CN109502049A - 无人机抗风性能检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机抗风性能检测系统，包括：实验室本体，控制器和导航信号源；所述实验室本体内设置由若干风机组成的风机组风面，所述风机组风面通过变频器控制产生风速可调的风场；在距离风机组风面设定位置处设置风速传感器，所述实验室本体内设置三维空间位置实时捕捉单元；所述变频器、风速传感器以及三维空间位置实时捕捉单元分别与控制器进行通信，所述控制器与导航信号源通信。通过对无人机周围风场风速的测定和捕捉到的位置信息，可实时地展示无人机的抗风指标测定值以及无人机运行轨迹。
Description
技术领域
本发明涉及无人机抗风性能检测技术领域，尤其涉及一种无人机抗风性能检测系统及方法。
背景技术
目前无人机已经成为未来民用作业的发展重点，为了保证各领域所用无人机的性能达标，测试其无人机的性能指标势必成为一重点。目前尚没有专门设备对无人机性能进行检测，传统方式仅通过飞行试验的方式进行检测，所需空域较大，且安全性降低。
架空输电线路无人机巡检作为一种新兴的空中巡检技术，已在电力行业推广应用，大大提升了输电线路巡检的效率和效益。为了保证无人机的质量合格，检验检测无人机的性能指标是否达标势必成为一个重点。
在架空输电线路无人直升机巡检系统抗风性能检测中，风场环境的风速测量是必不可少的环节之一，而准确、稳定、灵敏的风速测量是对无人直升机进行抗风性能检测的前提之一。
目前市面上的无人飞行器抗风性能指标，一般只通过数字模拟仿真或者在室外有风的时候测试抗风性能，很少有专门用于无人飞行器抗风性能测试用风场设备。而如果在专业风洞进行测试会面临几个问题。无人机要在飞行状态测试抗风性能，就得需要尺寸很大的风洞，大型风洞的耗电等各种成本非常高。而小型风洞并不能满足飞行器在飞行状态下进行抗风性能测试的要求。
因此亟待开发一种无人直升机测试装置，有助于更加快速开展无人机检验检测工作。
发明内容
为了解决背景技术中指出的问题，本发明公开了一种无人机抗风性能检测系统及方法，能够实现无人机室内环境下的风速采集以及位置获取，从而进行抗风能力检测。
在一个或多个实施方式中公开的一种无人机抗风性能检测系统，包括：实验室本体，控制器和导航信号源；所述实验室本体内设置由若干风机组成的风机组风面，所述风机组风面通过变频器控制产生风速可调的风场；在距离风机组风面设定位置处设置风速传感器，所述实验室本体内设置三维空间位置实时捕捉单元；所述变频器、风速传感器以及三维空间位置实时捕捉单元分别与控制器进行通信，所述控制器与导航信号源通信。
进一步地，所述三维空间位置实时捕捉单元包括：设置在实验室本体内部的若干摄像头，若干摄像头能够采集到实验室内部各个位置的图像信息。
进一步地，测试不同位置点的风速值，同时记录设定位置处风速传感器显示的风速值，通过数据拟合估计其他位置点的风速值。
进一步地，三维空间位置实时捕捉单元能够建立室内坐标系，对目标无人机进行系统建模，实时监测捕捉无人机在室内运动的轨迹、位置和姿态角。
进一步地，控制器能够对无人机的状态信息(包括轨迹、位置和姿态角等信息)进行处理，获取无人机位置信息，经过坐标转换将位置信息转换到大地坐标系，并发送给GPS信号源；GPS信号源根据大地坐标系下的位置信息，模拟GPS卫星运动轨迹，产生无人机在GPS模式下飞行所需的导航信号。
进一步地，所述风机组中的风机作为一个控制对象，通过总线广播的方式实现同步控制。
进一步地，所述控制器采用两个串口分别连接风速传感器和风机，每个串口采用Modbus协议与挂接的设备通信。
进一步地，还包括：无人机抗风实验监控平台，所述无人机抗风实验监控平台能够实现无人机实验视频监控、实验区域风场信息显示、无人机姿态数据实时显示以及无人机悬停精度三维点云数据实时展示。
进一步地，无人机实时姿态数据以点云数据形式传输至无人机抗风实验监控平台，无人机抗风实验监控平台提供点云SDK解析点云数据获得无人机姿态数据，以3D模型方式展示无人机实时姿态，并对姿态数据进行存储。
在一个或多个实施方式中公开的一种无人机抗风性能检测方法，包括：
测试抗风性能时，控制器驱动风机产生设定的风场，模拟自然环境下无人机所遇到的风场；
风速传感器实时检测风场的风速，并反馈给控制器，控制器根据接收到的实时风速信息对风机进行PID控制；
当无人机悬空定位时，调节风场强度大小、风场施加模式，测量无人机的位移变化量，对无人机的抗风性能进行测试。
本发明有益效果：
(1)选取的FY-KFS热线式风速传感器能很好地应用于精确的通风控制，具有很快的动态响应及抗干扰能力，在低风速下具有较高的精度。通过固定的测试传感器准确地预估无人机飞行区域的实时风速，为无人机的抗风性能的测定提供外围环境数据。
(2)基于三维动态捕捉单元测定的无人机位置信息，经过一系列的协议转换算法，实现室内GPS信号的模拟，解决了通用性无人机无法在室内飞行的难题，使无人机在室内飞行与室外飞行效果一致，为检测无人机抗风性能提供了条件。
(3)风机组风面能够产生不同风速，不同模式的风，可根据实验要求实现风速0-15m/s可调，距离风机5m处可实现最大风力25m/s，可以最大程度模拟自然风，满足各类检测标准的要求，有助于减少了户外测试中的搬运及环境影响。
(4)通过对无人机周围风场风速的测定和捕捉到的位置信息，可实时地展示无人机的抗风指标测定值以及无人机运行轨迹。
附图说明
图1为无人机抗风性能检测系统结构示意图；
其中，1.无人机，2.三维空间位置捕捉单元，3.风机，4.风速传感器，5.控制器，6.GPS信号源。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
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申请的示例性实施方式。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。
本方案公开了一种无人机抗风性能检测系统，如图1所示，包括：实验室本体，控制器5和导航信号源；实验室本体内设置由若干风机3组成的风机组风面，风机组风面通过变频器控制产生风速可调的风场；在距离风机组风面设定位置处设置风速传感器4，实验室本体内设置三维空间位置实时捕捉单元；变频器、风速传感器4以及三维空间位置实时捕捉单元分别与控制器5进行通信，控制器5与导航信号源通信。
实验室本体为搭建的密闭空间，在风机3静止时整个空间各个方向风速为零，保证实验不受外界风场影响，无人机1在该空间内保证接收卫星数不少于7颗，充分满足无人机定位需求。
实验室本体设置进风口、出风口，根据实验需要风速进行调节，保证进风量，出风量成比例调节，从而保证房屋内压力平衡，保证风场气流流畅，风场稳定。
由钢架固定的3X3共9台斜流风机3构成风机组风面，风机3在启动时，电流会比额定高5-6倍，影响风机3的使用寿命而且消耗较多的电量；因此，设计时在电机选型上留有一定的余量。风机3由变频器驱动，能够产生不同风速，不同模式的风，可根据实验要求实现风速0-15m/s可调，距离风机3的5m处可实现最大风力25m/s。使用变频器可实现电机软启动、补偿功率因素、通过改变设备输入电压频率达到节能调速的目的，而且能给设备提供过流、过压、过载等保护功能。风机3功率较大，因此选取适用于风机3动力供给控制的交流低压配电柜。
通过在总线上广播PID控制的模式，将9台风机看做一个对象，实现协调同步控制，满足了实时性能并保证了控制精度，使得系统通信的鲁棒性提高。
由风机3组成的风面位于实验室入风口处安放，风面中心离地面高度为5米。实验室顶部设计为弧形，采用膜结构，可以增强GPS信号接收。实验室主体采用钢结构，外部为玻璃幕墙。可增强GPS信号接收。
风机3可以模拟产生自然环境中不同速度，不同模式下的风，风速传感器4实时监测风速大小，三维空间位置捕捉单元2能够实时捕捉无人机1的位置，并将位置信息传送给导航信号源，再由导航信号源发送导航信息给无人机1使用，使无人机1能够在室内飞行定位。
抗风用实验设备有多个风速风向传感器，多个变频风机3等两种类型。为保证他们都实时运转，且在通讯控制方面互不干扰，采用两个串口连接两种类型设备，每个串口采用Modbus协议挂接设备，实现了多线程控制结构。采用串行通讯大大减少了布线的数量，无须重新布线即可更改控制功能，可以通过串行接口设置修改变频器的参数。
因为工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般场合是连续作业，故需要使用工控机作为控制器5。
风速传感器4设置在距离风机组风面设定位置处，根据固定传感器风速值估计无人机1处风速值，能够很好地标定飞行测试区域内的风速，为无人机1的抗风性能检测提供了基础环境风速信息。本实施例中，风速传感器4位于第二排风机前方2米处。风速传感器4能够检测风速大小，并将风速大小传送至控制器5，控制器5根据风速大小采用PID控制变频器驱动风机3运转，形成一个闭环控制系统，确保风速大小维持在设定值。
使用测试用的传感器测试不同位置点的风速值，同时记录设定位置处传感器显示的风速值，某一位置点的风速通过数据拟合方法估计得到。
数据拟合方法主要包括以下三种：
1.根据风机的频率测定风速，采用每一频率中参考位置的风速测试，利用多点拟合成频率与风速线性关系，从而利用频率得到该位置点的风速值；
2.采用最小二乘法拟合方法，根据固定传感器风速和测试传感器风速的误差，拟合误差与频率的二次方程关系，结合固定传感器风速值，估计飞行区域内某一位置点的风速；
3.直接采用线性拟合方法根据固定传感器测量的风速值估计出每一个位置的风速值。
三维空间位置实时捕捉单元，包括若干摄像头，均匀分布于实验室本体四周。本实施例中，摄像头共8个，距地面垂直高度8米设置。
因为无人机1需要靠GPS信号自主飞行，为了让室内飞行的无人机1接收GPS信号，三维空间位置实时捕捉单元能够建立室内坐标系，对目标无人机1进行系统建模，实时监测捕捉无人机1在室内运动的轨迹、位置和姿态角。通过三维空间位置实时捕捉单元捕捉无人机1在室内飞行的位置信息，通过坐标系转换转换为大地坐标系，发送给GPS信号源6，就可以产生无人机1飞行定位所需要的GPS导航信息，再由GPS信号源6模拟卫星发射导航信号，供无人机1飞行使用。GPS信号源6能够根据提供的位置信息，模拟GPS卫星运动轨迹，产生无人机1GPS模式下飞行所需的导航信号。
本实施例中，导航信号源位于操作间，信号源天线位于操作间外部，距地面垂直高度2米处。
无人机抗风实验监控平台总体架构包含无人机室内实验视频监控，无人机信息，室内风场信息，当前风速、水平风向、垂直风向数据监控，无人机姿态数据实时显示(水平偏移、垂直偏移、水平标准差、垂直标准差)，悬停精度实时数据三维点云数据实时展示。无人机实时姿态数据通过点云数据传输至平台，平台提供点云SDK解析点云数据获得无人机姿态数据，以3D模型方式展示无人机实时姿态，并将姿态数据存储至数据库。风场信息展示与监控，风场和平台通过MQTT协议通信，平台实时展示风场当前风速、水平方向、垂直方向数据，并且在对应数据后方，可以实时设置对应数据项。
测试抗风性能时，经控制器5控制，驱动风机3产生可控模式和速度的风，模拟自然环境下无人机1所遇到的风场。当无人机1悬空定位时，调节风场强度大小，风场阵风、强风、不同方向风等模式，对无人机1的抗风性能进行一系列的测试。
无人机抗风性能测试流程：
1)在试验场地内距地面2m位置的环境风速进行持续5min的测量，测量室内是否有外界风干扰，若无则可按如下步骤开始试验。
2)指定起降区域将试验样品通电，完成自检，飞至场地内合适位置并自主悬停。
3)试验样品悬停稳定后，以一定的时间间隔幵始对其空间位置进行持续测量和记录，试验样品空间位置坐标记为(xi，yi，zi)，i＝0，1，2，...，n，其中i＝0时为初始位置。
4)使场地内某一方向瞬时风速以一定的变化率增加到规定风速，然后保持1min不变(风速波动范围不大于1m/s)，然后采用阵风或者方向变化的风等不同类型的变化进行测试。
5)根据设定风速下无人机1位置水平偏移、垂直偏移量以及姿态变化量，确定其抗风性能是否合格。
无人机抗风性能合格标准如下：水平偏移最大值、水平标准差最大值；垂直偏移最大值，垂直标准差最大值以及横滚、航向、俯仰姿态变化最大值。
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.无人机抗风性能检测系统，其特征在于，包括：实验室本体，控制器和导航信号源；所述实验室本体内设置由若干风机组成的风机组风面，所述风机组风面通过变频器控制产生风速可调的风场；在距离风机组风面设定位置处设置风速传感器，所述实验室本体内设置三维空间位置实时捕捉单元；所述变频器、风速传感器以及三维空间位置实时捕捉单元分别与控制器进行通信，所述控制器与导航信号源通信。
2.如权利要求1所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，所述三维空间位置实时捕捉单元包括：设置在实验室本体内部的若干摄像头，若干摄像头能够采集到实验室内部各个位置的图像信息。
3.如权利要求1所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，测试不同位置点的风速值，同时记录设定位置处传感器显示的风速值，通过数据拟合估计其他位置点的风速值。
4.如权利要求1所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，三维空间位置实时捕捉单元能够建立室内坐标系，对目标无人机进行系统建模，实时监测捕捉无人机在室内运动的轨迹、位置和姿态角。
5.如权利要求1所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，控制器能够对无人机的状态信息进行处理，获取无人机位置信息，经过坐标转换将位置信息转换到大地坐标系，并发送给GPS信号源；GPS信号源根据大地坐标系下的位置信息，模拟GPS卫星运动轨迹，产生无人机在GPS模式下飞行所需的导航信号。
6.如权利要求1所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，所述风机组中的风机作为一个控制对象，通过总线广播的方式实现同步控制。
7.如权利要求1所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，所述控制器采用两个串口分别连接风速传感器和风机，每个串口采用Modbus协议与挂接的设备通信。
8.如权利要求1所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，还包括：无人机抗风实验监控平台，所述无人机抗风实验监控平台能够实现无人机实验视频监控、实验区域风场信息显示、无人机姿态数据实时显示以及无人机悬停精度三维点云数据实时展示。
9.如权利要求8所述的无人机抗风性能检测系统，其特征在于，无人机实时姿态数据以点云数据形式传输至无人机抗风实验监控平台，无人机抗风实验监控平台提供点云SDK解析点云数据获得无人机姿态数据，以3D模型方式展示无人机实时姿态，并对姿态数据进行存储。
10.一种无人机抗风性能检测方法，其特征在于，包括：
测试抗风性能时，控制器驱动风机产生设定的风场，模拟自然环境下无人机所遇到的风场；
风速传感器实时检测风场的风速，并反馈给控制器，控制器根据接收到的实时风速信息对风机进行PID控制；
当无人机悬空定位时，调节风场强度大小、风向以及风场施加模式，测量无人机的位移变化量，对无人机的抗风性能进行测试。
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 250101 Electric Power Intelligent Robot Production Project 101 in Jinan City, Shandong Province, South of Feiyue Avenue and East of No. 26 Road (ICT Industrial Park) Applicant after: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. Applicant after: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Applicant after: Kunming North tech Industrial Technology Research Institute Co Ltd Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 250101 block B, Yinhe building, 2008 Xinjie street, hi tech Zone, Ji'nan, Shandong. Applicant before: Shandong Luneng Intelligent Technology Co., Ltd. Applicant before: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Applicant before: Kunming North tech Industrial Technology Research Institute Co Ltd Applicant before: State Grid Corporation of China |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20201117 Address after: 250101 Electric Power Intelligent Robot Production Project 101 in Jinan City, Shandong Province, South of Feiyue Avenue and East of No. 26 Road (ICT Industrial Park) Applicant after: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. Applicant after: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Applicant after: KUNMING BIT INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Address before: 250101 Electric Power Intelligent Robot Production Project 101 in Jinan City, Shandong Province, South of Feiyue Avenue and East of No. 26 Road (ICT Industrial Park) Applicant before: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. Applicant before: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Applicant before: KUNMING BIT INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant before: STATE GRID CORPORATION OF CHINA |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190322 |