CN109159914B - 具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，包括：框架、运动台、升降台、控制装置、测力装置和显示装置；用于承载的所述框架为长方体框架，其顶部设置有能够相对所述框架转动的运动台，所述运动台上加工有用于安装无人机的安装孔；所述框架内部安装有升降台，使所述升降台能够在垂直方向实现升降，所述测力装置和显示装置设置于所述升降台上；所述控制装置用于控制所述运动台的转动和所述升降台的升降运动。本发明的技术方案解决了现有技术中的无人机控制系统调试困难、安全性低的问题。

Description

具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台

技术领域

本发明涉及无人机调试平台技术领域，具体而言，尤其涉及一种新型的具有转动惯量补偿功能的三自由度无人机调试平台。

背景技术

随着无人机近年来在军事侦察、电子对抗、通信中继、警用、消防、气象、植保、航拍、游戏、搜索、救援等方面广泛应用，无人机调试平台的研发格外重要。

由于无人机控制系统变量多、耦合强、干扰敏感、非线性的特点，其姿态控制和定位控制一直是国内外研究的焦点。而当前的无人机调试平台用途比较单一，安全性比较低且过程复杂。

发明内容

根据上述提出当前无人机控制系统调试困难、安全性低的技术问题，而提供一种具有转动惯量补偿功能的无人机调试平。本发明主要利用对调试平台框架、运动台、升降台、控制装置、测力装置和显示装置的设计，能够实现无人机俯仰通道和滚转通道的调试及起降过程调试，同时该平台还能够补偿由于运动台转动惯量而引入的误差，从而起到提高控制系统调试精度及操作安全性的优点。

本发明采用的技术手段如下：

一种具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，包括：框架、运动台、升降台、控制装置、测力装置和显示装置；用于承载的所述框架为长方体框架，其顶部设置有能够相对所述框架转动的运动台，所述运动台上加工有用于安装无人机的安装孔；所述框架内部安装有升降台，使所述升降台能够在垂直方向实现升降，所述测力装置和显示装置设置于所述升降台上；所述控制装置用于控制所述运动台的转动和所述升降台的升降运动。

进一步地，所述运动台包括滚转运动架和俯仰运动架；所述滚转运动架为长方形架体，所述框架顶部的前后两端分别安装有一个转动机构，所述转运动架通过转动机构同所述框架转动连接；所述转动机构包括转轴支座、转轴、步进电机支架和补偿步进电机；所述转轴一端通过转轴支座装配于所述滚转运动架上，另一端通过轴承座装配于所述框架上，所述补偿步进电机的输出轴同所述转轴传动连接，使所述补偿步进电机的转动工作，能够控制所述滚转运动架相对所述框架转动；所述俯仰运动架为杆状直架，所述俯仰运动架左右两端分别同所述滚转运动架转动连接，将所述滚转运动架均分为前后两部分。

进一步地，所述框架的左右两侧对应设置有两个加强支撑型材，所述加强支撑型材水平设置，两端分别固定于所述框架的垂直支撑型材上，所述加强支撑型材位于所述框架上部；所述升降台包括升降架、限定控制所述升降架垂直升降的导轨以及驱动所述升降架升降的驱动机构；所述升降架左右两侧分别安装有一个驱动机构，所述驱动机构安装于该侧的中间位置。

所述驱动机构包括升降步进电机、丝杆、丝杆螺母和连接板；所述连接板固定于所述升降架端部，所述连接板上固定有丝杆螺母，丝杆穿过所述丝杆螺母和连接板垂直设置，所述丝杆上端通过轴承座固定于所述加强支撑型材上，下侧通过轴承座固定于所述框架的底部型材上，所述升降步进电机的输出端同所述丝杆传动连接，使所述升降步进电机的转动工作能够控制所述升降架升降。

进一步地，所述导轨设置有四组，分别对称设置于所述驱动机构两侧；所述导轨包括滑块、光轴和光轴支座；所述滑块固定于升降架端部，所述光轴穿过所述滑块，所述光轴上端通过光轴支座固定于所述加强支撑型材上，下侧通过光轴支座固定于所述框架的底部型材上，使所述滑块通过光轴限位，只能在垂直方向升降。

进一步地，所述框架包括水平铝型材和垂直铝型材；作为垂直支撑型材的四根所述垂直铝型材竖直设置；相邻的所述垂直铝型材顶部之间通过压铸角铁装配有水平铝型材，使顶部的四根所述水平铝型材围城长方形，该长方形所在的平面平行于水平工作面；相邻的所述垂直铝型材底部之间通过压铸角铁装配有水平铝型材，使顶部的四根所述水平铝型材围城长方形，该长方形所在的平面平行于水平工作面；四根所述垂直铝型材底端分别安装有蹄脚。

进一步地，所述补偿步进电机的输出轴同所述转轴通过联轴器连接，所述联轴器为弹性联轴器。

进一步地，所述升降步进电机的输出轴同所述丝杠通过联轴器连接，所述联轴器为弹性联轴器。

进一步地，所述测力装置为测力板，可拆卸安装于所述升降架上；所述显示装置为显示器，安装于所述测力板上部，并且通过数据线与上位机连接。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在调试过程中需要将无人机固定在运动台上，无人机的运动将会被限制，但是姿态的变化可以实时显示出来。因为在无人机开发阶段常处于不稳定飞行状态，所以上述调试方式可以保护设备和人员的安全。

2、运动台在设计时加装了补偿装置，可以将无人机姿态变化与运动台的姿态变化解耦开，降低运动台自身转动惯量对调试数据的影响，可以实时反馈无人机的飞行姿态以及对于研究者输入信号的响应。

3、升降台的设计可以模拟无人机的起降运动，将正常起降时无人机运动、地面静止转变为无人机静止、升降台上下运动，这样在无人机在被固定在调试平台上的同时又增加了一个调试自由度。

4、测力装置可以在整个调试过程中实时读取当前无人机的升力。

5、显示装置可以进行无人机摄像头实时追踪的调试工作。

基于上述理由本发明可在无人机调试平台等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，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为本发明具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台整体结构示意图。

图2为本发明补偿装置安装示意图。

图3为本发明升降台安装示意图。

其中：1、滚转运动架；2、补偿步进电机；3、步进电机支架；4、立式轴承座I；5、俯仰运动架；6、压铸角铁；7、水平铝型材；8、立式轴承座II；9、垂直铝型材；10、光轴；11、光轴支座；12、蹄脚；13、螺钉I；14、升降步进电机；15、螺丝I；16、显示器；17、连接板；18、丝杆；19、丝杆螺母；20、螺钉II；21、滑块；22、升降架；23、螺丝II；24、测力板；25、转轴；26、螺母；27、加强支撑型材；28、转轴支座；29、螺丝III；30、螺钉III；31、螺丝IV；32、螺丝V。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图所示，本发明提供了一种具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，包括：框架、运动台、升降台、控制装置、测力装置和显示装置；用于承载的所述框架为长方体框架，其顶部设置有能够相对所述框架转动的运动台，所述运动台上加工有用于安装无人机的安装孔；所述框架内部安装有升降台，使所述升降台能够在垂直方向实现升降，所述测力装置和显示装置设置于所述升降台上；所述控制装置用于控制所述运动台的转动和所述升降台的升降运动。

所述运动台包括滚转运动架1和俯仰运动架5；所述滚转运动架1为长方形架体，所述框架顶部的前后两端分别安装有一个转动机构，所述转运动架1通过转动机构同所述框架转动连接；所述转动机构包括转轴支座28、转轴25、步进电机支架3和补偿步进电机2；所述转轴25一端通过转轴支座28装配于所述滚转运动架1上，另一端通过轴承座装配于所述框架上，该轴承座为立式轴承座I4。所述转轴支座28通过螺母26及螺钉III30固定于所述滚转运动架1上，所述转轴支座28上端通过螺丝III29实现同所述转轴的可拆卸连接。

所述补偿步进电机2的输出轴同所述转轴25传动连接，使所述补偿步进电机2的转动工作，能够控制所述滚转运动架1相对所述框架转动；所述补偿步进电机2的输出轴同所述转轴25通过联轴器连接，所述联轴器为弹性联轴器。所述补偿步进电机2通过所述步进电机支架3固定于所述框架上。所述补偿步进电机2通过螺丝IV31及螺母固定于所述步进电机支架3上。

所述补偿步进电机2的转动带动运动台转动，降低运动台自身大转动惯量与大惯性对调试数据的影响。

所述俯仰运动架5为杆状直架，所述俯仰运动架5左右两端分别同所述滚转运动架1转动连接，将所述滚转运动架1均分为前后两部分。

其中，所述俯仰运动架5两侧安装有内圆外方的固定柱，转轴一侧安装在所述固定柱内，一侧安装在固定于所述滚转运动架1上的立式轴承座内，使俯仰运动架5能够绕转轴自由转动。

所述框架包括水平铝型材7和垂直铝型材9；作为垂直支撑型材的四根所述垂直铝型材9竖直设置；相邻的所述垂直铝型材9顶部之间通过压铸角铁6装配有水平铝型材7，使顶部的四根所述水平铝型材7围城长方形，该长方形所在的平面平行于水平工作面；相邻的所述垂直铝型材9底部之间通过压铸角铁6装配有水平铝型材7，使顶部的四根所述水平铝型材7围城长方形，该长方形所在的平面平行于水平工作面；四根所述垂直铝型材9底端分别安装有蹄脚12。

所述蹄脚12安装在垂直铝型材9的下部，并可通过调节其上的螺母进行所述调试平台的调平。所述垂直铝型材99下部攻有与所述蹄脚12配合的螺纹。

所述框架的左右两侧对应设置有两个加强支撑型材27，所述加强支撑型材27水平设置，两端分别固定于所述框架的垂直支撑型材上，所述加强支撑型材27位于所述框架上部；所述水平铝型材7、垂直铝型材9和加强支撑型材27之间通过压铸角铁6、螺丝II23及螺母实现固定。

所述框架侧面安装有横向的加强支撑型材27，便于安装所述升降台，使所述升降台的丝杆、光杆在满足行程时有最大的材料利用率，也使所述丝杆、光杆不易变形；所述框架下部两侧与所述加强支撑型材的内侧安装有立式轴承座、支撑座，分别用来固定所述丝杆、光杆。

所述升降台包括升降架22、限定控制所述升降架22垂直升降的导轨以及驱动所述升降架22升降的驱动机构；所述升降架22左右两侧分别安装有一个驱动机构，所述驱动机构安装于该侧的中间位置；所述驱动机构包括升降步进电机14、丝杆18、丝杆螺母19和连接板17；所述连接板17固定于所述升降架22端部，所述连接板17上固定有丝杆螺母19，所述连接板17和丝杆螺母19通过螺钉II20连接固定。

所述连接板17通过螺钉可拆卸的固定在丝杠螺母19上。所述丝杠螺母19为圆法兰型。丝杆18穿过所述丝杆螺母19和连接板17垂直设置，所述丝杆18上端通过轴承座固定于所述加强支撑型材27上，下侧通过轴承座固定于所述框架的底部型材上，该轴承座为立式轴承座II8。

所述立式轴承座II8通过螺丝I15固定于所述框架上。

所述升降步进电机14的输出端同所述丝杆18传动连接，使所述升降步进电机14的转动工作能够控制所述升降架22升降。所述升降步进电机14的输出轴同所述丝杠18通过联轴器连接，所述联轴器为弹性联轴器。

所述升降步进电机14带动丝杠18转动，其上的丝杠螺母19会做上下运动，进而带动整个升降台的上下运动。

所述导轨设置有四组，分别对称设置于所述驱动机构两侧；所述导轨包括滑块21、光轴10和光轴支座11；所述滑块21固定于升降架22端部，所述光轴10穿过所述滑块21，所述光轴10上端通过光轴支座11固定于所述加强支撑型材27上，下侧通过光轴支座11固定于所述框架的底部型材上，使所述滑块21通过光轴10限位，只能在垂直方向升降。安装的光轴支座11方便安装所述光轴10。

所述光轴支座11通过螺钉I13固定于所述框架上。所述测力装置为测力板24，通过螺丝与螺母可拆卸安装于所述升降架22上；所述升降架22上加工有用于安装所述测力装置的安装孔，便于安装所述测力装置。所述显示装置为显示器16，安装于所述测力板24上部，并且通过数据线与上位机连接。

所述测力板24，承受无人机旋翼气流的冲击，通过应变片测量测力模块的变形，进而完成对升力的测量。所述显示器16通过数据线与上位机连接，用于显示无人机进行图像识别时的特殊图像。

优选的，所述显示装置作为显示模块，包括显示器与数码管，其中，所述数码管显示调试过程中的实时参数。

所述转轴25与转轴支座28，以及光轴支座11与光轴10的固定均采用过盈配合，使其之间没有相对运动。

优选的，所述控制装置包括运动台控制装置与升降台控制装置，均包括步进电机、驱动器与支架。其中，所述步进电机通过螺丝、螺母可拆卸的安装在所述支架上，所述支架安装在所述框架上，且保证所述步进电机出轴与固定在所述滚转运动架前后的转轴、丝杠同心，所述驱动器用于控制步进电机转动。

与所述滚转运动架1前后的转轴连接的所述补偿步进电机2用于所述滚转运动架的补偿，与所述丝杠18连接的所述升降步进电机14用于所述升降架22的运动。

本发明还保护一种控制面板，所述控制面板上内部具有电源适配器，一部分将220V市电转变为驱动所述补偿步进电机2的24V直流电，另一部分进一步转变为驱动微型处理器的5V直流电；所述控制面板上具有总电源开关，用于控制整个调试平台的电源；所述控制面板上具有一个摇杆，其上下行程控制所述升降架22上下运动，其左右行程控制所述滚装运动架1的滚转运动；所述控制面板上具有点触开关，一个用于控制所述测力装置开关，另个用于控制所述测力装置归零，用于纠正不同温度下测力装置产生的初始误差；所述控制面板上具有数码管，用于显示所述测力装置的测量数据以及升降架22的运动速度；所述控制面板上具有指示灯，用于显示各部分工作状态。

所述控制面板仅为完成无人机调试平台的调试工作，本领域的技术人员可以根据上述发明内容所述的控制方法设计不同的控制面板，此不能作为对本发明专利的限制。

本发明所述的具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，是一种新型的具有转动惯量补偿功能的三自由度无人机调试平台。通过将无人机固定在运动台上，能够实现无人机在俯仰和滚转两个自由度上的姿态控制系统调试工作；通过升降台的运动，完成无人机在起飞、降落过程中的控制系统调试。升降台底部安装的测力传感器可以实时返回无人机在测试过程中的升力变化。升降台上固定的显示器可以显示特殊图像，用于无人机进行图像识别，

运动台在设计时加装了转动惯量补偿装置，可以实时反馈无人机的飞行姿态以及对于研究者输入信号的响应。无人机调试平台的研究弥补了实践工程领域在原来调试状况下安全性低、过程复杂的不足，同时克服了运动台转动惯量引入的误差。

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 (7)

1.一种具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，其特征在于，包括：框架、运动台、升降台、控制装置、测力装置和显示装置；

用于承载的所述框架为长方体框架，其顶部设置有能够相对所述框架转动的运动台，所述运动台上加工有用于安装无人机的安装孔；

所述框架内部安装有升降台，使所述升降台能够在垂直方向实现升降，所述测力装置和显示装置设置于所述升降台上；

所述控制装置用于控制所述运动台的转动和所述升降台的升降运动；

所述运动台包括滚转运动架和俯仰运动架；

所述滚转运动架为长方形架体，所述框架顶部的前后两端分别安装有一个转动机构，所述滚转运动架通过转动机构同所述框架转动连接；

所述转动机构包括转轴支座、转轴、步进电机支架和补偿步进电机；

所述转轴一端通过转轴支座装配于所述滚转运动架上，另一端通过轴承座装配于所述框架上，所述补偿步进电机的输出轴同所述转轴传动连接，使所述补偿步进电机的转动工作，能够控制所述滚转运动架相对所述框架转动；

所述俯仰运动架为杆状直架，所述俯仰运动架左右两端分别同所述滚转运动架转动连接，将所述滚转运动架均分为前后两部分。

2.根据权利要求1所述的具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，其特征在于，

所述框架的左右两侧对应设置有两个加强支撑型材，所述加强支撑型材水平设置，两端分别固定于所述框架的垂直支撑型材上，所述加强支撑型材位于所述框架上部；

所述升降台包括升降架、限定控制所述升降架垂直升降的导轨以及驱动所述升降架升降的驱动机构；

所述升降架左右两侧分别安装有一个驱动机构，所述驱动机构安装于该侧的中间位置；

所述驱动机构包括升降步进电机、丝杆、丝杆螺母和连接板；

所述连接板固定于所述升降架端部，所述连接板上固定有丝杆螺母，丝杆穿过所述丝杆螺母和连接板垂直设置，所述丝杆上端通过轴承座固定于所述加强支撑型材上，下侧通过轴承座固定于所述框架的底部型材上，所述升降步进电机的输出端同所述丝杆传动连接，使所述升降步进电机的转动工作能够控制所述升降架升降。

3.根据权利要求2所述的具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，其特征在于，

所述导轨设置有四组，分别对称设置于所述驱动机构两侧；

所述导轨包括滑块、光轴和光轴支座；

所述滑块固定于升降架端部，所述光轴穿过所述滑块，所述光轴上端通过光轴支座固定于所述加强支撑型材上，下侧通过光轴支座固定于所述框架的底部型材上，使所述滑块通过光轴限位，只能在垂直方向升降。

4.根据权利要求2所述的具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，其特征在于，

所述框架包括水平铝型材和垂直铝型材；

作为垂直支撑型材的四根所述垂直铝型材竖直设置；

相邻的所述垂直铝型材顶部之间通过压铸角铁装配有水平铝型材，使顶部的四根所述水平铝型材围城长方形，该长方形所在的平面平行于水平工作面；

相邻的所述垂直铝型材底部之间通过压铸角铁装配有水平铝型材，使顶部的四根所述水平铝型材围城长方形，该长方形所在的平面平行于水平工作面；

四根所述垂直铝型材底端分别安装有蹄脚。

5.根据权利要求1所述的具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，其特征在于，

所述补偿步进电机的输出轴同所述转轴通过联轴器连接，所述联轴器为弹性联轴器。

6.根据权利要求2所述的具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，其特征在于，

所述升降步进电机的输出轴同所述丝杆通过联轴器连接，所述联轴器为弹性联轴器。

7.根据权利要求2所述的具有转动惯量补偿功能的无人机调试平台，其特征在于，

所述测力装置为测力板，可拆卸安装于所述升降架上；

所述显示装置为显示器，安装于所述测力板上部，并且通过数据线与上位机连接。

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