CN107272749A - 用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法，属于旋翼飞行器试验技术领域。本发明的试验平台包括三自由度转台、移动底座和升降伸缩装置；三自由度转台用于支撑固定旋翼飞行器，还用于实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试；移动底座用于实现旋翼飞行器在二维平面上的平面运动；升降伸缩装置用于实现旋翼飞行器在竖直方向的运动。本发明还公开一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验方法。本发明提供结构简单，安全可靠的旋翼飞行器测试平台，实现六自由度运动仿真，保证飞行测试与控制算法验证时的真实性和安全性，具有结构简单，使用方便，成本较低，复现性好，易于推广，适用范围广泛的优点。

Description

用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法

技术领域

本发明涉及用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法，尤其涉及能够实现旋翼飞行器六自由度的飞行测试与算法验证的试验平台及方法，属于旋翼飞行器试验技术领域。

背景技术

目前，旋翼飞行器由于其结构简单、成本低廉、使用方便等特点，已广泛用于教学实验、航拍、农业植保等领域。但对初学者或者研究人员来说，学习旋翼飞行器的操作控制和测试新的控制算法时仍面临着飞行器异常损坏的风险。

一方面，通过长期观察和自身科研经历总结发现，由于航模操作、旋翼飞行器入门需要很长时间，特别是对于没有飞行器理论基础的研究人员来说，不仅仅缺乏飞行器相关基础知识，而且需要花费很大精力才能将控制理论算法转化为嵌入式程序，导致在短时间之内将研究的控制算法应用到实际飞行器中飞行有着巨大的困难，所以大多数研究成果停留在Matlab/Simulink纯数字软件仿真阶段，只能高度抽象化无人机的飞行模型，做出多种假设，不利于真正了解飞行器的控制环节、执行机构、硬件构成以及软件架构等，从而导致无法充分体现控制算法的实际应用效果。

另一方面，如果通过直接实际飞行的方法进行飞行测试与控制算法验证或参数调试，首先必须投入较高成本寻找合适的飞行场地，而现场环境通常情况下又较为复杂艰苦，不能保证每次都能进行正常试验。其次，不成熟的控制算法，不可预测性高，实际飞行过程高度依赖于操控手的经验，容易导致摔机炸机等问题发生，导致试验成本过高，突发情况较多，调试时间过长，不利于取得进展。因此，一套结构简单，安全可靠的旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法就显得格外有价值，不仅可以节省时间和成本，而且能够保证操作试验人员的人身安全，还能够较为真实的模拟出飞行环境，进而成功验证更先进的算法。

再者，国内外旋翼飞行器验证平台普遍存在结构复杂，成本较高，仿真效果不真实等问题。加拿大Quanser公司的Qball-X4飞控仿真平台，是该公司所研制开发的一套全封闭能够真实模拟四旋翼飞行的实时仿真控制平台，Qball-X4基于四旋翼直升机设计，四旋翼安装有4个10英寸螺旋桨，整个四旋翼附在一个保护性的碳化纤维笼子里面，虽然这种测试平台保证了飞行中的安全性，使得这种无人机可以在实验室内应用，能最大程度降低潜在的破坏性，然而这种飞行器对于空间要求高，且需要搭建多个视觉传感器，结构复杂，不利于使用和维护。相比于国外而言，国内的旋翼飞行器验证平台多处在研制阶段，成本也比较高，以万向轴座为基础的三自由度的实验平台是较为常见的能够实现飞行器姿态测试与控制算法验证的平台，然而由于缺少X、Y、Z三轴平移运动的三个自由度，此类平台只能体现旋翼飞行器的姿态控制而无法模拟四旋翼飞行器的真实飞行情况。

与本发明最相近似的实现方案如下：

《四旋翼无人飞行器飞行控制系统半物理仿真试验系统》的专利中提出了一种四旋翼半物理仿真系统，该系统只采取了三轴的三自由度转台，只能提供四旋翼飞行的旋转运动的三个自由度，不能提供平移运动的自由度，即四旋翼飞行器不能在空间内任意移动。

《一种四旋翼无人飞行器半实物仿真实验系统及实验方法》的专利提出了一种四旋翼半实物仿真系统，该系统把四旋翼设置在三自由度转台上，只能提供旋转运动的三个自由度，对于平移运动采用的是虚拟位移子系统来进行推算，四旋翼飞行器不能在空间内任意移动。

由此可见，现有技术中旋翼无人飞行器试验平台主要存在下述缺点：

1、大部分旋翼飞行器仿真试验限制在三自由度的转台上，旋翼飞行器不能在空间自由移动，无法实现六自由度的真实模拟；

2、没有考虑电池的放置方式以避免电源线缠绕问题等；

3、仿真试验平台结构复杂，成本高，可推广性差。

发明内容

针对现有技术中旋翼无人飞行器试验平台存在的上述缺点，本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法要解决的技术问题是：提供结构简单，安全可靠的旋翼飞行器测试平台，实现旋翼飞行器六自由度运动仿真，保证旋翼飞行器飞行测试与控制算法验证时的真实性和安全性，具有结构简单，使用方便，成本较低，复现性好，易于推广，适用范围广泛的优点。所述的保证旋翼飞行器飞行测试与控制算法验证时的真实性指旋翼飞行器能够在三维空间中实现六自由度的旋转和平移运动，即实现无人机姿态和位置信息实时测试与验证。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，包括三自由度转台、移动底座和升降伸缩装置。

所述的三自由度转台用于支撑固定旋翼飞行器，还用于实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试。所述的三自由度旋转测试指旋翼飞行器绕着横轴、纵轴、竖轴旋转测试。

所述的移动底座用于实现旋翼飞行器在二维平面上的平面运动，即实现移动底座在旋翼飞行器带动下的前后、左右的平移。

所述的升降伸缩装置用于实现旋翼飞行器在竖直方向的运动，即实现升降伸缩装置在旋翼飞行器带动下实现上下伸缩移动。

所述的三自由度转台优选万向轴。

所述的移动底座、升降伸缩装置分别装有限位装置，所述的限位装置用于避免误操作致使旋翼飞行器撞击试验空间的墙壁面。所述的移动底座限位装置实现优选预设移动底座在二维平面上的移动距离阈值小于试验空间在二维平面上的移动距离，当移动底座在二维平面上的移动距离超出预设距离阈值，限位装置工作限制移动底座无法在二维平面上向远处移动。所述升降伸缩装置的限位装置实现优选升降伸缩装置高度低于试验空间高度。

所述的移动底座优选滑轨或滑轮，进一步地，所述的滑轮选用办公椅的座椅轮子。

所述的移动底座还用于安装给旋翼飞行器供电的电池，为避免旋翼飞行器在旋转时电源线会缠绕升降伸缩装置，将电源线从升降伸缩装置内部穿过，并连接安置在移动底座的电池上。

所述的升降伸缩装置优选升降伸缩杆或导轨。进一步地，所述升降伸缩装置具体实施方式优选升降伸缩杆，包括内套管和外套管，内套管的空心部分用于电源线穿过，内套管上部与三自由度转台固定连接，外套管与移动底座固定连接。旋翼飞行器带动三自由度转台和内套管移动，实现内套管与外套管的上下伸缩移动。

本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：按照所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台搭建试验平台，并将旋翼飞行器固定在三自由度转台上。

所述的旋翼飞行器包括机架、机身、电调、电机、螺旋桨、接收机、自动驾驶仪、数传电台。

步骤二：根据测试需求或所需验证的控制算法控制旋翼飞行器实现六自由度运动，实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证。

根据测试需求或所需验证的控制算法，设定地面站的指令及参数，旋翼飞行器上的自动驾驶仪根据地面站的指令及设定的参数，决定各个电机的旋转速度，控制旋翼飞行器按预设指令飞行。

当实现旋翼飞行器三自由度旋转测试时，旋翼飞行器带动三自由度转台的旋转，实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试。

当实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试时，旋翼飞行器带动升降伸缩装置的竖直运动，即实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试。

当实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度运动时，旋翼飞行器带动移动底座前后、左右平移，即实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度测试。

通过上述三自由度旋转测试、竖直方向自由度测试、二维平面上的二自由度测试组合，实现旋翼飞行器的多自由度测试或六自由度测试，即实现实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证。

有益效果：

1、现有旋翼飞行器仿真试验平台，由于缺少X、Y、Z三轴平移运动的三个自由度，此类平台只能体现旋翼飞行器的姿态控制而无法模拟旋翼飞行器的真实飞行情况。本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法，包括三自由度转台、移动底座和升降伸缩装置，能够保证旋翼飞行器的六自由度运动，提高仿真模拟的真实性和有效性，能够用来进行飞行控制、即时定位和地图构建等算法测试。

2、现有旋翼飞行器仿真试验平台在解决电源线缠绕问题时，采用的是滑片和触点的方式，但是触点对于大电流工作可靠性不高，且容易老化，不利于维护。本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法，为解决电源线缠绕问题，将电源线穿过可升降伸缩装置连接放置底座的电池，电池可以随移动底座旋转，避免旋翼飞行器在测试平台上飞行过程中的电源线缠绕问题。

3、现有旋翼飞行器仿真试验平台，如果通过直接实际飞行的方法进行控制算法验证或参数调试，首先必须投入较高成本寻找合适的飞行场地，而现场环境通常情况下又较为复杂艰苦，不能保证每次都能进行正常试验；其次，不成熟的控制算法，不可预测性高，实际飞行过程，高度依赖于操控手的经验，容易导致摔机炸机等问题发生，导致试验成本过高，突发情况较多，调试时间过长，不利于取得进展。本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法，能够在预设固定空间内安全可靠实现旋翼飞行器飞行测试与算法验证，不仅可以节省时间和成本，而且能够保证操作试验人员的人身安全。

4、本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法，在移动底座、升降伸缩装置上分别装有限位装置，所述的限位装置用于避免误操作致使旋翼飞行器撞击试验空间的墙壁面，进一步确保试验人员安全和避免旋翼飞行器损坏。

5、旋翼飞行器仿真试验平台大部分结构复杂，制作材料难以获取，成本高，可复现性不好，不易于推广。本发明公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法，制作工艺简单，制作材料大部分是生活中常见或者非常容易买到的，只需要经过简单组装就可以复现该仿真平台，能够降低平台的成本，复现性好，易于推广。

附图说明

图1是用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法的功能结构图。

图2是用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法的硬件结构图。

其中：1—三自由度转台、2—移动底座、3—升降伸缩装置、3.1—内套管、3.2—外套管、4—旋翼飞行器组件、5—电池。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。本发明所采用制作材料都是成本较低，易于得到的材料。本发明用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台及方法已经进行了功能测试，能够在保证飞行安全的情况下对飞行器进行测试和算法验证。

实施例1：

如图2所示，本实施例公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，包括三自由度转台1、移动底座2、升降伸缩装置3、旋翼飞行器组件4。

所述的三自由度转台1为万向轴，用于支撑固定旋翼飞行器，还用于实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试。所述的三自由度旋转测试指旋翼飞行器绕着横轴、纵轴、竖轴旋转测试。

所述的移动底座2为滑轮底座，所述的滑轮底座选用办公椅的座椅轮子。用于实现旋翼飞行器在二维平面上的平面运动，即实现移动底座2在旋翼飞行器带动下的前后、左右的平移。

所述的移动底座2还用于安装给旋翼飞行器供电的电池5，为避免旋翼飞行器在旋转时电源线会缠绕升降伸缩装置3，将电源线从升降伸缩装置3内部穿过，并连接安置在移动底座2的电池上。

所述的升降伸缩装置3为升降伸缩杆，进一步地，所述升降伸缩杆包括内套管和外套管，内套管的空心部分用于电源线穿过，内套管3.1上部与万向轴1固定连接，外套管3.1与移动底座2固定连接。旋翼飞行器带动万向轴1和内套管3.1移动，实现内套管3.1与外套管3.2的上下伸缩移动。

所述的移动底座2、升降伸缩装置3分别装有限位装置，所述的限位装置用于避免误操作致使旋翼飞行器撞击试验空间的墙壁面。所述的移动底座2限位装置实现为预设移动底座2在二维平面上的移动距离阈值小于试验空间在二维平面上的移动距离，当移动底座2在二维平面上的移动距离超出预设距离阈值，限位装置工作限制移动底座2无法在二维平面上向远处移动。所述升降伸缩装置3高度低于试验空间高度。

所述的旋翼飞行器组件4是四旋翼飞行器，其中采用的机架为F450机架，电调为好盈20A电调，自动驾驶仪采用Pixhawk开源驾驶仪。

本实施例公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：按照所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台搭建试验平台，并将旋翼飞行器固定在三自由度转台1上。

所述的旋翼飞行器包括F450机架、机身、电调、电机、螺旋桨、接收机、自动驾驶仪、数传电台。

步骤二：根据测试需求或所需验证的控制算法控制旋翼飞行器实现六自由度运动，实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证。

根据测试需求或所需验证的控制算法，设定地面站的指令及参数，旋翼飞行器上的自动驾驶仪根据地面站的指令及设定的参数，控制各个电机的旋转速度，控制旋翼飞行器按预设指令飞行。

当实现旋翼飞行器三自由度旋转测试时，旋翼飞行器带动三自由度转台1的旋转，实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试。

当实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试时，旋翼飞行器带动升降伸缩装置3的竖直运动，即实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试。

当实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度运动时，旋翼飞行器带动移动底座2前后、左右平移，即实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度测试。

通过上述三自由度旋转测试、竖直方向自由度测试、二维平面上的二自由度测试组合，实现旋翼飞行器的多自由度测试或六自由度测试，即实现实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证。

实施例2：

如图2所示，本实施例公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，包括三自由度转台1、移动底座2、升降伸缩装置3、旋翼飞行器组件4。

所述的三自由度转台1为万向轴，用于支撑固定旋翼飞行器，还用于实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试。所述的三自由度旋转测试指旋翼飞行器绕着横轴、纵轴、竖轴旋转测试。

所述的移动底座2为滑轮底座，所述的滑轮底座选用办公椅的座椅轮子。用于实现旋翼飞行器在二维平面上的平面运动，即实现移动底座2在旋翼飞行器带动下的前后、左右的平移。

所述的移动底座2还用于安装给旋翼飞行器供电的电池，为避免旋翼飞行器在旋转时电源线会缠绕升降伸缩装置3，将电源线从升降伸缩装置3内部穿过，并连接安置在移动底座2的电池上。

所述的升降伸缩装置3为升降伸缩杆，进一步地，所述升降伸缩杆包括内套管和外套管，内套管的空心部分用于电源线穿过，内套管3.1上部与万向轴1固定连接，外套管3.1与移动底座2固定连接。旋翼飞行器带动万向轴1和内套管3.1移动，实现内套管3.1与外套管3.2的上下伸缩移动。

所述的移动底座2、升降伸缩装置3分别装有限位装置，所述的限位装置用于避免误操作致使旋翼飞行器撞击试验空间的墙壁面。所述的移动底座2限位装置实现为预设移动底座2在二维平面上的移动距离阈值小于试验空间在二维平面上的移动距离，当移动底座2在二维平面上的移动距离超出预设距离阈值，限位装置工作限制移动底座2无法在二维平面上向远处移动。所述升降伸缩装置3预设高度阈值低于试验空间高度，当升降伸缩装置3伸缩高度高于设高度阈值，限位装置工作限制升降伸缩装置3再伸长。

所述的旋翼飞行器组件4是六旋翼飞行器，其中采用的机架为S550机架，电调为好盈20A电调，自动驾驶仪采用Pixhawk开源驾驶仪。

本实施例公开的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：按照所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台搭建试验平台，并将旋翼飞行器固定在三自由度转台1上。

所述的旋翼飞行器包括S550机架、机身、电调、电机、螺旋桨、接收机、自动驾驶仪、数传电台。

步骤二：根据测试需求或所需验证的控制算法控制旋翼飞行器实现六自由度运动，实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证。

根据测试需求或所需验证的控制算法，设定地面站的指令及参数，旋翼飞行器上的自动驾驶仪根据地面站的指令及设定的参数，决定各个电机的旋转速度，控制旋翼飞行器按预设指令飞行。

当实现旋翼飞行器三自由度旋转测试时，旋翼飞行器带动三自由度转台1的旋转，实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试。

当实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试时，旋翼飞行器带动升降伸缩装置3的竖直运动，即实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试。

当实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度运动时，旋翼飞行器带动移动底座2前后、左右平移，即实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度测试。

通过上述三自由度旋转测试、竖直方向自由度测试、二维平面上的二自由度测试组合，实现旋翼飞行器的多自由度测试或六自由度测试，即实现实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，其特征在于：包括三自由度转台(1)、移动底座(2)和升降伸缩装置(3)；

所述的三自由度转台(1)用于支撑固定旋翼飞行器，还用于实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试；所述的三自由度旋转测试指旋翼飞行器绕着横轴、纵轴、竖轴旋转测试；

所述的移动底座(2)用于实现旋翼飞行器在二维平面上的平面运动，即实现移动底座(2)在旋翼飞行器带动下的前后、左右的平移；

所述的升降伸缩装置(3)用于实现旋翼飞行器在竖直方向的运动，即实现升降伸缩装置(3)在旋翼飞行器带动下实现上下伸缩移动。

2.如权利要求1所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，其特征在于：所述的移动底座(2)、升降伸缩装置(3)分别装有限位装置，所述的限位装置用于避免误操作致使旋翼飞行器撞击试验空间的墙壁面。

3.如权利要求2所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，其特征在于：所述的移动底座(2)限位装置实现预设移动底座(2)在二维平面上的移动距离阈值小于试验空间在二维平面上的移动距离，当移动底座(2)在二维平面上的移动距离超出预设距离阈值，限位装置工作限制移动底座(2)无法在二维平面上向远处移动；所述升降伸缩装置(3)伸长高度低于试验空间高度。

4.如权利要求1、2或3所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，其特征在于：所述的移动底座(2)还用于安装给旋翼飞行器供电的电池，为避免旋翼飞行器在旋转时电源线会缠绕升降伸缩装置(3)，将电源线从升降伸缩装置(3)内部穿过，并连接安置在移动底座(2)的电池上。

5.如权利要求4所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，其特征在于：所述的三自由度转台(1)选万向轴；所述的移动底座(2)选滑轨或滑轮；所述的升降伸缩装置(3)选升降伸缩杆或导轨。

6.如权利要求5所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，其特征在于：所述升降伸缩装置(3)选升降伸缩杆，包括内套管和外套管，内套管的空心部分用于电源线穿过，内套管(3.1)上部与三自由度转台(1)固定连接，外套管(3.1)与移动底座(2)固定连接；旋翼飞行器带动三自由度转台(1)和内套管(3.1)移动，实现内套管(3.1)与外套管(3.2)的上下伸缩移动。

7.如权利要求5所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台，其特征在于：所述移动底座(2)的滑轮选用办公椅的座椅轮子。

8.一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验方法，其特征在于：基于如权利要求1至7任意一项所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台实现，包括如下步骤：

步骤一：按照所述的一种用于旋翼飞行器飞行测试与算法验证的试验平台搭建试验平台，并将旋翼飞行器固定在三自由度转台(1)上；

所述的旋翼飞行器包括机架、机身、电调、电机、螺旋桨、接收机、自动驾驶仪、数传电台；

步骤二：根据测试需求或所需验证的控制算法控制旋翼飞行器实现六自由度运动，实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证；

根据测试需求或所需验证的控制算法，设定地面站的指令及参数，旋翼飞行器上的自动驾驶仪根据地面站的指令及设定的参数，决定各个电机的旋转速度，控制旋翼飞行器按预设指令飞行；

当实现旋翼飞行器三自由度旋转测试时，旋翼飞行器带动三自由度转台(1)的旋转，实现旋翼飞行器姿态发生变化时的三自由度旋转测试；

当实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试时，旋翼飞行器带动升降伸缩装置(3)的竖直运动，即实现旋翼飞行器竖直方向自由度测试；

当实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度运动时，旋翼飞行器带动移动底座(2)前后、左右平移，即实现旋翼飞行器在二维平面上的二自由度测试；

通过上述三自由度旋转测试、竖直方向自由度测试、二维平面上的二自由度测试组合，实现旋翼飞行器的多自由度测试或六自由度测试，即实现实时测试无人机姿态和位置信息，进而实现对旋翼飞行器的飞行测试与算法验证。