CN105270650B - 一种六自由度无人机姿态控制测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种六自由度无人机姿态控制测试装置，包括底座、框架、三自由度关节、第一转动装置、第一转动副、第二转动装置、第二转动副、安装模块、第三转动副和无人机模块，其中：底座固定于地面或工作台面；框架与底座之间通过三自由度关节连接；第一转动装置与框架通过第一转动副连接；第二转动装置和第一转动装置通过第二转动副实现连接；安装模块与第二转动装置通过第三转动副进行连接；无人机模块安装于安装模块上；通过以上连接方式，使得无人机模块拥有六个自由度的空间运动。本发明空间使用非常小，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。

Description

一种六自由度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，具体涉及一种六自由度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六自由度无人机姿态控制测试装置，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：

本发明提供一种六自由度无人机姿态控制测试装置，包括底座、框架、三自由度关节、第一转动装置、第一转动副、第二转动装置、第二转动副、安装模块、第三转动副和无人机模块，其中：所述底座固定于地面或工作台面；所述框架与所述底座之间通过所述三自由度关节连接，从而使得所述框架拥有前后、左右、升降三个自由度；所述第一转动装置与所述框架通过所述第一转动副连接，从而使得所述第一转动装置拥有绕X轴方向的旋转自由度；所述第二转动装置和所述第一转动装置之间通过所述第二转动副实现连接，从而使得所述第二转动装置拥有绕Y轴方向的旋转自由度；所述安装模块与所述第二转动装置之间通过所述第三转动副进行连接，从而使得所述安装模块拥有绕Z轴向的旋转自由度；所述无人机模块安装于所述安装模块上；通过以上连接方式，使得所述无人机模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度即俯仰、偏航、横滚，和前后、左右、升降，总计六个自由度的空间运动。

优选地，所述的装置还包括有仿真软件模块，当所述装置的机械部分搭建完毕后，所述仿真软件模块通过有线或者无线方式与无人机模块进行连接，并实现在线实时，整个装置各个模块共同作用即可令无人机在安全的环境下进行姿态稳定控制调试过程中所需的空间六自由度姿态综合调试；开发人员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实地飞行中的真实参数，从确保无人机模块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。

优选地，所述的框架由一根滑动杆和边框刚性连接组成，滑动杆与底座通过三自由度关节连接，从而实现框架与底座的连接。

优选地，所述的三自由度关节通过万向节、轴承组合方式实现，滑动杆通过三自由度关节实现前后、左右、升降三个自由度，并带动边框实现前后、左右、升降三个自由度，从而使得框架具有前后、左右、升降三个自由度的空间运动。

优选地，所述的第一转动副为轴承等，第一转动副绕X轴方向转动，从而带动第一转动装置拥有绕X轴方向的旋转自由度。

优选地，所述的第二转动副为轴承等，第二转动副绕Y轴方向转动，从而带动第二转动装置拥有绕Y轴方向的旋转自由度。

优选地，所述的第三转动副为轴承等，第三转动副绕Z轴方向转动，从而带动安装模块拥有绕Z轴方向的旋转自由度。

本发明在机械部分搭建时，安装模块和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六自由度半实物仿真；该发明空间使用非常小，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。该发明基于机械六自由度机械结构设计原理，当无人机通过上述系统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飞机实地飞行中的真实参数，从确保无人机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；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：框架1、第一转动装置2、第二转动装置3、安装模块4、无人机模块5、三自由度关节6、底座7、第一转动副8、第二转动副9、第三转动副10。

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。

如图1所示，一种六自由度无人机姿态控制测试装置，包括框架1、第一转动装置2、第二转动装置3、安装模块4、无人机模块5、三自由度关节6、底座7，其中：底座7固定于地面或桌面等固定表面，并和框架1之间由三自由度关节6来连接，从而使框架1拥有前后、左右、升降三个自由度；第一转动装置2和框架1由第一转动副8来连接，从而使得第一转动装置2拥有绕X轴方向的旋转自由度；第二转动装置3和第一转动装置2之间由第二转动副9来连接，从而使得第二转动装置3拥有绕Y轴方向的旋转自由度；安装模块4和第二转动装置3之间通过第三转动副10进行连接，从而使得安装模块4拥有绕Z轴向的旋转自由度；将无人机模块5安装于安装模块4；通过上述连接方式，使无人机模块5拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度即俯仰、偏航、横滚，和前后、左右、升降，总计六个自由度的空间运动。

本实施例中，在机械部分搭建时，安装模块4和底座7的共同作用将保证无人机模块5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。

进一步的，在另一实施例中，所述的装置还可以进一步包括仿真软件模块，当装置的机械部分搭建完毕后，所述仿真软件模块通过有线或者无线方式与无人机模块5进行连接，并实现在线实时，整个装置各个模块共同作用即可令无人机在安全的环境下进行姿态稳定控制调试过程中所需的空间六自由度姿态综合调试；开发人员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飞行中的真实参数，从确保无人机模块在飞行过程中的姿态平稳，达到无人机姿态控制测试的效果。

在一实施例中，所述的框架1由一根滑动杆和边框刚性连接组成，滑动杆与底座7通过三自由度关节6连接，从而实现框架1与底座7的连接。

在一实施例中，所述的三自由度关节6通过万向节、轴承组合方式实现，滑动杆通过三自由度关节6实现前后、左右、升降三个自由度，并带动边框实现前后、左右、升降三个自由度，从而使得框架1具有前后、左右、升降三个自由度的空间运动。

所述的第一转动副8为轴承，第一转动副8绕X轴方向(俯仰)转动，从而带动第一转动装置2拥有绕X轴方向(俯仰)的旋转自由度。

所述的第二转动副9为轴承，第二转动副9绕Y轴方向(偏航)转动，从而带动第二转动装置3拥有绕Y轴方向(偏航)的旋转自由度。

所述的第三转动副10为轴承，第三转动副10绕Z轴方向(横滚)转动，从而带动安装模块4拥有绕Z轴方向(横滚)的旋转自由度。

上述的X轴、Y轴、Z轴是空间直角坐标系的三个轴(如图2所示)。

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)，总计六个自由度。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。

本实施例在使用时，需要将无人机的飞控系统安装并上电，通过操控无人机来进行无人机的俯仰、偏航、横滚、前后、左右、升降运动。

本实施例所述装置基于机械六自由度机械结构设计原理，通过对无人机在本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，此仿真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 (7)

1.一种六自由度无人机姿态控制测试装置，其特征在于，包括底座、框架、三自由度关节、第一转动装置、第一转动副、第二转动装置、第二转动副、安装模块、第三转动副和无人机模块，其中：所述底座固定于地面或工作台面；所述框架与所述底座之间通过所述三自由度关节连接，从而使得所述框架拥有前后、左右、升降三个自由度；所述第一转动装置与所述框架通过所述第一转动副连接，从而使得所述第一转动装置拥有绕X轴方向的旋转自由度；所述第二转动装置和所述第一转动装置之间通过所述第二转动副实现连接，从而使得所述第二转动装置拥有绕Y轴方向的旋转自由度；所述安装模块与所述第二转动装置之间通过所述第三转动副进行连接，从而使得所述安装模块拥有绕Z轴方向的旋转自由度；所述无人机模块安装于所述安装模块上；通过以上连接方式，使得所述无人机模块拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度即俯仰、偏航、横滚，和前后、左右、升降，总计六个自由度的空间运动。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度无人机姿态控制测试装置，其特征在于，还包括有仿真软件模块，当所述六自由度无人机姿态控制测试装置的机械部分搭建完毕后，所述仿真软件模块通过有线或者无线方式与无人机模块进行连接，并实现在线实时，所述六自由度无人机姿态控制测试装置各个模块共同作用即可令无人机在安全的环境下进行姿态稳定控制调试过程中所需的空间六自由度姿态综合调试；开发人员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飞行中的真实参数，从而确保无人机模块在飞行过程中的姿态平稳，达到无人机姿态控制测试的效果。

3.根据权利要求1或2所述的一种六自由度无人机姿态控制测试装置，其特征在于，所述的框架由一根滑动杆和边框刚性连接组成，滑动杆与底座通过三自由度关节连接，从而实现框架与底座的连接。

4.根据权利要求3所述的一种六自由度无人机姿态控制测试装置，其特征在于，所述的三自由度关节通过万向节、轴承组合方式实现，滑动杆通过三自由度关节实现前后、左右、升降三个自由度，并带动边框实现前后、左右、升降三个自由度，从而使得框架具有前后、左右、升降三个自由度的空间运动。

5.根据权利要求1或2所述的一种六自由度无人机姿态控制测试装置，其特征在于，所述的第一转动副为轴承，第一转动副绕X轴方向转动，从而带动第一转动装置拥有绕X轴方向的旋转自由度。

6.根据权利要求1或2所述的一种六自由度无人机姿态控制测试装置，其特征在于，所述的第二转动副为轴承，第二转动副绕Y轴方向转动，从而带动第二转动装置拥有绕Y轴方向的旋转自由度。

7.根据权利要求1或2所述的一种六自由度无人机姿态控制测试装置，其特征在于，所述的第三转动副为轴承，第三转动副绕Z轴方向转动，从而带动安装模块拥有绕Z轴方向的旋转自由度。