灯1-4交替顺序点亮，在靶盘1-3的旋转平面内将复制出设定好的目 标点运动轨迹，指示灯1-4的交替顺序点亮提供了目标点运动的轨迹变化。

本发明具体工作步骤是：

步骤一：极坐标靶标组件1通过靶盘1-3转动和指示灯1-4规律性交替顺序显示形成 一个平面目标点运动轨迹；

步骤二：安装在三轴转台组件4上的飞行器2中的飞行器光传感器2-1对靶盘1-3上 的目标点运动轨迹进行实时测量；

步骤三：飞行器光传感器2-1将测量到的目标点运动轨迹图像信息实时传送到中心控 制组件5；

步骤四：中心控制组件5对目标点运动轨迹图像信息进行图像处理；

步骤五：中心控制组件5根据处理后的图像确定当前目标点在平面中的位置，并根据 此位置分析解算飞行器2指向此运动点所需要的三轴转台组件4中各轴转动角度；

步骤六：中心控制组件5将上步得到的各轴转动角度数值发送到参数测量及驱动控制 组件3；

步骤七：参数测量及驱动控制组件3驱动三轴转台组件4中各轴电机按各轴转动角度 旋转并带动各轴动作；

步骤八：三轴转台组件4中的各轴发生动作带动三轴转台组件4上的飞行器2改变姿 态，并实现了飞行器对目标点运动的实时跟踪。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的 具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明 构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要 求书确定的专利保护范围。