CN104965521B - 一种具有摆动式载物台的农用飞行器模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有摆动式载物台的农用飞行器模拟装置，包括：支撑轨道，上部滑动配合有放置采集对象的移动载物台；安装在采集对象上方的平动轨道；沿平动轨道移动的滑动座；安装在滑动座内的振动座，振动座内设有限位腔；置于所述限位腔内的晃动部件，与晃动部件配合的锁紧装置；活动安装在晃动部件底部的旋转部件；铰接在旋转部件底部的摆臂，以及安装在摆臂上的信息采集器。本发明通过模拟无人机飞行状态姿态，采集全方位获得植物生长信息，利于真实无人机信息采集的应用，为农用无人机信息获取平台的研制和开发提供试验研究平台。

Description

一种具有摆动式载物台的农用飞行器模拟装置

技术领域

本发明涉及一种具有摆动式载物台的农用飞行器模拟装置，属于农用航空、动态信息获取、动态模拟装置的技术领域。

背景技术

现代化的农业要根据农作物的生长状况及生长环境状况进行精确的作业，因此实时快速地采集田间作物信息显得尤为关键。农业航空技术由于具有作业效率高、作业质量好、作业适应性广、作业成本低及应对突发灾害能力强等特点，而且目前国家对农用航空领域的政策呈促进态势，因此，农用无人机非常适宜于作为田间信息采集平台。因此，研制适用于无人机的信息采集装备具有极大的前景。

由于无人机在空中飞行的环境不同于地面，因此，现有的静态的、手持式的及基于田间车辆的信息采集设备不适用于基于无人机的信息采集。若直接将信息采集器安装于无人机上进行田间试验，不仅成本较高，而且易出现因无人机事故造成设备损坏的现象。

目前我国对空域管制较严，无人机的飞行受诸多限制。因此，研发无人机信息获取模拟装置，模拟无人机在各种突发状况以及恶劣环境下的飞行姿态，利用飞行状态的信息获取装置，建立数据处理、图像处理等模型，进行算法优化，进而满足基于无人机的信息采集装备的研究开发需求，具有很大的意义。

现有技术中，公开号为CN 103954314A的专利申请提出一种无人机低空遥感模拟装置，包括：直线导轨，架设在监测对象的上方；悬架，与所述直线导轨滑动配合；牵引机构，用于带动所述悬架沿直线导轨运动；三维云台，吊设在所述悬架的下方；信息采集器，设置于所述三维云台上。

上述文献通过三维云台实现偏转、仰俯、横滚三个方向的运动，但是在飞行过程中具备各种突发情况以及飞行的稳定性难以保证，应用风扇模拟多旋翼飞行器的振动，振动形式只能通过风扇的转速调节，存在一定的局限性，难以实现真实的无人机飞行姿态模拟。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种具有摆动式载物台的农用飞行器模拟装置，该模拟装置能够模拟无人机飞行过程中的各种姿态，以及各种突发的恶劣环境，为地面研究空中动态信息采集提供较为接近真实环境的模拟数据。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种具有摆动式载物台的农用飞行器模拟装置，包括：

支撑轨道，上部滑动配合有放置采集对象的移动载物台；

安装在采集对象上方的平动轨道；

沿平动轨道移动的滑动座；

安装在滑动座内的振动座，振动座内设有限位腔；

置于所述限位腔内的晃动部件，与晃动部件配合的锁紧装置；

活动安装在晃动部件底部的旋转部件；

铰接在旋转部件底部的摆臂，以及安装在摆臂上的信息采集器。

本发明中，平动轨道安装在升降平台或悬架上，实现信息采集器的高度可调，模拟无人机的不同飞行高度。

悬架包括底座和安装在底座上的升降导向机构，平动轨道设置在升降导向机构的底端。升降导向机构可以为刚性的，例如丝杠螺母机构，也可以采用柔性的，例如绳索提升机构。各升降导向机构对应的驱动电机安装在底座上，可以采用无线或有线的控制方式。优选为无线，并安装相应的无线接收模块，用来收发无线启动或停止信号。

升降台包括间隔布置的两液压升降台，平动轨道架设在两液压升降台之间。液压升降台带动平动轨道上升或下降，升降稳定性好，且带无线接收模块，在控制台的控制下同步运行，无线接收模块用于接收无线升降信号。

平动轨道用于驱动信息采集器直线运行，模型无人机的直线飞行和加减速飞行，包括直线导轨和位于直线导轨两端的牵引机构，两个牵引机构具有分别连接在所述滑动座两端的牵引绳。牵引机构包括牵引绳和平动电机，也优选采用无线控制的方式，两个平动电机安装无线接收模块和调速装置，固定在直线导轨的两端，调速装置用来控制平移速度，根据无线接收模块接收的电机启动、停止及调速信号进行控制。

无人机飞行过程中的振动采用振动电机进行模拟，可调频率和幅度。所述振动座设置在滑动座的安装腔内，振动座上装有振动电机，振动座的侧面设有支撑板，支撑板的上下面与安装腔之间设有缓冲弹簧。

自由活动的晃动部件用来模拟飞行过程中的晃动，所述的晃动部件具有在限位腔内活动的球形底部，球形底部的顶部设有用于限制摆动幅度的限位凸起。在晃动过程中，晃动幅度在某一范围区间内，保持晃动部件和限位腔内壁润滑，限位凸起与球形底部为一体结构，以限制晃动幅度。

晃动部件的下方安装旋转部件和摆臂，在旋转部件和摆臂动作时，为避免晃动的晃动部件对两者的运动产生影响，应对晃动部件进行锁死。所述的锁紧装置安装在限位腔的上方，包括底部设有限位孔的锁紧件以及带动所述锁紧件升降的驱动部件，限位凸起的顶部伸入所述的限位孔内。

限位凸起伸入锁紧件的限位孔内，一方面通过限位孔限制摆动幅度，另一方面用于对晃动部件进行锁紧。驱动部件优选采用气缸类结构，作用晃动部件下压，紧压晃动部件的球形底部，进而锁紧晃动部件。

其中，所述晃动部件的底部设有伸入旋转部件内的固定杆，所述旋转部件包括绕固定杆活动的旋转座。旋转座内安装有驱动电机，带动旋转座在水平面内360度任意旋转。

摆臂在旋转部件的下方摆动，在对摆臂进行调节时，应控制旋转部位以下的整体重心位置方向上，因此，所述的农用飞行器模拟装置还包括控制旋转部件重心的调节装置。调节装置包括安装在旋转部件上的调节杆以及沿调节杆滑动配合的滑块。调节装置具有重心控制器，通过移动调节杆上滑块的位置，调整旋转部件及以下整体的重心，保持晃动部件在垂直方向内的晃动。

本发明中，所述的支撑轨道和平动轨道位于同一竖直面上，移动载物台的底部设有车轮，并安装驱动车轮的电机。

利用地面上的支撑轨道和可在支撑轨道上移动的载物台，使模拟装置能采集静止对象和移动对应的信息，更加符合真实的地面环境。另外，通过控制载物台移动，信息采集静止，进行反向的信息采集，用于后续图像信息的比较分析。

与现有的信息采集器相比，本发明的优点如下：

(1)本发明的模拟装置是一个动态的信息采集研究平台，所采集的信息是在采集设备动态运行中获取的，便于动态信息处理的研究；

(2)本模拟装置模拟了无人机在飞行中的加减速、上升下降、晃动、振动等多种飞行姿态，更为接近真实的飞行环境，基于该平台的研究成果更具有实际意义；

(3)本模拟装置不仅可以使信息采集设备在水平面内360度任意旋转，而且可以使其在竖直面内左右摆动，进而更为全方位地采集所需信息。

(4)本模拟装置可以使地上部分的信息采集装置保持静止，将实验对象放置于移动载物台上并让载物台沿地面轨道加速或减速移动，这样减少了信息采集装置长期在上方因移动产生的器件磨损，延长了装置的使用寿命。

附图说明

图1为立柱升降的农用飞行器模拟装置的结构示意图；

图中：液压升降台1、液压升降台2，牵引机构3，直线导轨4，平动轨道5，滑动座6，振动座7，摆臂8，信息采集器9，旋转部件10，固定杆11，缓冲弹簧12，振动电机13，牵引绳14，牵引机构15，控制台16，锁紧装置17，调节装置18，电机19，滑块20，调节杆21，晃动部件22，锁紧件23，移动载物台24，支撑轨道25。

图2为晃动部件与锁紧装置的配合示意图；

图3为悬挂升降的农用飞行器模拟装置的结构示意图。

图中：升降电机26，升降导向机构27，悬架28，升降电机29，升降导向机构30。

具体实施方式

如图1所示的立柱式无人机信息获取模拟装置，包括升降台，升降台上设有位于采集对象上方的平动轨道5；悬挂在悬架1底部的平动轨道5；沿平动轨道5移动的滑动座6；安装在滑动座6内的振动座7，振动座7内设有限位腔；置于限位腔内的晃动部件22，与晃动部件22配合的锁紧装置17；活动安装在晃动部件22底部的旋转部件10；铰接在旋转部件10底部的摆臂8，安装在摆臂8上的信息采集器9；以及控制台16。

支撑轨道25固定在地面上，上部放置有可沿支撑轨道25滑动的支撑轨道24，支撑轨道24底部装有车轮，由安装在支撑轨道24内的电机驱动，控制台18通过无线通讯的方式发射电机的启动和停止信号，控制支撑轨道24的移动、加速或减速。采用支撑轨道24，一方面可以减少信息采集器9长期移动产生的器件损耗，另一方面可以控制采集对象的移动，模拟真实的地面信息，采集更加复杂的对象信息。

升降台包括安装在地面上的液压升降台1和液压升降台2，采集对应放置在两液压升降台之间，用于带动平动轨道上升或下降，且均带无线接收模块，在控制台16的控制下同步运行，无线接收模块用于接收无线升降信号。

平动轨道5架设在液压升降台1和液压升降台2之间，包括直线导轨4和位于直线导轨两端的牵引机构3和牵引机构15，两个牵引机构具有分别连接在滑动座6两端的牵引绳14，牵引绳14的另一端接入平动轨道两端的电机，电机上安装接收控制台16发出的无线启动、停止及调速信号的无线接收模块，电机通过牵引绳14带动滑动座6在直线导轨4上运动，模拟无人机的直线飞行或加减速飞行。

滑动座6内设有装设振动座7的安装腔，振动座7上装有振动电机13，侧面设有支撑板，支撑板的上下面与安装腔之间设有缓冲弹簧12。振动电机13用于模拟无人机飞行过程中的振动，并采用无线控制方式，控制电机的振动频率和幅度。缓冲弹簧12从上下两个方向顶住支撑板，为振动座7提供缓冲力，保持稳定的振幅。

本实施例中，采用YZO-1.5-2型振动电机，振动频率通过控制台16的调速系统进行调节，通过调整偏心块的夹角无级调节激振力进而调节振动频率。

晃动部件22安装在振动座7底部的限位腔内，用来模拟飞行过程中的晃动。晃动部件22具有光滑的球形底部，与光滑的限位腔内壁配合。球形底部上具有圆锥体形的限位凸起。限位腔顶部安装与晃动部件22配合的锁紧装置17，其包括可升降的锁紧件23，底面开设有限位孔，晃动部件22的限位凸起伸入限位孔内，通过限位凸起和限位孔的配合，使限位凸起的晃动范围限于限位孔内，从而对晃动部件22的晃动幅度进行控制，符合更加真实的飞行环境。

振动电机13在控制台的控制下启动或关闭，产生的振动能量经缓冲弹簧12缓冲后传递至振动座6，以此模拟飞机飞行中的振动。同时与振动座连接的自由晃动部件随之晃动，进一步模拟无人机飞行时的状态。

晃动部件22的下方还安装有活动的旋转部件10和摆臂8，旋转部件10和摆臂8动作时，应锁死晃动部件22，避免完全自由活动的晃动部件22对两者的运动产生影响。因此，可升降的锁紧件23还用于对晃动部件22进行锁死，驱动机构(比如气缸)推动锁紧件23下压，如图2所示，限位孔的底沿抱死晃动部件22的球形底部，实现晃动部件22的锁紧。

在另一个实施例中，晃动部件22为球形，锁紧件23底部具有粗糙内壁的锥形孔，锁紧件23下压后，球形的晃动部件22进入锥形孔内，锁死晃动部件。

晃动部件22的底部设有伸入旋转部件10内的固定杆11，旋转部件10包括绕固定杆11水平旋转的旋转座。旋转座内安装有驱动电机，并配套无线接收模块，用于接收控制台16发出的电机启动或停止信号，控制旋转座在水平面内360度任意旋转，模拟飞行过程中的转动。

摆臂8安装在旋转部件10的下方，一端铰接在旋转部件10的底部，且连接处安装带无线接收模块的电机19，用来驱动摆臂摆动，无线接收模块根据控制台16发出的启动、停止信号，控制摆臂8在其所处竖直平面内左右摇摆。在摆臂8进行控动作时，应控制旋转部位10以下的整体重心保持在垂直方向上，旋转部件10上安装有控制重心的调节装置18，包括安装在旋转部件10上的调节杆21以及沿调节杆21滑动配合的滑块20。调节装置18具有重心控制器，若重心控制器感应到重心偏移，滑块20在电机作用下沿调节杆21滑动，调整旋转部件10及以下整体的重心，使晃动部件在垂直方向内的晃动。

水平转动的旋转部件10和摆臂控制信息采集器9如成像仪不仅能在水平方向360度选装，而且可在竖直平面内左右摆动，增加了成像仪的拍摄角度，提升了获取信息的丰富度。

信息采集器9根据研究需要可以为RGB相机、红外热成像仪、多通道的CCD成像仪、连续波段的高光谱成像仪等成像设备，信息采集器9带存储卡用以储存采集光谱或图像信息。

控制台16为整个模拟装置的控制中心，制定各电机的运行数据，并安装有无线信号发射模块，用于向配备无线接收模块的电机发送启动或停止信号，控制各部件运行，模拟无人机飞行的姿态。

如图3所示，在悬挂升降的农用飞行器模拟装置中，平动轨道5悬挂在悬架28底部，悬架28安装在室内的天花板上或置于相应的支架上，悬架28包括固定的底座和安装在底座上的升降导向机构27和升降导向机构30。升降导向机构用于控制平动轨道5升降，调整信息采集器9的高度，模拟无人机的飞行高度。升降导向机构为两组，均采用丝杠螺母机构，升降电机26和升降电机29固定在底座或天花板上，配备无线接收模块，用于接收控制台16发出的电机启动或停止信号。电机根据信号驱动螺母部分转动，带动丝杠部分上下移动，调整平动轨道5的高度。

本实施例通过无线通信网络(调频AM的通讯方式)实现信息获取装置水平方向的加减速移动、垂直升降、水平旋转、在竖直平面内的摇摆，并且带有振动功能，不仅使信息采集装置全方位获得植物生长信息，而且能模拟无人机飞行状态下信息获取装置的工作状况，便于建立数据处理、图像处理等模型且优化算法，利于真实无人机信息采集的应用，为农用无人机信息获取平台的研制和开发提供试验研究平台。

本发明具有以下特点：

1、本发明用振动电机模拟农用飞行器的振动，振动频率和幅度均可单独调节，振动形式更加多样；

2、本发明加入晃动部件，能够模拟信息采集装置在自由状态下的工作情况，使得本发明模拟的农用飞行器飞行状况更为接近真实情况；

3、本发明具有配合晃动部件的锁死装置，便于进行信息采集装置姿态的调节；

4、本发明通过旋转部件和摆臂两个部件实现了信息采集装置全方位的信息采集功能；

5、本发明加入重心调节装置，使得旋转部件的重心与晃动部件保持在同一竖直线上，避免了重心偏移引起的机械应力对装置造成的伤害。

Claims (6)

1.一种具有摆动式载物台的农用飞行器模拟装置，其特征在于，包括：

支撑轨道，上部滑动配合有放置采集对象的移动载物台；

安装在采集对象上方的平动轨道；

沿平动轨道移动的滑动座；

安装在滑动座内的振动座，振动座内设有限位腔；

置于所述限位腔内的晃动部件，与晃动部件配合的锁紧装置；

活动安装在晃动部件底部的旋转部件；

铰接在旋转部件底部的摆臂，以及安装在摆臂上的信息采集器；

所述振动座设置在滑动座的安装腔内，振动座上装有振动电机，振动座的侧面设有支撑板，支撑板的上下面与安装腔之间设有缓冲弹簧；所述的晃动部件具有在限位腔内晃动的球形底部，球形底部的顶面设有用于限制摆动幅度的限位凸起；所述的锁紧装置安装在限位腔的上方，包括底部设有限位孔的锁紧件以及带动所述锁紧件升降的驱动部件，限位凸起的顶部伸入所述的限位孔内。

2.如权利要求1所述的农用飞行器模拟装置，其特征在于，所述的平动轨道包括直线导轨和位于直线导轨两端的牵引机构，两个牵引机构具有分别连接在所述滑动座两端的牵引绳。

3.如权利要求1所述的农用飞行器模拟装置，其特征在于，所述晃动部件的底部设有伸入旋转部件内的固定杆，所述旋转部件包括绕固定杆活动的旋转座，以及驱动所述旋转座的电机。

4.如权利要求3所述的农用飞行器模拟装置，其特征在于，所述的农用飞行器模拟装置还包括控制旋转部件重心的调节装置。

5.如权利要求4所述的农用飞行器模拟装置，其特征在于，所述的调节装置包括安装在旋转部件上的调节杆以及沿调节杆滑动配合的滑块。

6.如权利要求1所述的农用飞行器模拟装置，其特征在于，所述的支撑轨道和平动轨道位于同一竖直面上，移动载物台的底部设有车轮，并安装驱动车轮的电机。