CN106628247A - 一种无线三自由度直升机实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，其包括：固高GHP三自由度直升机本体、能量供应单元、传感模块、无线通信模块、计算机、系统软件以及执行机构；所述固高GHP三自由度直升机本体用于模拟直升机飞行姿态，经传感模块采集飞行姿态数据，通过无线通信模块发送至计算机进行分析处理，计算机根据所接收的飞行姿态数据得出控制决策，再经无线通信模块发送给执行机构调整飞行姿态，以实现直升机飞行姿态和速度的实时控制。本发明将无线传感器技术应用于三自由度实验平台，降低了实验设备成本，增强了设备灵活性，又可以保证数据传输的可靠性。本发明还可以应用于一系列无线网络数据传输研究领域。

Description

一种无线三自由度直升机实验平台

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络实验平台，具体说是一种无线三自由度直升机实验平台。

背景技术

随着无线技术的发展使得信息的传输不再受距离和物体运动的限制，信息技术贯穿于各个领域，给生产、生活带来了前所未有的便捷。近年来，传感器技术、无线通信技术与嵌入式计算技术的不断进步，推动了无线传感器网络的快速发展，引起了人们的极大关注。无线传感器网络主要面向“物与物”、“人与物”之间的信息交互，将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，极大地扩展了网络的功能和人类认识世界能力。无线传感器网络使用大量具有多功能、多信息信号获取能力的传感器，采用无线方式接入自组织的网络，进行信息的感知与采集。因此，无线传感器网络的应用前景非常广阔，其能够广泛地应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、交通管理、空间探索、建筑物状态监控以及工业园区安全监测等领域。将无线传感器技术应用于三自由度实验平台将降低实验设备的成本，增强设备的灵活性，又可以保证数据传输的可靠性。

传感器节点是无线传感器网络的重要组成部分，通常由6大功能模块组成，即电源模块、传感模块、计算模块、存储模块、通信模块、和嵌入式软件系统。电源模块为其他几个模块的运行提供能量。传感器模块负责监测区域内信息的采集与转换，计算模块是传感器节点的核心，负责处理数据和系统管理如设备控制、任务调度和数据融合等，并能存放程序和数据到存储模块。无线通信模块负责与其他节点通信，交换控制信息和收发采集数据。无线传感器网络的重要设计目标就是将大量可长时间感知、处理和执行任务的传感器节点嵌入到物理世界中。

三自由度直升机系统(简称直升机系统)作为自动控制和航空航天实验系统，可以满足工科院校的自控原理、现代控制理论、控制系统和计算机控制系统课程设计的需求。三自由度直升机实验系统是研究直升机飞行控制技术的平台，可以应用于飞行器控制系统的半实物仿真试验和性能测试等场合，用以模拟横列式直升机，即倾转旋翼机的直升机状态。其控制系统属于典型的多输入-多输出系统，具有非线性和强交叉耦合性，是控制系统中较为复杂的被控对象。实验室常规配备的三自由度直升机平台采用计算机+运动控制卡的控制方案，采用有线线路，线缆多且复杂，在空间有限的实验条件下无法确保实验人员的人身安全，同时连接关系复杂的电缆在设备维修保养方面也存在很多不便之处。

发明内容

鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种操作便捷、稳定性强、实时性好的无线三自由度直升机实验平台。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，其包括：

固高GHP三自由度直升机本体、能量供应单元、传感模块、无线通信模块、计算机、系统软件以及执行机构；

所述固高GHP三自由度直升机本体用于模拟直升机飞行姿态，经传感模块采集当前的飞行姿态数据后，通过无线通信模块发送至计算机进行分析处理，计算机根据所获得的飞行姿态数据得出控制决策，再经无线通信模块发送给执行机构调整飞行姿态，以实现对飞行姿态和速度的实时控制。

进一步地，所述固高GHP三自由度直升机本体包括基座、机架臂、平衡配重块以及两个并列设置的螺旋桨；

各所述螺旋桨均由连杆固定连接，且连杆中间位置与机架臂一端固定连接；所述机架臂另一端设有平衡配重块；所述机架臂以基座为支点在水平面内做旋转动作，在竖直面内做俯仰动作；基座通过一竖直支撑杆与机架臂配合连接；所述竖直支撑杆下连有集电环。

进一步地，所述无线通信模块包括五个TelosB传感器节点，分别为第一节点、第二节点、第三节点、第四节点和第五节点，其中第一、第二、第三节点分别对应传输传感模块所采集的飞行姿态数据；第四节点为汇聚节点，接收第一、第二、第三节点传输的数据并将之传输给计算机；所述计算机将控制决策经汇聚节点传输给连接于执行机构的第五节点，实现对执行模块的实时控制。

进一步地，所述传感模块包括安装在机架臂旋转轴上的旋转速度位置编码器、安装在机架臂俯仰轴上的俯仰角位置编码器以及安装在螺旋桨横侧轴上的螺旋桨翻转角位置编码器；

所述旋转速度位置编码器经一计数器连接至第一节点，并由第一节点传输其采集的飞行姿态数据；

所述俯仰角位置编码器经一计数器连接至第二节点并由第二节点传输其采集的飞行姿态数据；

所述螺旋桨翻转角位置编码器经一计数器连接至第三节点并由第三节点传输其采集的飞行姿态数据。

进一步地，所述执行机构包括伺服驱动机构和两个螺旋桨电机。

进一步地，作为本发明的优选，所述系统软件采用TinyOS操作系统，并利用LabView软件制定控制决策。

进一步地，所述第一节点、第二节点、第三节点、第四节点和第五节点中，至少两个节点之间可以形成自组织网络。

进一步地，作为本发明的优选，所述无线通信模块采用CC2420芯片，并采用IEEE802.15.4/ZigBee通信协议。

进一步地，作为本发明的优选，所述计数器优选采用LS7366R芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的优点在于改善三自由度直升机实验平台的可操作性和机动性，减少使用数据传输电缆，实现了低功耗、高精度的实时网络控制系统；

2、本发明提供了一种可以远距离控制的控制实验平台，避免近距离实验操作时直升机旋转带来的危险，并对无线数据传输机制及安全性能进行研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的硬件连接示意图；

图2为本发明传感器节点的体系结构示意图；

图3为本发明三自由度直升机本体结构示意图；

附图标号说明：

1、螺旋桨电机，2、螺旋桨电机，3、集电环，4、旋转速度位置编码器，5、平衡配重块，6、俯仰角位置编码器，7、螺旋桨翻转角位置编码器，8、机架臂，9、基座，10、螺旋桨。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明设计了一种无线三自由度直升机实验平台，下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：

具体实施例：一种无线三自由度直升机实验平台，其包括：固高GHP三自由度直升机本体、能量供应单元、传感模块、无线通信模块、计算机、系统软件以及执行机构；所述固高GHP三自由度直升机本体用于模拟直升机飞行姿态，经传感模块采集当前的飞行姿态数据后，通过无线通信模块发送至计算机进行分析处理，计算机根据所获得的飞行姿态数据得出控制决策，再经无线通信模块发送给执行机构调整飞行姿态，以实现对飞行姿态和速度的实时控制，且能量供应模块采用电控箱。

图3为无线三自由度直升机实验平台的固高GHP三自由度直升机本体，其包括基座9、平衡配重块5、机架臂8以及并列设置的两个螺旋桨10；所述螺旋桨均由连杆固定连接，且连杆中间位置与机架臂8一端固定连接；所述机架臂8另一端设有平衡配重块5，且机架臂8以基座9为支点在水平面内做旋转动作，在竖直面内做俯仰动作；基座9通过一竖直支撑杆与机架臂8配合连接；所述竖直支撑杆下连有集电环3。两个螺旋桨分别与螺旋桨电机1和螺旋桨电机2相连，螺旋桨电机1和螺旋桨电机2在转动时会形成向上的举力，使机架臂8绕支点在竖直平面方向做俯仰运动；当螺旋桨电机1和螺旋桨电机2转动不同步、存在转速差时机架臂8绕支点在水平平面方向做旋转运动。安装在直升机巡航轴上的旋转速度位置编码器4用来测量机架臂8的旋转速度，安装在直升机高度轴上的俯仰角位置编码器6用来测量机架臂8的俯仰角，安装在螺旋桨横侧轴的螺旋桨翻转角位置编码器7用来测量螺旋桨10的翻转角。

无线通信模块包括五个TelosB传感器节点，分别为第一节点、第二节点、第三节点、第四节点和第五节点，其中第一节点、第二节点、第三节点分别采集机架臂旋转速度、机架臂俯仰角以及螺旋桨的翻转角数据，第四节点作为汇聚节点接收第一节点、第二节点、第三节点传输的数据，并通过RS232通信接口接入计算机，将接收到的飞行姿态数据传输给计算机，计算机分析得出的控制决策再通过汇聚节点传输给连接执行机构中伺服驱动机构的第五节点，继而通过A/D转换器转换为模拟脉冲信号，控制螺旋桨电动机动作。至少两个传感器节点之间形成自组织网络。所述各节点均包括：能量供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件系统，传感器节点的体系结构如图2所示

传感模块包括安装在机架臂旋转轴上的旋转速度位置编码器4、安装在机架臂俯仰轴上的俯仰角位置编码器6、安装在螺旋桨横侧轴上的螺旋桨翻转角位置编码器7，且旋转速度位置编码器4经一LS7366R计数器连接至第一节点、俯仰角位置编码器6经一LS7366R计数器连接至第二节点、螺旋桨翻转角位置编码器7经一LS7366R计数器连接至第三节点，且任一LS7366R计数器，均通过标准四线(SS/、SCK、MISO、MOSI)的SPI外设串口与相应节点相连，计数器的作用是作为传感模块和无线通信模块之间的连接媒介，将采集到的数据传送给节点上的处理器模块，经处理器转换后通过无线通信模块将数据发送给第四节点，也就是汇聚节点，再由汇聚节点反馈到计算机，计算机根据接收的数据由用户编写的控制算法得出控制决策，再通过无线传感器节点发给执行机构进行飞机姿态和速度的控制。图1所示为本发明硬件连接示意图。

所述数据传感功能的实现过程如下：首先由旋转速度位置编码器4、俯仰角位置编码器6、螺旋桨翻转角位置编码器7测量出三自由度直升机的飞行姿态数据，采用带有串行外设接口(SPI)的LS7366R作为外部计数器，采集并储存各位置编码器中数据，同时充当各节点和对应位置编码器之间的媒介，将数据通过串行接口传送给无线通信模块。第一节点、第二节点、第三节点分别采集机架臂旋转速度、机架臂俯仰角以及螺旋桨的翻转角数据，第四节点作为汇聚节点接收第一节点、第二节点、第三节点传输的飞行姿态数据，并将这些数据发送给计算机，计算机根据接收的数据制定控制决策，并将控制决策经汇聚节点传输给与执行器连接的第五节点以实现对直升机本体的控制。本发明采用MSP430作为传感器节点处理器模块，其包括模拟电路模块、数字电路模块和微处理器，同时具有片内串行通信接口、足够的I/O引脚、高精度的A/D转换器、实时时钟、看门狗等设计以实现片上的数据处理及传输。无线通信模块采用CC2420芯片，2.4GHz无线电，250Kbp/s数据传输。该芯片使用IEEE 802.15.4/ZigBee通信协议，实现了方便组网、低成本、低功耗、近距离传输的无线传感器网络。ZigBee协议与其他无线通信技术如蓝牙、WIFI等相比具有更高的可靠性、时延短、网络容量大、安全保密、复杂度低等优点，更适合用于无线传感器网络，故本发明选择ZigBee作为物理层和媒体接入控制的传输协议。

计算机采用TinyOS操作系统，实现节点点对点、点与PC间的通信。TinyOS操作系统是一个开源的嵌入式操作系统，采用了事件驱动的运行模型，可以处理并发性的事件，并能够达到节能的目的，该系统采用轻量级线程、两层调度、主动消息通信等技术及组件化编程，其采用Nesc语言，有效的提高了传感器节点CPU的使用率，有助于省电操作并简化了应用的开发。在Windows下运行TinyOS需基于Cygwin这个软件平台，通过Cygwin界面进行节点与上位机间的通信。在Cygwin界面编写无线数据传输的的应用程序，然后将其编译到节点中。另外在LabView软件程序中，建立三自由度直升机的控制系统模型，由实时采集到的数据对直升机姿态进行控制，输出控制量。

计算机中的LabView通过函数模板中的Instrument I/O子模板中的Serial子模板内进行串口通信操作功能模块来读取数据，使用MathScript设计LQR控制系统，控制系统做出控制决策后，将控制量输出发送给第四节点，第四节点通过无线通信模块将数据传送给连接于执行机构中伺服驱动机构的第五节点，同时由单片机MSP430上的A/D转换器将数字信号转化为电压模拟信号作用在电路中，从而带动螺旋桨电机旋转。

本发明提供了一种无线三自由度直升机实验平台，其并不局限于直升机的控制实验，实现直升机的无线连接和实时控制，还可以基于此装置进行无线网络控制的验证、信息物理融合系统的相关研究以及无线网络数据传输中出现数据包丢失，乱码等情况下控制策略和安全问题的研究等。本发明也是物联网的一种简单实现和应用，因此本发明公开的无线系统并不局限于直升机实验，还可用于多种科学研究，对科研或教学实验都有非常重要的意义和作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，其包括：

固高GHP三自由度直升机本体、能量供应单元、传感模块、无线通信模块、计算机、系统软件以及执行机构；

所述固高GHP三自由度直升机本体用于模拟直升机飞行姿态，经传感模块采集当前的飞行姿态数据后，通过无线通信模块发送至计算机进行分析处理，计算机根据所获得的飞行姿态数据得出控制决策，再经无线通信模块发送给执行机构调整飞行姿态，以实现对飞行姿态和速度的实时控制。

2.根据权利要求1所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，所述固高GHP三自由度直升机本体包括基座、机架臂、平衡配重块以及两个并列设置的螺旋桨；

各所述螺旋桨均由连杆固定连接，且连杆中间位置与机架臂一端固定连接；所述机架臂另一端设有平衡配重块；所述机架臂以基座为支点在水平面内做旋转动作，在竖直面内做俯仰动作；基座通过一竖直支撑杆与机架臂配合连接；所述竖直支撑杆下连有集电环。

3.根据权利要求1所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于：无线通信模块包括五个TelosB传感器节点，分别为第一节点、第二节点、第三节点、第四节点和第五节点，其中第一、第二、第三节点分别对应传输传感模块所采集的飞行姿态数据；第四节点为汇聚节点，接收第一、第二、第三节点传输的数据并将之传输给计算机；计算机根据接收的飞行姿态数据得出控制决策并将控制决策经汇聚节点传输给连接于执行机构的第五节点，实现对执行模块的实时控制。

4.根据权利要求1所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，所述传感模块包括安装在机架臂旋转轴上的旋转速度位置编码器、安装在机架臂俯仰轴上的俯仰角位置编码器以及安装在螺旋桨横侧轴上的螺旋桨翻转角位置编码器；

所述旋转速度位置编码器经一计数器连接至第一节点，并由第一节点传输其采集的飞行姿态数据；

所述俯仰角位置编码器经一计数器连接至第二节点并由第二节点传输其采集的飞行姿态数据；

所述螺旋桨翻转角位置编码器经一计数器连接至第三节点并由第三节点传输其采集的飞行姿态数据。

5.根据权利要求1所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，所述执行机构包括伺服驱动机构和两个螺旋桨电机。

6.根据权利要求1所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，所述系统软件优选采用TinyOS操作系统，并利用LabView软件制定控制决策。

7.根据权利要求3所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，所述第一节点、第二节点、第三节点、第四节点和第五节点中，至少两个节点之间可以形成自组织网络。

8.根据权利要求3所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，所述无线通信模块优选采用CC2420芯片，并采用IEEE802.15.4/ZigBee通信协议。

9.根据权利要求4所述的无线三自由度直升机实验平台，其特征在于，所述计数器优选采用LS7366R芯片。