CN108716923A - 三轴姿态校正平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴姿态校正平台，包括从上往下平行分布的第一平台、第二平台和第三平台；第一平台与所述第二平台通过第一铰接部及第一弹性部连接，第二平台与第三平台通过第二铰接部及第二弹性部连接，第一铰接部和第二铰接部的旋转轴相互垂直；第三平台的中心处设有旋转轴与第三平台垂直的第一轴承部；第一平台的顶端面上设有用于装载无人机的装载架，第一平台上还设有单片机、陀螺仪和加速度传感器。本发明提供的三轴姿态校正平台提供了一种多自由度的无人机测试平台，通过平行分布的三个平台实现无人机三个互相垂直方向上的姿态参数控制与测量，能够准确地评估无人机的姿态参数，为无人机飞控算法的进行提供准确数据。

Description

三轴姿态校正平台

技术领域

本发明涉及远程或自主交通工具测试设备领域，特别是涉及一种三轴姿态校正平台。

背景技术

无人机的发展离不开无人机控制算法的发展，飞控算法的调试需要掌握无人机的姿态信息，因而必须获得必要的导航要素如高度、速度、飞行姿态以及航向等，并且需要配合其它系统完成各种任务。在无人机研发的初始阶段，往往是将无人机放置在地面上的专用测试平台上获取某些飞行姿态信息，并进行相应控制和调整，以提高无人机飞行姿态测试和调整效率，节省研发成本。

在现有技术中，有的是通过双轴陀螺测试转台对目标被控件的姿态进行控制调整，但是这种传统方式中的双轴陀螺测试转台只有2个自由度，对目标被控件的控制具有局限性。有的方案是将姿态测量装置直接装载到无人机上，通过惯性测量单元检测无人机的姿态信息，然而由于无人机起飞前需要对内部的传感器进行校正，然而在平地上手动校正不仅不方便而且校正效果也无法保证。另外，由于无人机在手动校正过程中容易发生移动，无人机上的姿态测量装置测出来的数据不能准确反映无人机的飞行姿态，存在较大的数据偏差，这样的数据无法准确指导无人机的飞行。并且手动校正无法实现对三轴姿态中的三个变量分别独立的校准，即无法实现试验过程中的单一变量测试。

发明内容

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种三轴姿态校正平台。

一种三轴姿态校正平台，包括从上往下平行分布的第一平台、第二平台和第三平台；所述第一平台与所述第二平台通过第一铰接部及第一弹性部连接，所述第二平台与所述第三平台通过第二铰接部及第二弹性部连接，所述第一铰接部和所述第二铰接部的旋转轴相互垂直；所述第三平台的中心处设有旋转轴与所述第三平台垂直的第一轴承部；所述第一平台的顶端面上设有用于装载无人机的装载架，所述第一平台上还设有单片机、陀螺仪和加速度传感器。

本发明提供的三轴姿态校正平台提供了一种多自由度的无人机测试平台，通过平行分布的三个平台实现无人机三个互相垂直方向上的姿态参数控制与测量，能够准确地评估无人机的姿态参数，为无人机飞控算法的进行提供准确数据。

附图说明

图1为本发明一实施例中的三轴姿态校正平台主视图；

图2为本发明另一实施例中的三轴姿态校正平台主视图；

图3为本发明一实施例中的三轴姿态校正平台的俯视图；

图4为本发明一实施例中的三轴姿态校正平台的仰视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

飞机姿态变化指的是飞机的仰头、低头、左倾斜、右倾斜等变化，飞行姿态决定着飞机的动向，既影响飞行高度，也影响飞行的方向。为实现在测试平台上实现对无人机的飞行姿态测量并进而实现对无人机的设计校正，本发明一实施例中提供一种三轴姿态校正平台，用于控制和测试无人机的飞行姿态参数，测试其空间直角坐标系情况下的姿态参数，也即测试以无人机为原点，X轴、Y轴及Z轴方向的姿态参数。该三轴姿态校正平台包括从上往下平行分布的第一平台100、第二平台200和第三平台300。在未装载无人机或者无人机为进行测试时，第一平台100、第二平台200和第三平台300处于平行并且相互间隔一定距离的状态，使校正平台处于姿态归零的状态，以便于后期测试无人机姿态时不至于对姿态参数产生不良影响，优选的，第一平台100、第二平台200和第三平台300均采用轻质材料制成的圆盘，圆盘型平台既便于加工制造，也便于进行三者之间的位置调整，还有利于进行相关部件的设置；而轻质材料可采用高分子材料，如泡沫塑料，为提高设备寿命，也可采用PVC或PC等板材。三个平台中，第一平台100与第二平台200通过第一铰接部110及第一弹性部120连接，第二平台200与第三平台300通过第二铰接部210及第二弹性部220连接，并且第一铰接部110和第二铰接部210的旋转轴相互垂直，而第三平台300的中心处设有旋转轴与第三平台300垂直的第一轴承部310，即第一轴承部310的旋转轴既垂直于第一铰接部110的旋转轴，也垂直于第二铰接部210的旋转轴，第一轴承部310可通过螺栓结构与其他承载结构连接。如果将第一铰接部110的旋转轴定义为X轴，则第一铰接部110及第一弹性部120使得第一平台100可绕X轴运动，第二铰接部210的旋转轴则相应地被定义为Y轴，因而第一平台100和第二平台200可绕Y轴运动，而同时，第一轴承部310的旋转轴则被定义为Z轴，其能够使得第一平台100、第二平台200和第三平台300可绕Z轴运动，也即能够通过如上结构设置的第一铰接部110、第二铰接部210以及第一轴承部310实现第一平台100绕X、Y、Z轴运动。第一弹性部120和第二弹性部220均用于缓冲无人机因动力和/或重力而产生向下倾倒的趋势，保持整个校正平台的平衡，第一弹性部120和第二弹性部220均可采用弹簧，最好使用自重较轻的轻质弹簧，如用细钢丝制成的弹簧或者用弹性高分子材料制成的弹簧等，该弹簧的具体弹性参数相关技术人员通过实际需要选择，本发明不做更多描述。优选的，第一弹性部120和第二弹性部220均设置在三轴姿态校正平台的边沿附近，以便于提高第一平台100和第二平台200的结构稳定性，更便于缓冲无人机运动产生的下压趋势。在第一平台100的顶端面上设有用于装载无人机的装载架130，装载架130的具体结构形式不是本发明的重点，本领域技术人员能够了解，在此不做赘述，当第一平台100顶端面上设置了装载架130后，可将待测试无人机装载到三轴姿态校正平台上，实现无人机在X、Y、Z轴上的多自由度的运动。同时，在第一平台100上还设有单片机、陀螺仪140和加速度传感器150，其中本领域技术人员可知的，单片机用于采集、处理和传输传感器数据，而陀螺仪140用作水平、垂直、俯仰航向和角速度传感器，加速度传感器150用于测量无人机飞行时的加速度，通过计算与重力加速度的夹角得到无人机与X、Y轴的夹角。本发明提供的三轴姿态校正平台提到了上述两种传感器，但不限于仅包括上述两种传感器，还可以包括磁场传感器230、温湿度传感器、气压传感器等。将陀螺仪140和加速度传感器150设置在第一平台100顶面上可使该两种关键传感器更加接近待测试无人机，提高对无人机相关参数的测试准确度。

第一铰接部110和/或第二铰接部210既可采用单个轴承，也可采用多个轴承，第一弹性部120和/或第二弹性部220即可采用单个弹性体，也可采用多个弹性体，当使用单个轴承和单个弹性体时，第一铰接部110与第一弹性部120的连线与第二铰接部210与第二弹性部220的连线垂直，最好是将两条连线作为某一菱形的对角线，以便于最大程度保持校正平台的平衡。作为一个优选的方案，第一铰接部110包括两个同轴设置的轴承，即两个轴承的旋转轴同轴，而将第一弹性部120设置在第一铰接部110的两个轴承连线的中垂线上，当第一弹性部120采用单个弹性体时，该弹性体与轴承连线两端的轴承组成等腰三角形，当第一弹性部120采用两个弹性体时，第一弹性部120与第一铰接部110组成菱形，使得第一平台100相对于第二平台200具有良好的平衡性以及稳定性。进一步优选的，第一弹性部120包括两个弹簧，该两个弹簧均垂直设置在第一平台100与第二平台200之间，以支撑第二平台200上的第一平台100，保持第一平台100的平衡，该两个弹簧最好以第一铰接部110的旋转轴为对称轴相互对称。

作为另一个优选的方案，第二铰接部210采用与上述第一铰接部110同样的结构，同时确保第二铰接部210的旋转轴与第一铰接部110的旋转轴相互垂直。更加优选的，第二弹性部220采用上述第一弹性部120同样的结构，即将第二弹性部220采用至少两个弹簧构成，弹簧垂直设置在第二平台200与第三平台300之间，支撑第三平台300上的第二平台200和第三平台300，此处的第二弹性部220采用的弹簧其性能参数应大于第一弹性部120中采用的弹簧，以更好支撑第二平台200和第一平台100。同理，第二弹性部220的两个弹簧以第二铰接部210的旋转轴为对称轴相互对称，确保第二平台200及其上的第一平台100的结构平衡性。

上述两种优选方案既可以各自单独使用，也可以同时使用，为减轻校正平台整体重量，以便于更精确地感知无人机的姿态参数，尽量采用轻质材料制备平台以及轴承和弹簧等部件，采用较少数量的轴承部与弹性部，在尽量大程度维持校正平台结构平衡性和稳定性的基础上，降低校正平台自身的重量。优选的，将第一平台100采用轻质材料，如泡沫材料制造，将第二平台200采用坚固的轻质材料，如PVC板或聚丙烯板制造，而第三平台300可采用更坚固的材料，如木板制造，一方面降低校正平台的制造成本，另一方面可降低校正平台的整体重心，提高校正平台的稳定性，减小进行无人机测试时的测量误差。

作为一个优选的方案，第二平台200和/或第三平台300上设有磁场传感器230。磁场传感器230用于测量无人机附近的磁场方向，其设置位置并无特殊要求，做到安装方便即可。因而实际上，磁场传感器230也可以设置在第一平台100上，但由于第一平台100上已经设置有单片机(图中未示出)、陀螺仪140和加速度传感器150等部件，因而更优选将其设置在第二平台200和/或第三平台300上。

最好将轴承设置在第一平台100的重心位置，具体地，使第一平台100的重心与第一铰接部110的重心连线与第一铰接部110的旋转轴垂直，第一平台100和第二平台200的共同重心与第二铰接部210的重心连线与第二铰接部210的旋转轴垂直，第一平台100和第二平台200的共同重心即第一平台100和第二平台200组成的整体部分的重心，再者，整个三轴姿态校正平台的重心与第一轴承部310的旋转轴重合，避免第一轴承部310转动时，校正平台绕Z轴转动不平衡。上述结构设置可最大程度保持第一平台100、第二平台200和第三平台300的平行和平衡，尽量避免在未进行无人机测试时即对校正平台上的各个弹性部产生压力变形，影响后期测试的参数准确性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三轴姿态校正平台，其特征在于，包括从上往下平行分布的第一平台、第二平台和第三平台；所述第一平台与所述第二平台通过第一铰接部及第一弹性部连接，所述第二平台与所述第三平台通过第二铰接部及第二弹性部连接，所述第一铰接部和所述第二铰接部的旋转轴相互垂直；所述第三平台的中心处设有旋转轴与所述第三平台垂直的第一轴承部；所述第一平台的顶端面上设有用于装载无人机的装载架，所述第一平台上还设有单片机、陀螺仪和加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第一铰接部包括两个同轴设置的轴承，所述第一弹性部设置在所述第一铰接部的两个轴承连线的中垂线上。

3.根据权利要求1或2所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第一弹性部包括两个弹簧，所述弹簧垂直设置在所述第一平台与所述第二平台之间。

4.根据权利要求1所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第二铰接部包括两个同轴设置的轴承，所述第二弹性部设置在所述第二铰接部的两个轴承连线的中垂线上。

5.根据权利要求1或4所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第二弹性部包括两个弹簧，所述弹簧垂直设置在所述第二平台与所述第三平台之间。

6.根据权利要求1所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第二平台或所述第三平台上设有磁场传感器。

7.根据权利要求1所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第一平台、所述第二平台和所述第三平台均采用轻质材料制成的圆盘。

8.根据权利要求1所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述轻质材料采用泡沫塑料。

9.根据权利要求1所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第一弹性部和所述第二弹性部均设置在所述三轴姿态校正平台的边沿附近。

10.根据权利要求1所述的三轴姿态校正平台，其特征在于，所述第一平台的重心与所述第一铰接部的重心连线与所述第一铰接部的旋转轴垂直；所述第一平台和所述第二平台的共同重心与所述第二铰接部的重心连线与所述第二铰接部的旋转轴垂直；所述三轴姿态校正平台的重心与所述第一轴承部的旋转轴重合。