CN105270639B - 一种无人机姿态控制测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机姿态控制测试装置，包括底座、三自由度以上关节、滑动杆、二自由度以上关节、安装模块、无人机模块和仿真软件模块，其中：所述底座固定于地面或工作台面，滑动杆与底座之间通过三自由度以上关节连接，安装模块与滑动杆之间通过二自由度以上关节连接，无人机模块安装于安装模块上，从而使无人机模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度以及沿X、Y、Z轴三个方向的移动自由度，总计六个空间自由度。通过对无人机在本装置上运行时的动态响应实时调整控制策略和相关参数，方便科研人员及工程师进行无人机飞控产品的开发和调试工作；同时可在室内进行安全调试，降低无人机产品研发难度，促进无人机行业迅速发展。

Description

一种无人机姿态控制测试装置

技术领域

本发明涉及航空技术领域，具体涉及一种无人机姿态控制测试装置。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。

从发展前景来看，无人机的发展前途无量。在航拍、快递、灾后搜救、数据采集等领域，无人机都已经崭露头角。虽然在监管等层面，无人机发展依然存在瓶颈，但从目前来看，无人机产业链的蓬勃发展，已经是不争的事实。无人机+行业应用，是无人机真正的刚需。目前在航拍、农业植保、测绘等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途。

随着无人机技术的不断进步，其性能越来越好，实现的功能日益丰富。与此同时，无人机的研制成本也越来越高，在面对险恶复杂的自然环境时，付出了极大的代价。无人机系统各机载设备的安全性、可靠性日益引起人们的关注，因此构建一套全面的无人机地面综合测试平台已越来越重要且急迫。

目前我国无人机的测试设备存在一些突出问题，如缺乏统一的规划、功能单一化，标准化、系列化和通用化程度低等。这就要求现代化的无人机综合性能测试系统能够满足更全面的试验需要：在无人机研制阶段，能够对无人机飞行控制率进行有效的检测和评估；在飞行准备阶段，可以对飞行控制系统进行方便及全面的功能性检测；在飞行结束后，可以对飞行中的故障进行事后分析、模拟和故障归零；在后续改进过程中，可以对修改后的飞行控制系统进行测试和验证。

发明内容

本发明的目的，旨在为无人机的开发者提供一种无人机姿态控制测试装置，该装置能够使无人机的调试工作变得便捷、高效、安全，并且能够使无人机的姿态在调试过程中拥有所需的空间六自由度(俯仰、偏航、横滚、前后、左右、升降)，从而促进飞行控制系统开发的进程。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种无人机姿态控制测试装置，所述装置包括底座、滑动杆、三自由度以上关节、安装模块、二自由度以上关节和无人机模块，其中：所述底座固定于地面或工作台面；所述滑动杆与所述底座之间通过所述三自由度以上关节连接，从而使得所述滑动杆拥有绕X、Y、Z轴旋转自由度和沿Z轴方向的升降自由度；所述安装模块与所述滑动杆之间通过所述二自由度以上关节连接，从而使得所述安装模块拥有基于所述二自由度以上关节的绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度；所述无人机模块安装于所述安装模块上；通过上述连接方式，所述无人机模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度以及沿X、Y、Z轴三个方向的移动自由度，总计六个空间自由度，即俯仰、偏航、横滚、前后、左右、升降。

优选地，所述的三自由度以上关节通过万向节、轴承组合或球铰链方式实现，在允许滑动杆拥有沿X、Y、Z轴方向的移动自由度，即前后、左右和升降。

优选地，所述的二自由度以上关节为万向节、轴承组合或球铰链结构。

优选地，所述的安装模块安装于二自由度以上关节的末端，从而使得安装模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度。

本发明在装置的机械部分搭建时，所述安装模块和所述底座的共同作用将保证无人机模块的安全，使之在合理的要求范围中进行飞行控制系统的飞行调试，保证调试人员的人身安全，同时使得调试工作可在室内进行低高度飞行，避免了室外调试的复杂流程和其对气象条件的苛刻要求，而且可以避免坠机事故的发生，降低研发成本。

本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：

本发明基于机械六自由度机械结构设计原理，通过将无人机固定在装置的末端来实现机身的俯仰、偏航、滚转三个旋转自由度，以及前后、左右、升降三个移动自由度，总计六个自由度的全向飞行姿态的综合仿真。通过对无人机在本仿真装置上运行时的动态响应，可以实时的调整控制策略和相关参数，方便科研人员及工程师(尤其是缺乏飞行操控经验的开发人员)进行无人机飞控产品的开发和调试工作；与此同时，此装置可在室内进行安全调试，减少了室外飞行时由于坠机带来的财产损失和人身事故，降低无人机产品的研发难度，促进无人机行业的迅速发展。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体架构图；

图2为本发明一实施例的无人机飞行姿态说明图，

图中：1底座、2三自由度以上关节、3滑动杆、4二自由度以上关节、5安装模块、6无人机模块、7仿真软件模块；

图3为本发明一实施例的三自由度以上关节的一种实现方式图，

图中：第一轴承2-1、第二轴承2-2、第三轴承2-3、第一转动副2-4、第二转动副2-5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的整体实施方式是：

如图1所示，本实施例提供一种无人机姿态控制测试装置，所述装置包括：底座1、三自由度以上关节2、滑动杆3、二自由度以上关节4、安装模块5、无人机模块6，其中：

底座1固定于地面或桌面等固定表面，并和滑动杆3之间由三自由度以上关节2来连接，从而使得滑动杆3拥有绕X、Y、Z、轴旋转自由度和沿Z轴方向的升降自由度；滑动杆3和安装模块5之间由二自由度以上关节4来连接，从而使得安装模块5拥有基于二自由度以上关节的绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度；无人机模块6安装于安装模块5上；通过上述连接方式，从而使得无人机模块6拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度以及沿X、Y、Z轴三个方向的移动自由度，总计俯仰、偏航、横滚、前后、左右、升降六个自由度。

所述的三自由度以上关节通过万向节、轴承组合或球铰链方式实现，在允许滑动杆拥有沿X、Y、Z轴方向的移动自由度，即前后、左右和升降。

所述的二自由度以上关节为万向节、轴承组合或球铰链结构。

所述的安装模块安装于二自由度以上关节的末端，从而使得安装模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度。

上述的X、Y、Z轴是空间直角坐标系的三个轴(如图2所示)。

本实施例中，当所述装置的机械部分搭建完毕后，通过有线或者无线方式将无人机模块6与仿真软件模块7进行连接，并实现在线实时。当无人机模块6通过上述装置进行半实物实时仿真之后，开发人员便可以通过调试过程中对飞行相关参数的监控和试探来确定无人机模块6实地飞行中的真实参数，从确保无人机模块6在实地飞行过程中的姿态平稳，达到无人机姿态控制测试的效果。

在另一实施例中：

如图3所示，三自由度以上关节2的一种实现方式，将三个内外径大小依次排列的第一轴承2-1、第二轴承2-2、第三轴承2-3，通过两个相互垂直的第一转动副2-4和第二转动副2-5进行连接；将滑动杆3安装插进第三轴承2-3中时，使得滑动杆3将获得三自由度的运动自由度。

所述的二自由度以上关节4(该关节的自由度大于等于二自由度)为万向节、轴承组合或球铰链结构；所述安装模块5安装于二自由度以上关节4的末端，从而使得安装模块5拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度。

所述的二自由度关节4的一种实现方式是通过一个球铰链进行连接；将安装模块5与二自由度关节4连接安装，安装模块5将具有三个自由度的运动。

通过上述连接方式(将滑动杆、二自由度以上关节4、安装模块5三者进行连接)，可使得无人机模块6拥有基于底座的绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度以及沿X、Y、Z轴三个方向的移动自由度，总计俯仰、偏航、横滚、前后、左右、升降六个自由度。

本实施例旨在对无人机飞行姿态控制系统稳定性进行半实物实时仿真测试，其中包括无人机的俯仰、偏航、横滚、前后、左右、升降(如图2)六个空间自由度，通过仿真软件中对各项飞行参数的实时调整和对飞行姿态稳定性的观察来开发出稳定的飞行控制系统。

本发明所述装置用于对无人机(主要用于多旋翼和直升机类型的无人机)的飞行姿态稳定性控制进行半实物仿真；该装置空间使用非常小，可进行无人机的室内调试，避免了室外调试的复杂流程，并避免调试过程中对人群和无人机造成的不安全因素。本发明基于机械六自由度机械结构设计原理，通过对无人机模块在装置上运行时的动态响应，可以实时的调整控制策略和相关参数，方便科研人员及工程师(尤其是缺乏飞行操控经验的开发人员)进行无人机飞控产品的开发和调试工作；于此同时，此装置可在室内进行安全调试，减少了室外飞行时由于坠机带来的财产损失和人身事故，降低无人机产品的研发难度，促进无人机行业的迅速发展。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种无人机姿态控制测试装置，其特征在于，所述装置包括底座、滑动杆、三自由度以上关节、安装模块、二自由度以上关节和无人机模块，其中：所述底座固定于地面或工作台面；所述滑动杆与所述底座之间通过所述三自由度以上关节连接，从而使得所述滑动杆拥有绕X、Y、Z轴旋转自由度和沿Z轴方向的升降自由度；所述安装模块与所述滑动杆之间通过所述二自由度以上关节连接，从而使得所述安装模块拥有基于所述二自由度以上关节的绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度；所述无人机模块安装于所述安装模块上；通过上述连接方式，所述无人机模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度以及沿X、Y、Z轴三个方向的移动自由度，总计六个空间自由度，即俯仰、偏航、横滚、前后、左右、升降；

所述三自由度以上关节的实现方式，将三个内外径大小依次排列的第一轴承、第二轴承、第三轴承，通过两个相互垂直的第一转动副和第二转动副进行连接；将滑动杆安装插进第三轴承中时，使得滑动杆将获得三自由度的运动自由度；

所述的二自由度以上关节为万向节、轴承组合或球铰链结构；所述安装模块安装于二自由度以上关节的末端，从而使得安装模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度，即俯仰、偏航和横滚。