CN106525375A - 一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，包括风场模拟装置和抗风测试系统，其中，所述风场模拟装置为抗风测试系统提供方向、风速可变的风场环境；抗风测试系统，包括无人机测试机构和控制反馈系统，所述无人机测试机构包括固定无人机的支撑架、保持支撑架能够自由转动的柔性机构、承载柔性机构的移动平台以及承载移动平台的支撑座；控制反馈系统，包括控制系统、检测实时风速的风速反馈单元和无人机航姿参考单元，所述控制系统接收来自风速反馈单元和无人机航姿参考单元的数据，根据检测实时的检测风速和无人机的飞行状态，改变风场模拟装置提供的风速和风向，并确认无人机能够抵抗的最大风速。

Description

一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统

技术领域

本发明涉及一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统。

背景技术

无人机检验检测技术已经在电力、航测、植保等领域里迅猛发展，近期在无人机检测领域里一系列的标准也相继出台，尤其是对直升机的检测方法、检测装备均已经日趋规范化。

目前各领域所用无人机出厂前并没有经过专门机构的检测，只是在成品开发上完成相应的内部检查，使用单位往往会遇到很多质量问题，而且随着国家对无人机监管越来越重视，无人机适航管理将会越来越近，因此，提出一种系统的全面的检测方法与检测装置将为无人机发展做出贡献。

在各个技术参数中，抗风能力作为无人机性能的关键指标，受到了用户广泛关注，无人机抗风能力的好坏直接决定了其运用环境与场所，例如电力巡线业务中，超高压输电线路一般建设在高山峻岭之间或人烟较少之地，气象及地形条件复杂，多年平均风速达到4～6级风，山区气象条件复杂，因此，在此环境下要求飞行器必须具有较好的气象适应能力及控制能力，应具备6级风的抗风性才能有效保障必要的出勤率。故需要设计一种检测装置，用于检测无人机抗风能力，以确保无人机满足在各种环境正常工作的能力。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，本发明根据具体情况设置两种模拟风场装置，并在检测试验平台上进行创新，提出了一种用于抗风能力检测的无人机自适应平台，平台设置在风场中央，在各种模拟风速的条件下可进行无人机抗风能力检测，平台整体采用了滑轨与球铰等连接装置，平台装置使无人机拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转运动以及沿X、Y、Z轴三个方向的移动运动，风场与平台共同组成整个检测系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，包括风场模拟装置和抗风测试系统，其中，所述风场模拟装置为抗风测试系统提供方向、风速可变的风场环境；

所述抗风测试系统，包括无人机测试机构和控制反馈系统，所述无人机测试机构包括固定无人机的支撑架、保持支撑架能够自由转动的柔性机构、承载柔性机构的移动平台以及承载移动平台的支撑座；

所述控制反馈系统，包括控制系统、检测实时风速的风速反馈单元和无人机航姿参考单元，所述控制系统接收来自风速反馈单元和无人机航姿参考单元的数据，根据检测数据实时的检测风速和无人机的飞行状态，从而进一步改变风场模拟装置提供的风速和风向，并确认无人机能够抵抗的最大风速。

所述风场模拟装置设置在室内实验环境，在室内实验环境的对立方向分别设置出风口和入风口，所述出风口与入风口分别设置风口防风管，所述入风口出设置有若干台风机形成风面，所述室内实验环境内设置有风速传感器。

所述风场模拟装置设置在露天环境，在不同的方位分别设置有风机，且所述风机的方位和距离可调。

所述柔性机构，包括连接杆和设置在连接杆顶部的球铰连接机构，球铰连接机构的球体一端连接支撑架，另一端活动连接在球壳内，所述球体被配置能够在球壳内自由转动，同时在各方向上均有限位。

所述柔性机构的底端活动固定于移动平台上，所述移动平台上设置有滑槽，所述柔性机构的底端与滑槽相配合，能够卡合在滑槽内，同时沿着滑槽运动。

所述移动平台为十字型，且横向与纵向均设置有滑槽。

所述柔性机构的底端为与移动机构滑槽相适配的球体。

所述移动平台与支撑座之间设置有升降机构，能够调节移动平台的高度。

所述风速反馈单元应实时检测风速，并把数据反馈给控制系统，控制系统根据风速反馈单元反馈的数据实时调节各个风机的转速，从而实现对风速的控制。

所述无人机航姿参考单元应能感知无人机的姿态参数、角速度、加速度信息和航向角，并把数据反馈给控制系统，由控制系统来判断无人机的当前姿态是否处于正常飞行状态，如果无人机处于正常飞行状态，说明无人机可以抵抗现在的风速；如果无人机处于非正常飞行状态，说明无人机的抗风能力已经到达极限，此时的风速，为无人机正常飞行所能抵抗的最大风速。

所述支撑架上设置有凹槽，用于固定无人机。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过设置室内和露天两种实验环境，能够模拟水平风场、垂直风场、定常风、风切变等各种风速条件下的无人机抗风能力测试；

(2)本发明采用了滑轨与球铰等连接装置，平台装置使无人机拥有绕X、Y、Z轴三个方向的旋转运动以及沿X、Y、Z轴三个方向的移动运动，风场与平台共同组成整个检测系统；

(3)本发明设置有柔性机构，可使无人机在几乎无装置约束的条件下完全模拟空中飞行，操控手操作遥控器对无人机进行操控，达到既安全又可靠的目的，也为被检测单位避免了不必要的损失；

(4)本发明借助球铰的高度自由性来固定旋翼无人机。可一次得出所测无人机不同姿态下的完整数据，如俯仰、横滚，航向变化数据，将旋翼无人机固定在有球铰平台上，无人机悬停时，根据实时风速可测试悬停精度，测试其位移变化程度。

附图说明

图1为本发明第一种风场装置示意图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为本发明的移动平台结构示意图；

图4为本发明的柔性机构结构示意图；

其中1.第二种风场风机位置、2.支撑架、3.柔性机构、4.移动平台、5.升降平台、6.地面支撑座、7.球铰连接机构、8.移动连接装置。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出两种风场装置，可近似模拟以下几种类型的风：水平风场、垂直风场、定常风、风切变等。装置中的风机为检测平台提供风场，被检测无人机所在环境内应安装风速测试装置，并能够实时将数值反馈于系统。装置根据检测需要，均可调整风机转速，通过系统反馈以达到所期望的风速环境。

第一种风场装置设计方案的总体布局如图1所示。可根据环境要求，做成室内空间，采用简易房作为试验区装置，入风口处安装由风机(四个风机)组成的风面，风面朝出风口位置吹风，在此室内相当于风洞中管道，管道内产生一股强劲气流，气流经过一些风格栅，减少涡流产生后才进入封闭试验室，为防止外界风干扰，出风口与入风口设置风口防风管。在房顶吊装风速传感器，操作人员位于主控台进行风速和风向的控制，以进行无人机抗风性能试验。选择若干风机组成风面，然后风面由可转动两轴式电机驱动，装置根据风向的要求，风机可以进行垂直与水平方向转动、垂直方向移动，达到各自由度变化要求。

如图2所示的一种用于无人机抗风能力检测的自适应平台，包括风场位置1(第二种风场装置)、支撑架2、柔性机构3、移动平台4、升降平台5、地面支撑座6、球铰连接机构7、移动连接装置8。本发明可用于无人直升机检验检测，配合风速反馈单元和无人机航姿参考单元的数据，把接收的数据进行处理，然后根据得到的数据执行其他命令，可实现高精度高可靠性的检验检测。

第二种风场装置1，在四个方位角各放置高度可调的风机，由于风向基本保持一致，风力不会抵消，风机位置可根据检测内容形式进行改变。采用这种方式进行风场模拟，依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。

所采用的四个风机可按程序设定进行方位移动与转动，当风机需要垂直方向转换吹风、水平方向转动吹风时，当风机需要高度需要变化时，可通过升降装置纵向改变(升降装置可采用链条、丝杠、齿轮齿条、液压点机等装置进行实现)，其原理即采用三个自由度的位置变化，涉及风机所有运动方式，均通过轴进行转动并设定为电机控制转动，四个风机位置的变化由一个控制系统组成。

由于所检测无人机需要实际飞行试验，但考虑到其抗风能力不可盲目估算，故设计一种柔性机构，可使无人机在几乎无装置约束的条件下完全模拟空中飞行，操控手使用遥控器对无人机进行操控，达到既安全又可靠的目的，也为被检测单位避免了不必要的损失。

无人机测试均针对其动态性能进行的，针对固定翼来说，因为气流和模型的相对运动时刻存在，风力变化也可模拟无人机飞行状况，但固定翼基本上是固定在支撑架上，固定翼本身不会有姿态变化，但是针对旋翼类无人机的特殊性，必须考虑柔性机构进行固定，使其近似自由无约束状态，本方案借助球铰的高度自由性来固定旋翼无人机。系统可一次得出所测无人机不同姿态下的完整数据，如俯仰、横滚，航向变化数据，将旋翼无人机固定在有球铰平台上，无人机悬停时，根据实时风速可测试悬停精度，测试其位移变化程度。

装置地面支撑座6底部采用万向轮，并设置固定装置可将底座固定于地面，当需要移动时也可接触固定移动。设置升降平台装置5，当平台需要垂直方向移动时，可沿纵向调节装置高度(此高度根据风场高度变化而调节)。

移动平台4设置在升降平台5上方，它可实现承重无人机端的移动，移动方向为前后左右，具体如图3所示，十字型结构内有移动滑轨方便可移动连接装置的移动。

柔性机构3为整个检测平台的核心，该部分最上端支撑架2直接与无人机安装，支撑架2下方连接装置采用特殊加工的球铰连接机构7，球铰连接机构7能够灵活转动，但在各方向均有限位，保证平台的最大偏移角度，从而保证无人机的自由运动与安全性。与球铰连接机构7连接的部位为一连杆，连杆最下方与移动平台4连接，移动连接装置8采用球移动，保证整个承重无人机端能够沿滑轨移动。

装置的机械部分能够正常运转后，通过智能控制系统、风速反馈单元以及无人机航姿参考单元三部分来对无人机运动进行测量控制，从而更加准确的检测出无人机抗风能力等级；智能控制系统应能接收来自风速反馈单元和无人机航姿参考单元的数据，把接收的数据进行处理，然后根据得到的数据执行其他命令。风速反馈单元应能实时的检测风速，并把数据反馈给控制系统，控制系统根据风速反馈单元反馈的数据实时调节风机的转速，从而实现对风速的控制。无人机航姿参考单元应能感知无人机的实时姿态，并把数据反馈给控制系统，由控制系统来判断无人机的当前姿态是否处于正常飞行状态，如果无人机处于正常飞行状态，说明无人机可以抵抗现在的风速；如果无人机处于非正常飞行状态，说明无人机的抗风能力已经到达极限，此时的风速，应为无人机正常飞行所能抵抗的最大风速。航姿参考单元是可以测量运动载体的姿态参数(横滚和俯仰)、角速度、加速度信息和航向角。姿态和角速度偏差通过适当增益的6态卡尔曼滤波得到最优估计，适用于导航、定位的动态测量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：包括风场模拟装置和抗风测试系统，其中，所述风场模拟装置为抗风测试系统提供方向、风速可变的风场环境；

所述抗风测试系统，包括无人机测试机构和控制反馈系统，所述无人机测试机构包括固定无人机的支撑架、保持支撑架能够自由转动的柔性机构、承载柔性机构的移动平台以及承载移动平台的支撑座；

所述控制反馈系统，包括控制系统、检测实时风速的风速反馈单元和无人机航姿参考单元，所述控制系统接收来自风速反馈单元和无人机航姿参考单元的数据，根据检测实时的检测风速和无人机的飞行状态，改变风场模拟装置提供的风速和风向，并确认无人机能够抵抗的最大风速。

2.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述风场模拟装置设置在室内实验环境，在室内实验环境的对立方向分别设置出风口和入风口，所述出风口与入风口分别设置风口防风管，所述入风口出设置有若干台风机形成风面，所述室内实验环境内设置有风速传感器。

3.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述风场模拟装置设置在露天环境，在不同的方位分别设置有风机，且所述风机的方位和距离可调。

4.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述柔性机构，包括连接杆和设置在连接杆顶部的球铰连接机构，球铰连接机构的球体一端连接支撑架，另一端活动连接在球壳内，所述球体被配置能够在球壳内自由转动，同时在各方向上均有限位。

5.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述柔性机构的底端活动固定于移动平台上，所述移动平台上设置有滑槽，所述柔性机构的底端与滑槽相配合，能够卡合在滑槽内，同时沿着滑槽运动。

6.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述移动平台为十字型，且横向与纵向均设置有滑槽。

7.如权利要求5或6所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述柔性机构的底端为与移动机构滑槽相适配的球体。

8.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述移动平台与支撑座之间设置有升降机构，能够调节移动平台的高度。

9.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述无人机航姿参考单元应能感知无人机的姿态参数、角速度、加速度信息和航向角，并把数据反馈给控制系统，由控制系统来判断无人机的当前姿态是否处于正常飞行状态，如果无人机处于正常飞行状态，说明无人机可以抵抗现在的风速；如果无人机处于非正常飞行状态，说明无人机的抗风能力已经到达极限，此时的风速，为无人机正常飞行所能抵抗的最大风速。

10.如权利要求1所述的一种用于无人机抗风能力检测的自适应系统，其特征是：所述支撑架上设置有凹槽。