本發(fā)明屬于航空氣動力風洞試驗領域，具體涉及一種實時多軸同步控制測量系統(tǒng)，測量超音速環(huán)境下外掛物的受力狀態(tài)并對運動軌跡進行預測。

背景技術：

在多自由度系統(tǒng)上安裝外掛物，在風速環(huán)境下通過運行、測定從而預測外掛物的位置，這種試驗可以模擬外掛物從其載體分離后的飛行軌跡。實時多軸同步控制測量系統(tǒng)是軌跡試驗系統(tǒng)的重要組成部分。多年來，一直采用運動控制、測量分離的方法，依靠非實時網(wǎng)絡通訊，系統(tǒng)響應慢、可靠性差，同時大量的電控部件對天平小信號也有很強的干擾，使測量的精度變差。隨著風洞尺寸的增大和試驗載荷的增大，以上問題更加突出，試驗裝置要求在較大的行程范圍線位移及角位移多自由度同步精確快速定位，快速精確獲取試驗裝置攜帶的多元天平受力數(shù)據(jù)并實時預測姿態(tài)，要求響應快、運行速度高、測量精、定位準，具有高抗干擾性。傳統(tǒng)的方式難以滿足這樣的要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決軌跡試驗系統(tǒng)中響應慢、測量易受干擾、精度差等各種弊端問題，集合了多年在軌跡試驗系統(tǒng)研制和使用方面的經(jīng)驗和教訓，研制的一種實時預測的多軸同步控制測量系統(tǒng)。

采用的技術方案是：一種實時多軸同步控制測量系統(tǒng)，用于測量超音速環(huán)境下外掛物的受力狀態(tài)并對運動軌跡進行預測，該系統(tǒng)包括試驗系統(tǒng)主控制器及與其連接的嵌入式實時系統(tǒng)，該嵌入式實時系統(tǒng)包括嵌入式實時控制器、運動控制器及數(shù)據(jù)采集器，其中所述運動控制器與六軸驅(qū)動器連接并實時同步控制，所述外掛物與該六軸驅(qū)動器連接；與外掛物關聯(lián)的天平受力情況通過信號放大器放大并調(diào)理后發(fā)送至所述數(shù)據(jù)采集器。

進一步地，還包括安全反應裝置，采用軟硬件限位、防碰電壓的方式進行安全保護。

進一步地，所述嵌入式實時控制器采用嵌入式實時操作系統(tǒng)和并發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)多線程運行，根據(jù)采得的各類模擬信號，完成誤差修正。

進一步地，所述運動控制器采用EtherCAT作為控制總線，采用時間戳來衡量發(fā)送與返回幀之間的時差。

進一步地，所述運動控制器通過實時運動控制軟件和實時網(wǎng)絡獲取電機運行狀態(tài)，同時通過運動控制算法在線更改電機轉(zhuǎn)速指令，并下發(fā)給伺服電機驅(qū)動器，實現(xiàn)多軸同步控制。

進一步地，所述數(shù)據(jù)采集器采用高性能采集模塊對天平信號、總壓、靜壓傳感器信號進行同步采集。

進一步地，所述數(shù)據(jù)采集器還采集系統(tǒng)中的離散狀態(tài)量經(jīng)過信號隔離板后的信號。

進一步地，所述信號放大器的增益可調(diào)，每通道帶低通濾波器，向每通道提供穩(wěn)定的高精度激勵電壓源。

本發(fā)明的工作過程及原理：根據(jù)外掛物實際的掛載位置換算出多自由度模擬起始位置，進行實時精確定位。經(jīng)天平、前置放大器和測量模塊測得外掛物受力狀態(tài)。實時記錄每一預測軌跡位，最終完成軌跡獲取。

本發(fā)明的有益效果：嵌入式實時控制器的使用，實現(xiàn)測量、控制和預測一體化設計，具有很快的響應速度。多軸同步控制，基于實時系統(tǒng)進行設計，具有更好的實時性，能夠?qū)崿F(xiàn)多軸高速高精度同步定位，有更好的運動性能。針對試驗時較強的干擾，采用前端放大、信號隔離濾波、傳輸屏蔽等多層次手段，保護系統(tǒng)中關鍵信號的有效采集傳輸，系統(tǒng)具有很強的抗干擾性，顯著提高測量精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量。全方位的安全性設計，針對系統(tǒng)的運動安全，各線位移、角位移分別進行多級行程限位設計，針對設備和試驗部件間的碰撞風險，進行了防碰反應設計。保證系統(tǒng)在調(diào)試、試驗期間的設備和部件安全。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實時多軸同步控制測量系統(tǒng)的架構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)的電氣連接關系示意圖。

具體實施方式

一種實時多軸同步控制測量系統(tǒng)，用于測量超音速環(huán)境下外掛物的受力狀態(tài)并對運動軌跡進行預測，其特征在于：該系統(tǒng)包括試驗系統(tǒng)主控制器及與其連接的嵌入式實時系統(tǒng)，該嵌入式實時系統(tǒng)包括嵌入式實時控制器、運動控制器及數(shù)據(jù)采集器，其中所述運動控制器與六軸驅(qū)動器連接并實時同步控制，所述外掛物與該六軸驅(qū)動器連接；與外掛物關聯(lián)的天平受力情況通過信號放大器放大并調(diào)理后發(fā)送至所述數(shù)據(jù)采集器。

嵌入式實時控制器：嵌入式實時控制器用于實時控制和測試，具有高穩(wěn)定性、高可靠性以及高實時性，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)和并發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)多線程運行。充分利用處理器上的雙核，提高了實時測試和控制應用程序的性能和確定性。它是本套系統(tǒng)的一個關鍵點，也是創(chuàng)新點。

控制總線與多軸運動控制：運動控制系統(tǒng)采用EtherCAT作為控制總線，數(shù)據(jù)傳輸中具有可預測性定時及高精度同步等特點。采用時間戳來衡量發(fā)送與返回幀之間的時差。利用這種方式，可以計算節(jié)點間的傳輸延時，通過準確調(diào)節(jié)分布式時鐘實現(xiàn)多軸精確同步。控制器通過接口模塊與驅(qū)動器實現(xiàn)互聯(lián)。通過實時運動控制軟件和實時網(wǎng)絡獲取電機運行狀態(tài)，同時通過運動控制算法在線更改電機轉(zhuǎn)速指令，并通過實時網(wǎng)絡下發(fā)給伺服電機驅(qū)動器，實現(xiàn)多軸同步控制，同步到位。它是本套系統(tǒng)創(chuàng)新點。

數(shù)據(jù)采集：采用高性能采集模塊對天平信號、總壓、靜壓傳感器信號進行同步采集，天平信號經(jīng)前置放大后采集。系統(tǒng)中的離散狀態(tài)量經(jīng)過信號隔離板后也由數(shù)采系統(tǒng)采集。實時控制器根據(jù)采得的各類模擬信號，完成誤差修正。

前置放大器：在設備前端設計放置放大器用于信號調(diào)理。放大器增益可調(diào)，每通道帶低通濾波器，可向每通道提供穩(wěn)定的高精度激勵電壓源。前置放大模塊可在風洞內(nèi)部惡劣環(huán)境下良好工作，大大提高天平小信號的測量精度，它是本套系統(tǒng)的創(chuàng)新點。

安全保護：采用軟硬件限位、防碰電壓的方式建立安全反應裝置，進行安全保護。

整套系統(tǒng)的運行過程是：根據(jù)模擬的起始位置，通過嵌入式實時系統(tǒng)的運動控制器實時同步定位六軸驅(qū)動器，從而將試驗裝置迅速移至指定位置，嵌入式實時控制器通過數(shù)據(jù)采集器采集高精度數(shù)據(jù)，該高精度數(shù)據(jù)被采集之前通過天平前置放大器將天平受力情況放大調(diào)理后獲取，通過嵌入式實時控制器實時預測軌跡位。這樣，風速環(huán)境壓力產(chǎn)生的載荷對軌跡位產(chǎn)生影響，完成一個軌跡位，最終完成實時軌跡的獲取。