CN102650851A - 室内多旋翼飞行机器人试验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种室内多旋翼飞行机器人试验平台，包括主支架、多个机械臂及各机械臂的控制单元，其中主支架竖直设置，多个机械臂分别安装于主支架的不同高度的连杆上，每个机械臂的端部设有用于安装旋翼飞行机器人的托盘，控制单元安装于机械臂上与之随动。本发明能够实现多架旋翼飞行机器人系统同时进行协作试验，也可支持进行单旋翼飞行机机器人系统的自主控制等试验研究，最大程度上模拟真实的旋翼飞行机器人系统本体特性，提高试验结果在实际系统中的可用性。

Description

室内多旋翼飞行机器人试验平台
技术领域
本发明涉及一种用于测试机器人技术的试验平台，具体的说是一种室内多旋翼飞行机器人试验平台。
背景技术
旋翼飞行机器人是目前国防、民用两大领域都迫切需要的一种无人操控平台，它在受限空间内的机动能力，如在狭小的空间起降、空中悬停、超低空飞行、悬停转向等，使得其可以承担固定飞行器所难以完成的使命，如城市空中信息获取、灾难搜救、反恐防暴、输电线路和油气管线巡检、边防反走私反偷渡、森林防火、航拍航测等等。而将多个旋翼飞行机器人以编队的形式协作完成既定任务，不仅具有以上的功能，还具有任务完成度高、可靠性强等特点。因此无论是在学术界还是在军事、民事等应用领域，有关多旋翼飞行机器人系统的协作的研究与讨论都非常活跃。但是，很多技术瓶颈使得在当前实现多旋翼飞行机器人系统的协作困难重重，这其中最主要的瓶颈之一就在于试验条件过于苛刻，试验成本高，风险大。因此研制能够在室内环境中、具有安全保障的多旋翼飞行机器人系统试验平台对于进一步推动飞行控制技术及多机器人技术的发展具有重要的价值。目前，关于低成本、风险小的多旋翼飞行机器人试验平台尚未见报道。
发明内容
针对现有技术中多旋翼飞行机器人试验平台存在的试验成本高，风险大等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、低风险的室内多旋翼飞行机器人试验平台。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明室内多旋翼飞行机器人试验平台包括主支架、多个机械臂及各机械臂的控制单元，其中主支架竖直设置，多个机械臂分别安装于主支架的不同高度的连杆上，每个机械臂的端部设有用于安装旋翼飞行机器人的托盘，控制单元安装于机械臂上与之随动。
所述主支架包括底座和多段连杆，各连杆依次同轴安装于底座上。
所述每个机械臂具有三个旋转关节，即水平转动关节、俯仰转动关节和托盘旋转关节，其中水平转动关节同轴转动安装于相应的连杆上；俯仰转动关节与水平转动关节正交；托盘旋转关节与托盘同轴安装，水平转动。
所述机械臂与托盘相对的另一端部设有可调节配重块。
所述控制单元具有光电开关、编码器、机载控制器以及平台状态信息处理器，其中光电开关检测旋翼飞行机器人的旋翼转速送至机载控制器的输入端，机载控制器输出PWM控制信号至旋翼飞行机器人；编码器采集旋翼飞行机器人的位置/速度信号，送至平台状态信息处理器进行处理；平台状态信息处理器与机载控制器进行通讯连接。
光电开关与机载控制器之间设有光耦。
所述编码器设于每个旋翼飞行机器人所在机械臂的水平转动关节、俯仰转动关节和托盘旋转关节上。
所述水平转动关节和托盘旋转关节上设有换向电刷。
各控制单元中还具有零位传感器，设于连杆上对应水平转动关节的位置，零位传感器的信号接至平台状态信息处理器。
所述多个机械臂的控制单元通过总线与地面控制系统进行通讯传输。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明的主体结构为由三个能够自由活动的机械臂组成的试验平台，每个机械臂有三个独立的自由度，平台本身没有动力装置，每个机械臂可以由一架旋翼飞行机器人系统带动进行运动；平台能够实现多架旋翼飞行机器人系统同时进行协作试验，此外，也可支持进行单旋翼飞行机机器人系统的自主控制等试验研究。
2.旋翼飞行机器人固定在每个机械臂的末端，靠自身的飞行机理产生空气动力，并带动机械臂运动；由于可在不改变任何旋翼飞行机器人系统本体构造的基础上进行试验，因此可最大程度上保留旋翼飞行机器人系统的动力学特性，从而最大程度上模拟真实的旋翼飞行机器人系统本体特性，提高试验结果在实际系统中的可用性。
3.可支持旋翼飞行机器人竖直编队试验。旋翼飞行机器人的竖直编队(即多架不同的机器人系统处于同一竖直线上进行的编队试验)是一种高难度的编队情况，这不仅是由于带来的较高的危险性，也是由于竖直编队造成的旋翼机之间的空气动力特性的严重耦合与影响，此平台的构造保证了进行竖直编队试验时的安全性，对研究在竖直编队情况下的可行性及旋翼机空气动力学特性带来便利。
4.本发明采用总线通讯结构，可支持多机器人之间及机器人与总控制器间的有线通信，同时每个机器人上装配有单片机、DSP等，可方便装配无线通信模块，从而实现机器人之间以及机器人与总控制器间的无线通信。
5.每个机械臂上装配有配重环节，可最大程度的减轻旋翼飞行机器人本身的负载，同时可支持不同型号的旋翼飞行机器人系统进行试验。
6.具有精确的全局定位功能，每个自由度都装配有高精度的编码器，能够实现旋翼飞行机器人系统本体的精确定位，从而为对进行高难度、高精度试验以及评估试验结果带来便利。
7.采用模块化设计理念，方便组装。
附图说明
图1为本发明装配结构示意图；
图2为本发明电路原理图。
具体实施方式
本发明室内多旋翼飞行机器人试验平台，包括主支架、多个机械臂及各机械臂的控制单元，其中主支架竖直设置，多个机械臂分别安装于主支架的不同高度的连杆上，每个机械臂的端部设有用于安装旋翼飞行机器人的托盘，控制单元安装于机械臂上与之随动。
所述主支架包括底座和多段连杆，各连杆依次同轴安装于底座上，连杆可为2～6段，本实施例采用3段连杆结构，因此如图1所示，本实施例以三个机械臂为例，主支架分成可拆分的三段连杆和底座，三个连杆分别用于装配三个机械臂即第1～3机械臂3、11、13，每个机械臂有三个旋转关节，即水平转动关节、俯仰转动关节和托盘旋转关节，其中水平转动关节和托盘旋转关节转配有电刷，分别为图1中的水平电刷5和托盘电刷7，以利于内部走线。同时每个关节还装配有编码器，以测量该关节的运动状态(包括位置、速度)。
水平转动关节同轴转动安装于相应的连杆上；俯仰转动关节与水平转动关节正交；托盘旋转关节与托盘同轴安装，水平转动。
为了方便调节多旋翼飞行机器人的运动负载，在机械臂与托盘相对的另一端部还设有可调节配重块8。
如图2所示，控制单元为三套，分别安装于三个机械臂上，与机械臂随动，便于实现分布式控制策略，每套控制单元组成部件相同，均具有光电开关、编码器、机载控制器15以及平台状态信息处理器16，其中光电开关检测旋翼飞行机器人的旋翼转速通过光耦隔离后送至机载控制器15的输入端，机载控制器15输出PWM控制信号至旋翼飞行机器人；编码器采集旋翼飞行机器人的位置/速度信号，送至平台状态信息处理器16进行处理；平台状态信息处理器16与机载控制器15进行通讯连接。
所述编码器设于每个旋翼飞行机器人所在机械臂的水平转动关节、俯仰转动关节和托盘旋转关节上，分别为图1中的水平转动编码器9、俯仰转动编码器6及托盘旋转编码器4。
各控制单元中还具有零位传感器，设于连杆上对应水平转动关节的位置，零位传感器的信号接至平台状态信息处理器16，用于标定旋翼飞行机器人的水平初始位置。
所述机载控制器15以数字信号处理器做为主控制部件，平台状态信息处理器16以单片机做为主控制部件，前者主要用来实现旋翼飞行机器人的控制算法；后者主要用于实现机械臂状态采集(包括各关节角位置信息测量)，二者之间通过串口进行通信。电源电缆1由底座进入，同时三个控制单元还可以通过总线2、10、12、14与地面计算机系统进行通信，进行多旋翼飞行机器人试验。
本发明原理及工作过程：试验开始时，将三个旋翼飞行机器人分别固定安装于每个机械臂的托盘，这样每个机械臂由一架旋翼飞行机器人带动，实现三自由度的运动。旋翼飞行机器人的控制由机载控制器15来实现，每个机械臂的状态采集由平台状态信息处理器16来实现。本实施例中的室内多旋翼飞行机器人试验平台可支持三架旋翼飞行机器人共同运动，研究单旋翼飞行机器人控制或多旋翼飞行机器人协作方法的试验验证，具体可实现以下试验：
(1)单旋翼飞行机器人系统控制方法：可开展包括旋翼飞行机器人刚体动力学建模、空气动力学建模、地面效应建模、单旋翼飞行机器人自主控制方法等试验；
(2)多旋翼飞行机器人协作方法：可开展包括多旋翼飞行机器人编队控制、多旋翼飞行机器人合作环境建模、多旋翼飞行机器人姿态同步、空地机器人协作等试验。

Claims (10)

1.一种室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：包括主支架、多个机械臂及各机械臂的控制单元，其中主支架竖直设置，多个机械臂分别安装于主支架的不同高度的连杆上，每个机械臂的端部设有用于安装旋翼飞行机器人的托盘，控制单元安装于机械臂上与之随动。
2.按权利要求1所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：所述主支架包括底座和多段连杆，各连杆依次同轴安装于底座上。
3.按权利要求1所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：所述每个机械臂具有三个旋转关节，即水平转动关节、俯仰转动关节和托盘旋转关节，其中水平转动关节同轴转动安装于相应的连杆上；俯仰转动关节与水平转动关节正交；托盘旋转关节与托盘同轴安装，水平转动。
4.按权利要求1所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：所述机械臂与托盘相对的另一端部设有可调节配重块。
5.按权利要求1所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：所述控制单元具有光电开关、编码器、机载控制器以及平台状态信息处理器，其中光电开关检测旋翼飞行机器人的旋翼转速送至机载控制器的输入端，机载控制器输出PWM控制信号至旋翼飞行机器人；编码器采集旋翼飞行机器人的位置/速度信号，送至平台状态信息处理器进行处理；平台状态信息处理器与机载控制器进行通讯连接。
6.按权利要求5所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：光电开关与机载控制器之间设有光耦。
7.按权利要求5所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：所述编码器设于每个旋翼飞行机器人所在机械臂的水平转动关节、俯仰转动关节和托盘旋转关节上。
8.按权利要求7所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：所述水平转动关节和托盘旋转关节上设有换向电刷。
9.按权利要求5所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：各控制单元中还具有零位传感器，设于连杆上对应水平转动关节的位置，零位传感器的信号接至平台状态信息处理器。
10.按权利要求5所述的室内多旋翼飞行机器人试验平台，其特征在于：所述多个机械臂的控制单元通过总线与地面控制系统进行通讯传输。
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