CN106200658B - 一种可变结构多旋翼无人机实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种旋翼无人机飞行实验平台。该可变结构多旋翼无人机实验平台包括底座、X‑Y旋转框、光电编码器、电磁阻尼器、Y轴限位块、Z轴固定板、Z轴法兰、飞行控制系统安装平台、飞行控制系统、机臂、竖直连接轴、电机安装座、计算机；本发明通过飞行控制系统对多旋翼无人机的飞行姿态进行控制，通过光电编码器和电磁阻尼器的数据采集和阻尼控制，测试飞行控制系统控制品质，为控制系统的设计提供参考依据；同时，通过调节机臂长度、机臂接头安装接口数量和角度以及电机安装座旋转角度，可以实现对不同结构多旋翼无人机的实验测试。本发明结构简单、成本低，可满足不同结构多旋翼无人机测试需求。
Description
技术领域
本发明涉及多旋翼无人机飞行仿真实验平台、测试设备及飞行控制仿真等技术领域，尤其涉及一种多旋翼无人机结构非常规的、适合多种复杂多旋翼无人机结构的飞行仿真实验平台。
背景技术
在多旋翼无人机控制律设计过程中，需要采集多旋翼无人机飞行状态中的参数，并且验证控制律在多旋翼无人机飞行过程中的控制品质。在多旋翼无人机设计和实验中，多旋翼无人机飞行仿真实验平台起到重要作用。
目前关于多旋翼无人机控制律设计的实验平台没有统一的标准。一般实验者都是根据自身多旋翼无人机大小、结构来设计符合自身要求的实验平台。这种常见的因地制宜的实验平台有如下几种：1、满足一般实验需要的三自由度转台，这种转台结构简单、无需复杂传感器和机械设备等。2、针对多旋翼无人机某一部分而单独设计的实验台，如测试多旋翼无人机旋转叶片个数、角度等对多旋翼无人机飞行姿态的影响而设计的实验台。
多旋翼无人机控制律的设计和验证需要一种综合性的实验平台，这种实验平台可以模拟多旋翼无人机的各种飞行条件，同时可以根据不同多旋翼无人机结构做出适应性调整，采集多旋翼无人机飞行过程中的一些重要参数俯仰角及俯仰角速率，滚转角及滚转角速率，偏航角及偏航角速率，在此基础上对飞行控制系统性能做出调整。
发明内容
本发明的目的是：提供一种综合性的实验台及模拟方法，能够测试不同结构多旋翼无人机飞行状态在不同大小的转动阻尼状态下的适应能力，能够准确模拟、验证和调整飞行控制系统性能，解决现有测试手段通用性不强、测式功能单一等技术问题。
本发明的技术方案是：一种可变结构多旋翼无人机实验平台，包括底座(1)、X-Y旋转框(2)、光电编码器(3)、电磁阻尼器(4)、Z轴固定板(5)、竖直连接轴(6)；其中：
所述底座(1)用于支撑X-Y旋转框(2)，其由一块底板和设在其两端的两块侧挡板一体构成，两块侧挡板结构对称，各设有一个轴承孔，轴承孔下方左右两侧均对称设有限位装置，可以是销钉孔，可供安装限位销钉，以限制X-Y旋转框(2)的转动角度范围；
所述X-Y旋转框(2)是一个矩形框，用于安装Z轴固定板(5)；X-Y旋转框(2)其左右两边框中心部位各设有一个轴承孔，用于通过转轴与所述底座侧档板上轴承孔相连，X-Y旋转框(2)能架设在底座上，并在所述限位装置限制范围内转动，所述转轴的中心轴线设为X轴；所述转轴与侧挡板的结合部均安装有光电编码器(3)和电磁阻尼器(4)，光电编码器(3)用于采集竖直连接轴(6)绕X轴旋转角速度，电磁阻尼器(4)用于控制转动轴阻尼，可以调节大小；
所述Z轴固定板(5)为一矩形平板，用于安装竖直连接轴(6)；Z轴固定板(5)通过其两端转轴与所述X-Y旋转框(2)中部相连，实现可转动安装，两端转轴与所述X轴垂直，两端转轴中心轴线设为Y轴，两端转轴与X-Y旋转框(2)结合部位也分别安装光电编码器(3)和电磁阻尼器(4)，光电编码器(3)用于采集竖直连接轴(6)绕Y轴旋转角速度，电磁阻尼器(4)用于控制转动轴阻尼，可以调节大小；
所述X-Y旋转框(2)下部安装有Y轴限位块(22)，以限制Z轴固定板(5)的转动角度范围，同时使Z轴固定板(5)保持向上的姿态；
所述竖直连接轴(6)固定在Z轴固定板(5)中部，用于安装Z轴法兰(7)；竖直连接轴(6)能与Z轴固定板(5)同步绕X轴和Y轴转动；竖直连接轴(6)中心轴线为Z轴，其上端通过轴承与Z轴法兰(7)相连；飞行控制系统安装平台(8)安装在Z轴法兰(7)上，Z轴法兰(7)和飞行控制系统安装平台(8)能共同绕竖直连接轴(6)旋转。
进一步的，所述竖直连接轴(6)上安装有Z轴限位块(23)，Z轴限位块(23)上的孔与Z轴法兰(7)上的定位孔通过制动螺钉固定连接，该螺钉可调节松紧，以决定是否需要飞行控制系统安装平台(8)绕Z轴旋转；当其处于旋紧态时，飞行控制系统安装平台(8)不能绕Z轴旋转；
所述Z轴法兰(7)圆心区域安装有光电编码器(3)，光电编码器(3)用于采集Z轴法兰(7)与飞行控制系统安装平台(8)绕竖直连接轴(6)旋转角速度。
进一步的，所述飞行控制系统安装平台(8)周边开设有八个对称分布的机臂接头安装接口(9)，每个都有一个120°旋转槽(20)，机臂接头(11)通过机臂接头安装接口(9)与飞行控制系统安装平台(8)连接，并且机臂接头(11)可以在120°的旋转槽(20)内旋转。
进一步的，所述机臂(12)固定安装在机臂接头(11)内。
进一步的，所述机臂(12)有粗细两部分组成，其机臂总长可以通过细部在较粗部分内滑动来调节。
进一步的，所述机臂(12)末端设有电机安装座(13)，用于固定安装电机(14)；电机安装座(13)侧面开设的安装轴孔和机臂(12)外径相同，使机臂(12)末端能插入电机安装座；电机安装座可绕机臂(12)的中心轴转动，并能由安装与电机安装座(13)上的紧定螺钉锁定。
进一步的，所述电机(14)固定安装在电机安装座(13)上，旋转叶片(15)安装在电机(14)转动轴上。
按照本发明的另一个方面，提出了一种可变结构多旋翼无人机实验平台使用方法，包括如下子步骤：
A.准备步骤：根据欲模拟测试的多旋翼无人机的型式、布局和几何尺寸，安装电机臂(12)并调节电机臂(12)长度，调节电机(14)安装角度，使其与欲模拟多旋翼无人机一致；将其飞行控制系统(10)固定在飞行控制系统安装平面(8)上，与计算机相连；将各电机与电子调速器相连；电子调速器与飞行控制系统(10)连接，光电编码器和电磁阻尼器与数据采集卡连接，数据采集卡输出接计算机；
B.模拟实验：向欲测试无人机的飞行控制系统(10)发送无线指令信号，飞行控制系统(10)输出信号至电子调速器，电子调速器驱动各电机臂上电机(14)使其转动，带动飞行控制系统安装平台(8)以及连接在其上的机臂接头(11)、机臂(12)等附属部件组成的平面按期望的姿态动作，从而直观地了解控制系统工作状况是否正常；向电磁阻尼器(4)发送指令，产生不同大小的阻尼分别作用于底座(1)与X-Y旋转框(2)连接轴上以及X-Y旋转框(2)与Z轴固定板(5)的连接轴上，以模拟多旋翼无人机不同飞行状态中俯仰以及横滚姿态的阻尼，验证飞行控制系统在不同的状态下对无人机的控制品质；
C.数据采集：安装在X轴、Y轴和Z轴上的光电编码器(3)测出飞行控制安装平台(8)平面分别绕X轴、Y轴、Z轴转动的角速度，并通过飞行控制系统(10)数据采集卡(16)传回计算机。
本发明的有益效果是：(1)本发明通过飞行控制系统对多旋翼无人机在不同飞行条件下的飞行姿态进行控制，通过光电编码器和电磁阻尼器的数据采集和阻尼控制，经过数据采集卡输入计算机，从而测试飞行控制系统控制性能。(2)三自由度运动平台可以实现对多旋翼无人机在X、Y、Z三个自由度上的运动测试，同时可以限定X、Y方向上的旋转角度和终止Z方向上的转动。(3)本发明中飞行控制系统安装平台上开有对称的八个120°旋转槽，可以控制机臂接头安装数量以及安装角度。(4)本发明中机臂机臂有粗细两段，可拉长和缩短，从而可以根据不同实验测试对象调整机臂长度。(5)本发明电机安装座有上下两部分，上下两部分利用螺栓连接固定，电机安装座和机臂之间可以实现360°旋转，从而可以根据不同实验测试对象调整旋转叶片中心轴绕机臂旋转角度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是本发明三自由度运动平台等轴测视图；
图3是本发明X轴限位销钉示意图；
图4是本发明Y轴限位块示意图；
图5是本发明Z轴限位块示意图；
图6是本发明飞行控制系统安装平台转动装置等轴测视图；
图7是本发明飞行控制系统安装平台转动装置左视图；
图8是本发明机臂连接机构示意图；
图9是本发明电机装置示意图；
图10是本发明应用示意图。
其中1-底座，2-X-Y旋转框，3-光电编码器，4-电磁阻尼器，5-Z轴固定板，6-竖直连接轴，7-Z轴法兰，8-飞行控制系统安装平台，9-机臂接头安装接口，10-飞行控制系统,11-机臂接头，12-机臂，13-电机安装座，14-电机，15-旋转叶片，16-数据采集卡，17-计算机，19-挡板，20-旋转槽，21-X轴限位销钉，22-Y轴限位块，23-Z轴限位块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1，本实施例中的可变结构多旋翼无人机实验平台包括：底座(1)、X-Y旋转框(2)、光电编码器(3)、电磁阻尼器(4)、Z轴固定板(5)、竖直连接轴(6)、Z轴法兰(7)、飞行控制系统安装平台(8)、机臂接头安装接口(9)、飞行控制系统(10)、机臂接头(11)、机臂(12)、电机安装座(13)、电机(14)、旋转叶片(15)、数据采集卡(16)、计算机(17)；
参见图2，三自由度运动平台包括：底座(1)、X-Y旋转框(2)、Z轴固定板(5)、竖直连接轴(6)、Z轴法兰(7)；X-Y旋转框(2)与底座(1)两个挡板(19)通过轴连接，X-Y旋转框(2)两端轴可以在挡板(19)孔内绕X轴旋转；Z轴固定板(5)与X-Y旋转框(2)通过轴连接，Z轴固定板(5)两端轴可以在X-Y旋转框(5)孔内绕Y轴旋转；竖直连接轴(6)一端通过销固定在Z轴固定板(5)上，另一端通过轴承与Z轴法兰(7)连接，Z轴法兰(7)可以绕竖直连接轴(6)(Z轴)旋转；
参见图3、图4、图5，限位装置包括：X轴限位销钉(21)、Y轴限位块(22)、Z轴限位块(23)；X轴限位销钉(21)在限定角度内对X-Y旋转框(2)绕X轴旋转进行限位；Y轴限位块(22)在限定角度内对Z轴固定板(5)绕Y轴旋转进行限位；Z轴限位块(23)上的定位孔与Z轴法兰(7)上的某个孔通过制动螺钉固定连接，该螺钉可自由旋转，以决定是否需要使飞行控制系统安装平台(8)绕Z轴旋转，当其处于旋紧态时，飞行控制系统安装平台(8)不能绕Z轴旋转；
参见图6、图7，飞行控制系统安装平台转动装置包括：飞行控制系统安装平台(8)、飞行控制系统(10)、机臂接头(11)、Z轴法兰(7)、竖直连接轴(6)；竖直连接轴(6)与Z轴法兰(7)通过轴承连接；Z轴法兰(7)上安装有光电编码器(3)，光电编码器(3)用于采集Z轴法兰(7)与飞行控制系统安装平台(8)绕竖直连接轴(6)旋转角速度。飞行控制系统安装平台(8)与Z轴法兰(7)通过螺栓固定连接；飞行控制系统安装平台(8)平面上安装飞行控制系统(10)；飞行控制系统安装平台(8)上开有机臂接头安装接口(9)，接口开有120°旋转槽(20)；机臂接头(11)安装在机臂接头安装接口(9)上，并可在120°旋转槽(20)内旋转。
参见图8，机臂连接机构包括：机臂接头(11)、机臂(12)、电机安装座(13)；机臂(12)有粗细两段，可拉长和缩短；电机安装座(13)有上下两部分，上下两部分利用螺栓连接固定，电机安装座(13)和机臂(12)之间可以实现360°旋转。
参见图9，电机装置包括：电机安装座(13)、电机(14)、旋转叶片(15)；电机(14)固定安装在电机安装座(13)上，旋转叶片(15)安装在电机转动轴上。
整体连接关系为：X-Y旋转框(2)与底座(1)两个挡板(19)通过轴连接，Z轴固定板(5)与X-Y旋转框(2)通过轴连接；X-Y旋转框(2)轴和Z轴固定板(5)轴的两端也分别安装光电编码器(3)和电磁阻尼器(4)；底座(1)安装的挡板上安装有X轴限位销钉(21)，X-Y旋转框(2)下部安装有Y轴限位块(22)；竖直连接轴(6)一端通过销固定在Z轴固定板(5)上，另一端通过轴承与Z轴法兰(7)连接；竖直连接轴(6)上安装有Z轴限位块(23)，Z轴限位块(23)上的孔与Z轴法兰(7)上的某个孔通过螺钉固定连接；飞行控制系统安装平台(8)与Z轴法兰(7)通过螺栓固定连接；飞行控制系统安装平台(8)平面上安装飞行控制系统(10)；控安装平台(8)上开有机臂接头安装接口(9)，接口开有120°旋转槽(20)；机臂接头(11)安装在机臂接头安装接口(9)上；机臂(12)固定安装在机臂接头(11)内，机臂有粗细两段，电机安装座(13)安装在机臂(12)较细部分末端，电机安装座(13)和机臂(12)之间可以实现360°旋转，电机安装座(13)有上下两部分，上下两部分利用螺栓连接固定；电机(14)固定安装在电机安装座(13)上，旋转叶片(15)安装在电机(14)转动轴上。
参见附图10，多旋翼无人机的仿真方法，它基于如权利要求1的实验平台，其包括如下步骤：
A.按照设计的仿真的多旋翼无人机的布局和几何尺寸安装电机臂(12)并调节电机臂(12)长度，调节电机(14)安装角度与欲模拟多旋翼无人机一致，并连接好飞行控制系统以及电机的供电电源。
B.通过计算机地面控制站(17)向飞行控制系统(10)发送无线指令信号，飞行控制系统通过内部算法解算出输出信号传送给电机(14)使电机转动，并驱使飞行控制系统安装平面(8)以及连接在其上的机臂接头(11)、机臂(12)等附属部件组成的平面按期望的姿态动作。
C.所述的电磁阻尼器(4)可由数据采集卡(16)编程产生不同大小的阻尼分别作用于底座挡板(19)与X-Y旋转框(2)连接轴上以及X-Y旋转框与Z轴固定板(5)的连接轴上，以模拟多旋翼无人机不同飞行状态中俯仰以及横滚姿态的阻尼。
D.光电编码器(3)测出飞行控制安装平面分别绕X轴、Y轴、Z轴转动的角速度，并由数据采集卡(16)采集传送给计算机地面控制站。
E.通过计算机地面站(17)整合由数据采集卡(16)传输的无人机在各指令下各通道的姿态角速度数据，展示多旋翼无人机受不同扰动状况下的响应特性，进一步验证飞行控制算法的可行性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可变结构多旋翼无人机实验平台，包括底座(1)、X-Y旋转框(2)、光电编码器(3)、电磁阻尼器(4)、Z轴固定板(5)、竖直连接轴(6)，其特征在于：
所述底座(1)用于支撑X-Y旋转框(2)，其由一块底板和设在其两端的两块侧挡板一体构成，两块侧挡板结构对称，各设有一个轴承孔，轴承孔下方左右两侧均对称设有限位装置，以限制X-Y旋转框(2)的转动角度范围；
所述X-Y旋转框(2)用于安装Z轴固定板(5)；X-Y旋转框(2)其左右两边框中心部位各设有一个轴承孔，用于通过转轴与所述底座侧档板上轴承孔相连，X-Y旋转框(2)能架设在底座上，并在所述限位装置限制范围内转动，所述转轴的中心轴线设为X轴；所述转轴与侧挡板的结合部均安装有光电编码器(3)和电磁阻尼器(4)，光电编码器(3)用于采集竖直连接轴(6)绕X轴旋转角速度，电磁阻尼器(4)用于控制转动轴阻尼，能够调节大小；
所述Z轴固定板(5)用于安装竖直连接轴(6)；Z轴固定板(5)通过其两端转轴与所述X-Y旋转框(2)中部相连，实现可转动安装，两端转轴与所述X轴垂直，两端转轴中心轴线设为Y轴，两端转轴与X-Y旋转框(2)结合部位也分别安装光电编码器(3)和电磁阻尼器(4)，光电编码器(3)用于采集竖直连接轴(6)绕Y轴旋转角速度，电磁阻尼器(4)用于控制转动轴阻尼，能够调节大小；
所述X-Y旋转框(2)下部安装有Y轴限位块(22)，以限制Z轴固定板(5)的转动角度范围，同时使Z轴固定板(5)保持向上的姿态；
所述竖直连接轴(6)固定在Z轴固定板(5)中部，用于安装Z轴法兰(7)；竖直连接轴(6)能与Z轴固定板(5)同步绕X轴和Y轴转动；竖直连接轴(6)中心轴线为Z轴，其上端通过轴承与Z轴法兰(7)相连；飞行控制系统安装平台(8)安装在Z轴法兰(7)上，Z轴法兰(7)和飞行控制系统安装平台(8)能共同绕竖直连接轴(6)旋转；
所述飞行控制系统安装平台(8)周边开设有八个对称分布的机臂接头安装接口(9)，每个都有一个120°旋转槽(20)，机臂接头(11)通过机臂接头安装接口(9)与飞行控制系统安装平台(8)连接，并且机臂接头(11)可以在120°的旋转槽(20)内旋转；
机臂(12)由粗细两部分组成，其机臂总长能够通过细部在较粗部分内滑动来调节。
2.根据权利要求1所述的一种可变结构多旋翼无人机实验平台，其特征在于：所述竖直连接轴(6)上安装有Z轴限位块(23)，Z轴限位块(23)上的孔与Z轴法兰(7)上的定位孔通过制动螺钉固定连接，该螺钉可调节松紧，以决定是否需要飞行控制系统安装平台(8)绕Z轴旋转；当其处于旋紧态时，飞行控制系统安装平台(8)不能绕Z轴旋转；
所述Z轴法兰(7)圆心区域安装有光电编码器(3)，光电编码器(3)用于采集Z轴法兰(7)与飞行控制系统安装平台(8)绕竖直连接轴(6)旋转角速度。
3.根据权利要求2所述的一种可变结构多旋翼无人机实验平台，其特征在于：机臂(12)固定安装在机臂接头(11)内。
4.根据权利要求3所述的一种可变结构多旋翼无人机实验平台，其特征在于：机臂(12)末端设有电机安装座(13)，用于固定安装电机(14)；电机安装座(13)侧面开设的安装轴孔和机臂(12)外径相同，使机臂(12)末端能插入电机安装座；电机安装座可绕机臂(12)的中心轴转动，并能由安装于电机安装座(13)上的紧定螺钉锁定。
5.根据权利要求4所述的一种可变结构多旋翼无人机实验平台，其特征在于：电机(14)固定安装在电机安装座(13)上，旋转叶片(15)安装在电机(14)转动轴上。
6.一种如权利要求1所述的可变结构多旋翼无人机实验平台的使用方法，其特征在于,包括如下子步骤：
A.准备步骤：根据欲模拟测试的多旋翼无人机的型式、布局和几何尺寸，安装电机臂(12)并调节电机臂(12)长度，调节电机(14)安装角度，使其与欲模拟多旋翼无人机一致；将其飞行控制系统(10)固定在飞行控制系统安装平台(8)上，与计算机相连；将各电机与电子调速器相连；电子调速器与飞行控制系统(10)连接，光电编码器和电磁阻尼器与数据采集卡连接，数据采集卡输出接计算机；
B.模拟实验：向欲测试无人机的飞行控制系统(10)发送无线指令信号，飞行控制系统(10)输出信号至电子调速器，电子调速器驱动各电机臂上电机(14)使其转动，带动飞行控制系统安装平台(8)以及连接在其上的机臂接头(11)、机臂(12)等附属部件组成的平面按期望的姿态动作，从而直观地了解控制系统工作状况是否正常；向电磁阻尼器(4)发送指令，产生不同大小的阻尼分别作用于底座(1)与X-Y旋转框(2)连接轴上以及X-Y旋转框(2)与Z轴固定板(5)的连接轴上，以模拟多旋翼无人机不同飞行状态中俯仰以及横滚姿态的阻尼，验证飞行控制系统在不同的状态下对无人机的控制品质；
C.数据采集：安装在X轴、Y轴和Z轴上的光电编码器(3)测出飞行控制系统安装平台(8)平面分别绕X轴、Y轴、Z轴转动的角速度，并通过飞行控制系统(10)数据采集卡(16)传回计算机。
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