一种电磁弹射飞行器的速度控制系统

1.本技术涉及电磁弹射飞行器技术领域，特别是涉及一种电磁弹射飞行器的速度控制系统。


背景技术：

2.电磁弹射技术是电磁发射技术在无人机、灭火弹等飞行器域的重要应用，是对传统弹射技术的重要改进。电磁发射技术是利用电磁力(能)推进物体到高速或超高速的发射技术，它通过将电磁能变换为发射载荷所需的瞬时动能，可在短距离内实现将克级至几十吨的负载加速至高速。在电磁弹射技术中，轨道发射具有载重量大、可靠性高等优点。轨道发射的电磁弹射技术利用电磁力携带直线电机的电枢动子在轨道上加速，将连带着动子的飞行器弹射出轨道，从而达到飞行器发射的目的。轨道发射的电磁发射技术在大质量、中低速物体的发射方面具有较大优势，可以对小到几千克，大到数十吨的飞行器进行有效的弹射，其具有发射速度高、启动时间短，发射间隔短，可重复等优点，可以有效解决传统发射过程中发射系统烧结等问题。
3.轨道发射电磁弹射系统需要发射不同类型的无人机、灭火弹等飞行器，载荷重量也各不相同，需要的发射速度也不相同，因此需要根据任务需要、飞行器类型和载荷等信息调整发射速度。以某型不带制导控制的灭火弹为例，当以145米/秒的速度和以150米/秒的速度弹射时，两种不同弹射速度导致的位置偏差达70多米，若考虑风干扰，则会更大，远超过该型灭火弹的精度要求，为实现10米以下的精度，则需要弹射速度偏差不大于0.5米/秒，有些飞行器弹射时需要速度偏差控制在0.1米/秒以下，甚至还有姿态的限制。
4.然而现有技术中，由于载荷、环境、供电、储能等环节的影响，电磁弹射飞行器的速度控制系统无法满足各类飞行器不同弹射速度的需要，且控制精度不高。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种电磁弹射飞行器的速度控制系统，能够满足各类飞行器不同弹射速度的需要，且提高了控制精度。
6.一种电磁弹射飞行器的速度控制系统，包括：电磁弹射器、飞行器以及通讯器；
7.所述电磁弹射器包括：电机控制模块、弹射模块、速度控制模块、监测模块以及弹射通讯模块；所述电机控制模块、所述弹射模块、所述速度控制模块、所述监测模块以及所述弹射通讯模块依次相连，所述电机控制模块还分别与所述速度控制模块以及所述监测模块相连；
8.所述弹射通讯模块通过所述通讯器与所述飞行器相连。
9.在一个实施例中，所述电机控制模块包括：储能器、脉冲变换器、直线电机以及电机闭环控制器；
10.所述储能器、所述脉冲变换器以及所述直线电机依次相连，且均与所述电机闭环控制器相连，所述储能器与电源相连，所述直线电机与所述弹射模块相连。
11.在一个实施例中，所述弹射模块包括：电机动子、弹射平台以及速度传感器；
12.所述电机动子分别与所述电机控制模块和所述弹射平台相连，速度传感器与所述电机动子或所述速度传感器相连。
13.在一个实施例中，所述电磁弹射器还包括：供电模块，以作为电源；
14.所述供电模块与所述电机控制模块相连。
15.在一个实施例中，所述供电模块包括：电池或逆变器。
16.在一个实施例中，所述飞行器包括：惯导模块、制导模块、控制模块以及飞行通讯模块；
17.所述惯导模块、所述制导模块以及所述控制模块依次相连，所述制导模块通过所述飞行通讯模块与所述通讯器相连。
18.在一个实施例中，所述惯导模块包括：陀螺仪和加速度计；
19.所述陀螺仪和所述加速度计均与所述制导模块相连。
20.上述电磁弹射飞行器的速度控制系统，在电磁弹射飞行器中，设计了速度控制模块，在飞行器弹射前，操作人员可以在监测模块上装订预定的弹射速度，在此基础上，实现电磁弹射的速度控制；同时在电磁弹射器与飞行器之间设有交互信息的通讯器进行实时通信，能够实时将飞行器姿态和速度信息传送给电磁弹射器，电磁弹射器的速度控制模块根据速度传感器的速度等信息和飞行器传输的信息进行速度融合，信息融合后的速度信息作为速度控制信号，反馈到电磁弹射器，可以有效提高速度控制的精度，从而满足高精度的弹射速度控制要求；还能够将飞行器与弹射平台物理脱离时的时间和速度传送给飞行器，飞行器根据收到的分离速度，可以在飞行器弹射前惯导模块未开机的情况下以及弹射分离后再开机的情况下，也能计算出真实的飞行速度。
附图说明
21.图1为一个实施例中电磁弹射飞行器的速度控制系统的框架示意图；
22.图2为另一个实施例中电磁弹射飞行器的速度控制系统的框架示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.需要说明，本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
25.另外，在本技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
26.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，
例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
27.另外，本技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
28.本技术提供了一种电磁弹射飞行器的速度控制系统，如图1和图2所示，在一个实施例中，包括：电磁弹射器、飞行器以及通讯器，电磁弹射器以及飞行器均与通讯器相连。
29.电磁弹射器包括：供电模块、电机控制模块、弹射模块、速度控制模块、监测模块以及弹射通讯模块；供电模块、电机控制模块、弹射模块、速度控制模块、监测模块以及弹射通讯模块依次相连，电机控制模块还分别与速度控制模块以及监测模块相连，弹射通讯模块与通讯器相连。
30.具体地：
31.(1)供电模块包括：电池或逆变器；也就是有两种供电方式：电池供电或者电网供电。
32.其中，当采用电网供电时，需通过逆变器将电网的电输送给电机控制模块。
33.(2)电机控制模块包括：储能器、脉冲变换器、直线电机以及电机闭环控制器；储能器、脉冲变换器以及直线电机依次相连，且均与电机闭环控制器相连，储能器与供电模块相连，直线电机与弹射模块相连。
34.其中，直线电机采用的是先进直线感应电机，由一系列分立的相同定子单元组成，便于安装和生产；且为每个定子单元都配备了一个可控硅开关，当动子经过某一定子单元时，该可控硅开关闭合，推动动子前进，减小逆变器电流，当到达指定速度后，速度控制模块向电机控制模块发出速度保持指令，后续定子的可控硅开关不再闭合，动子不再加速。电机闭环控制器将储能器存储的电能输出，经脉冲变换器后输出给直线电机，驱动直线电机的动子运动；电机闭环控制器控制可以按照需要的速度，判断储能器中的能量是否满足需要，若不满足需要，则让供电系统继续充电，若满足需要，则生成控制指令，控制脉冲变换器和直线电机工作，做好弹射准备；电机控制模块还可以将直线电机、脉冲变换器、储能器的状态和参数反馈给监测模块，以供监测模块决策控制。
35.电机控制模块工作过程为：当监测模块发出弹射指令后，电机控制模块工作，直线电机运动，将存储的电能转化为动能，实现飞行器弹射功能。当电磁弹射器工作时，速度控制模块根据速度偏差信号，向电机控制模块反馈加速或减速信号，电机控制模块控制直线电机的动子带动弹射平台运动，到达指定速度附近后，判断飞行器的速度、姿态是否满足弹射条件，满足则发出弹射指令，将飞行器弹射出去，不满足则根据速度偏差信号继续调节直线电机的动子运动速度，直到满足弹射条件。当飞行器与弹射平台物理脱离后，监测模块根据收到的脱离信号，发送能量回收指令，电机控制模块收到监测模块的能量回收指令后，转入能量回收状态，回收能量，动子减速，将动能转化为电能，存储到储能器中，为下一次发射存储能量。
36.(3)弹射模块位于弹射架上，与直线电机动子相连，包括：电机动子、弹射平台以及
速度传感器；电机动子分别与电机控制模块和弹射平台相连，速度传感器与电机动子或速度传感器相连，具体地，可以放置在弹射架的弹射轨道上，也可放置在电机动子上。
37.其中，弹射平台主要在飞行器弹射时完成飞行器与弹射架物理连接部分的电气控制，例如锁紧、开锁等动作，弹射平台还可以向监测模块传输飞行器与弹射装置物理脱离的时间戳。速度传感器主要完成对弹射架上承载飞行器的弹射平台的速度进行测量，以获取飞行器在轨道上的实时速度信息；速度传感器可以是涡流速度传感器、激光速度传感器等，也可以采用高精度的惯性设备或卫星/惯性设备作为速度传感器，通常涡流速度传感器、激光速度传感器的速度测量精度均低于飞行器的惯性导航模块，在米级，且难以获取姿态信息，而惯性设备的精度可以比飞行器的惯性导航模块更高，该惯性设备输出的速度、姿态信息可以和飞行器的速度、姿态进行信息融合，此时将信息融合后的速度信息作为控制反馈信息，则通过速度控制模块的控制，弹射速度控制精度可以高于0.1米/秒。
38.(4)速度控制模块根据监测模块给出的速度指令，实时获取速度传感器给出的飞行器实时速度信息，并进行相应的数值处理，消除噪声和干扰，获得真实的飞行器在轨道上的运动速度，当运动速度达到监测模块给出的指定弹射速度时，向电机控制模块发出速度保持指令；速度控制模块还可以向监测模块实时传输飞行器在轨道上的速度，并将这些速度加上相应的时间戳。
39.(5)监测模块分别与电机控制模块、速度控制模块以及弹射通讯模块相连，能够根据上级控制系统指令或者操作人员通过人机界面对电磁弹射飞行器发出的成套控制指令，实现对电磁弹射飞行器的各项控制，包括弹射、指定弹射速度、向飞行器传输弹射速度等。
40.(6)弹射通讯模块与飞行通讯模块通过通讯器进行通讯，将监测模块进行时间戳对比后得到的分离速度以及相应的时间戳发送给飞行器，也可以将监测模块获取的飞行器与弹射平台物理脱离信息发送给飞行器。
41.飞行器包括：惯导模块(即：惯性导航模块)、制导模块(即：制导控制模块)、控制模块以及飞行通讯模块；惯导模块、制导模块以及控制模块依次相连，制导模块通过飞行通讯模块与通讯器相连。
42.具体地：
43.(1)惯导模块中设有三轴的陀螺仪和三轴的加速度计；当惯导模块通电后，陀螺仪可以给出飞行器飞行时的三维实时角速度，积分后得到飞行器飞行时的三维实时角度，即飞行姿态，加速度计可以给出飞行器飞行时的三维实时加速度，积分后得到飞行器飞行的三维惯性测量速度，再次积分后得到三维实时位置；惯导模块可以实时得到飞行器的姿态、位置、速度、加速度信息，并通过制导模块、通讯器将这些信息发送给电磁弹射器，惯导模块的测速精度高于0.2米/秒，测量姿态角速度精度高于0.01
°
/秒。
44.(2)制导模块用于控制飞行器飞行时的制导、控制信号的产生，可以控制飞行器飞控系统各个部分的开机。制导模块根据预设时间或条件控制惯导模块脱离弹射架后启动，获得飞行通讯模块接收到的物理分离信号，控制惯导模块等精密仪器、设备、模块的开机通电以开始工作，还可以在惯导模块开始工作后，获取惯导模块输出的飞行姿态、位置、速度、加速度信息，并根据飞行通讯模块接收到的分离速度，解算出飞行的实时真实速度。制导模块将飞行器导引到指定目标点，在飞行器的飞行过程中，通过接收惯导模块等提供的导航信息以及测量得到的目标点位置等信息，不断计算飞行器实际运动与理想运动之间的偏
差，生成相应的弹道参数或导引参数，并将这参数传输到控制模块，作为控制模块的控制指令。
45.(3)控制模块是一组安装在飞行器上的控制装置，按照控制指令和指定的控制规律，产生相应的控制力，通过改变飞行器的角位置或角运动，消除偏差的影响，实现对飞行器控制指令的跟踪和姿态稳定。
46.(4)飞行通讯模块实时接收电磁弹射器传输过来的分离时刻、分离速度等信息，并将这些信息发送给制导模块。
47.通讯器与电磁弹射器的通讯装置(即：弹射通讯模块)以及飞行器的通讯装置(即：飞行通讯模块)相互通讯，可以采用有线连接，也可以采用无线连接；采用有线连接时，飞行器和电磁弹射器通讯转置间的物理接口位置在飞行器和弹射平台之间，通过分离脱落连接器相连，在弹射时给出分离指令后，可以物理分离；采用无线连接时，飞行器的通讯装置在飞行器上，电磁弹射器的通讯装置安装在其不易受电磁干扰的部位，通过相应的通讯协议进行速度、姿态等信号的通讯。
48.上述电磁弹射飞行器的速度控制系统，电磁弹射器和飞行器配合进行速度控制，采用速度反馈控制信息，然后对电磁弹射器的速度控制模块进行校正，实现飞行器弹射时的高精度速度控制。本技术设计了电磁弹射器和飞行器的弹射速度控制，电磁弹射飞行器可以调节弹射速度，满足各类飞行器不同弹射速度的控制需要；在速度控制中，设计了速度闭环控制方法，调节能力强，可以大大提高弹射速度的控制精度，有利于提高飞行器的投放精度，满足高精度的弹射速度控制需要；在速度控制中，设计了速度融合控制方法，将飞行器和弹射器的速度相关联，实时控制弹射速度，实现了速度信息的交互和融合，具体地，将弹射过程中飞行器的真实速度融合到电磁弹射器的速度控制模块中，能够精确感知飞行器的速度，有利于电磁弹射器保证飞行器的弹射速度符合设定速度需要，避免由于弹射速度不足导致的飞行器故障或飞行失败，还将飞行器的速度和电磁弹射器的速度进行数据融合，可以提高系统的可靠性和速度控制精度；在弹射时，电磁弹射器与飞行器之间实现了速度的匹配和配合，弹射器的弹射速度与飞行器的真实速度之间的差异较小，有利于弹射后飞行器的稳定控制。在飞行器弹射出去瞬间，电磁弹射器将分离速度传送给飞行器，飞行器基于分离速度、惯导信息进行解算，得到实时真实速度。本技术设计了电磁弹射器和飞行器的弹射速度控制，可以调节弹射速度，满足不同类型飞行器不同弹射速度的控制需要；针对弹射分离特点，划分了分离速度控制阶段，能够更好地规划控制的实现，提高可控性；分离后，飞行器能获得分离速度，经过解算后能够得到实时真实速度，实时真实速度的得到有利于实现高精度和智能的制导控制，解决不同速度弹射和无人机分离后速度计算偏差的问题，避免由于速度计算不准确导致的飞行器故障或飞行失败；在电磁弹射器和飞行器之间设计了分离速度、分离时间的信息传递线路，避免飞行器采用分离后开机的方式时飞行速度解算产生较大偏差，可以使得飞行器的控制更加安全，避免了由于提早启控，导致飞行器在弹射平台上的误动作，损坏飞行器或弹射系统；弹射时机载精密仪器设备可以不开机工作，避免了弹射加速度太大或电磁干扰太强引起的精密仪器测量不准或损坏。
49.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
50.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种电磁弹射飞行器的速度控制系统，其特征在于，包括：电磁弹射器、飞行器以及通讯器；所述电磁弹射器包括：电机控制模块、弹射模块、速度控制模块、监测模块以及弹射通讯模块；所述电机控制模块、所述弹射模块、所述速度控制模块、所述监测模块以及所述弹射通讯模块依次相连，所述电机控制模块还分别与所述速度控制模块以及所述监测模块相连；所述弹射通讯模块通过所述通讯器与所述飞行器相连。2.根据权利要求1所述的电磁弹射飞行器的速度控制系统，其特征在于，所述电机控制模块包括：储能器、脉冲变换器、直线电机以及电机闭环控制器；所述储能器、所述脉冲变换器以及所述直线电机依次相连，且均与所述电机闭环控制器相连，所述储能器与电源相连，所述直线电机与所述弹射模块相连。3.根据权利要求2所述的电磁弹射飞行器的速度控制系统，其特征在于，所述弹射模块包括：电机动子、弹射平台以及速度传感器；所述电机动子分别与所述电机控制模块和所述弹射平台相连，速度传感器与所述电机动子或所述速度传感器相连。4.根据权利要求1至3任一项所述的电磁弹射飞行器的速度控制系统，其特征在于，所述电磁弹射器还包括：供电模块，以作为电源；所述供电模块与所述电机控制模块相连。5.根据权利要求4所述的电磁弹射飞行器的速度控制系统，其特征在于，所述供电模块包括：电池或逆变器。6.根据权利要求1至3任一项所述的电磁弹射飞行器的速度控制系统，其特征在于，所述飞行器包括：惯导模块、制导模块、控制模块以及飞行通讯模块；所述惯导模块、所述制导模块以及所述控制模块依次相连，所述制导模块通过所述飞行通讯模块与所述通讯器相连。7.根据权利要求6所述的电磁弹射飞行器的速度控制系统，其特征在于，所述惯导模块包括：陀螺仪和加速度计；所述陀螺仪和所述加速度计均与所述制导模块相连。

技术总结
本申请属于电磁弹射飞行器技术领域，涉及一种电磁弹射飞行器的速度控制系统，包括：电磁弹射器、飞行器以及通讯器；电磁弹射器包括：电机控制模块、弹射模块、速度控制模块、监测模块以及弹射通讯模块；电机控制模块、弹射模块、速度控制模块、监测模块以及弹射通讯模块依次相连，电机控制模块还分别与速度控制模块以及监测模块相连；弹射通讯模块通过通讯器与飞行器相连；电机控制模块包括：储能器、脉冲变换器、直线电机以及电机闭环控制器；储能器、脉冲变换器以及直线电机依次相连，且均与电机闭环控制器相连，储能器与电源相连，直线电机与弹射模块相连。本申请能够满足各类飞行器不同弹射速度的需要。射速度的需要。射速度的需要。


技术研发人员：鲁兴举 孙未蒙 李玄英 郭鸿武 高易 刘霄龙 龚艳秋
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/6/20