CN109927934A - 一种多自由度四旋翼无人机姿态测试装置 - Google Patents

Abstract

一种多自由度四旋翼无人机姿态测试装置。其包括框架、外环架、内环架、上底座、下底座、调整座、联轴装置、旋转编码器、直流电机、编码器固定装置和电机固定装置；本发明优点：是一个三自由度的实验平台，可适应不同类型和尺寸的四旋翼无人机，可通过改变调整座的安装高度来实现四旋翼无人机的几何中心与本装置旋转中心间的对准和校正。本装置包括三旋转编码器和个直流电机，可精准地测量四旋翼无人机在运动中真实的横滚、俯仰和偏航角，同时可通过控制直流电机转动来模拟外力扰动，从而对四旋翼无人机飞行过程中的鲁棒性进行验证。有助于人们对四旋翼无人机运动方式和控制规律进行更清晰和安全地观察，从而对四旋翼无人机进行更深入理解和开发。

Description

一种多自由度四旋翼无人机姿态测试装置

技术领域

本发明属于无人机飞行姿态测量装置技术领域，特别是涉及一种多自由度四旋翼无人机姿态测试装置。

背景技术

当前，无人机作为信息化特征显著的新型设备，已经成为军事、农业、电力和环保等行业中不可或缺的重要力量。相对于固定翼无人机，由于旋翼飞行器具有能够垂直起降、空中悬停、低速飞行及机动性好等特性，因此已成为当前无人飞行器发展的一个重要方向。四旋翼无人机作为旋翼飞行器的代表，与其他旋翼飞行器相比结构相对简单，稳定性更好，机动性更高，操控性更佳，因此具有更加广阔的军事和民用前景。

但是，由于四旋翼无人机具有很强的静不稳定性，在四旋翼无人机的开发和研制过程中很容易造成四旋翼无人机的坠机事故，而一架配置完整的四旋翼无人机价格昂贵，因此造成了实验过程中成本的浪费。同时，如果飞行测试过程中四旋翼无人机飞行的轨迹发生突变，其高速旋转的螺旋桨很容易对周围的人群造成伤害。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多自由度四旋翼无人机姿态测试装置。

为了达到上述目的，本发明提供的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置包括：框架、外环架、内环架、上底座、下底座、调整座、联轴装置、旋转编码器、直流电机、编码器固定装置和电机固定装置；其中，框架为设有底板和顶板的正方体形框架，底板的中心处安装有一个旋转编码器，顶板的中心处安装有一个直流电机，并且框架上的旋转编码器与直流电机的输出轴垂直于底板或顶板且同轴设置；外环架为圆环形结构且上下端及左右侧部位共有四个等分点，其中上、下端等分点分别通过一个联轴装置与固定于框架顶板上的直流电机输出轴以及固定于框架底板上的旋转编码器输出轴相连，因此外环架能够绕垂直方向的轴进行转动；左侧等分点处设有一个编码器固定装置，编码器固定装置内设有一个旋转编码器，右侧等分点处设有一个电机固定装置，电机固定装置内设有一个直流电机，并且外环架上的旋转编码器与直流电机的输出轴平行于底板或顶板且同轴设置；内环架与外环架的结构相近，直径小于外环架的直径，设置在外环架的内侧，内环架的左侧和右侧等分点处分别通过一个联轴装置与设置在上述编码器固定装置内的旋转编码器以及设置在电机固定装置内的直流电机输出轴相连接，因此内环架能够绕水平方向的轴进行翻转；内环架的上端等分点处设有一个电机固定装置，电机固定装置内设有一个直流电机且直流电机的输出轴与一个联轴装置的内端相连接，下端等分点处设有一个编码器固定装置，编码器固定装置内设有一个旋转编码器且旋转编码器的输出轴上也与一个联轴装置的内端相连接；调整座为L形板状结构，一侧面上形成有多条竖向滑槽轨道，内环架上每个联轴装置的外端分别以能够沿竖向滑槽轨道滑动的方式固定在一个调整座上的竖向滑槽轨道内；两个调整座的另一侧面分别连接在下底座的两端；下底座呈板状；上底座也呈板状，以可拆卸的方式固定在下底座的一侧面中部，外表面用于固定四旋翼无人机。

所述的联轴装置的一端为套筒式结构且与旋转编码器或直流电机的输出轴通过顶丝连接，另一端为带孔的平面或L形板且与外环架、内环架或调整座上的竖向滑槽轨道通过螺栓螺母固定。

所述的下底座由位于中部的矩形固定环和连接在矩形固定环上两个相对侧边上的两个连接板构成，连接板的外端与调整座的外端通过螺栓螺母固定，矩形固定环的每条边中部形成有多个底座定位孔。

所述的上底座为矩形环状，四角处分别向内突出形成有一块支撑板，支撑板上形成有多个四旋翼无人机机臂定位孔，每条边的中部形成有多个与下底座5上底座定位孔相对应的底座定位孔。

本发明提供的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置具有如下优点：

本发明提供的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置是一个三自由度的实验平台，该装置可适应不同类型和尺寸的四旋翼无人机，并且可通过改变调整座的安装高度来实现四旋翼无人机的几何中心与本装置旋转中心之间的对准和校正。另外，本装置包括三个旋转编码器和三个直流电机，可精准地测量四旋翼无人机在运动中真实的横滚、俯仰和偏航角，同时可以通过控制直流电机的转动来模拟外力扰动，从而可对四旋翼无人机飞行过程中的鲁棒性进行验证。本装置有助于人们对四旋翼无人机的运动方式和控制规律进行更清晰和安全地观察，从而对四旋翼无人机进行更深入的理解和开发。

附图说明

图1是本发明提供的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置主体结构示意图；

图2是本发明提供的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置中部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置包括：框架1、外环架2、内环架3、上底座4、下底座5、调整座6、联轴装置7、旋转编码器8、直流电机9、编码器固定装置10和电机固定装置11；其中，框架1为设有底板和顶板的正方体形框架，底板的中心处安装有一个旋转编码器8，顶板的中心处安装有一个直流电机9，并且框架1上的旋转编码器8与直流电机9的输出轴垂直于底板或顶板且同轴设置；外环架2为圆环形结构且上下端及左右侧部位共有四个等分点，其中上、下端等分点分别通过一个联轴装置7与固定于框架1顶板上的直流电机9输出轴以及固定于框架1底板上的旋转编码器8输出轴相连，因此外环架2能够绕垂直方向的轴进行转动；左侧等分点处设有一个编码器固定装置10，编码器固定装置10内设有一个旋转编码器8，右侧等分点处设有一个电机固定装置11，电机固定装置11内设有一个直流电机9，并且外环架2上的旋转编码器8与直流电机9的输出轴平行于底板或顶板且同轴设置；内环架3与外环架2的结构相近，直径小于外环架2的直径，设置在外环架2的内侧，内环架3的左侧和右侧等分点处分别通过一个联轴装置7与设置在上述编码器固定装置10内的旋转编码器8以及设置在电机固定装置11内的直流电机9输出轴相连接，因此内环架3能够绕水平方向的轴进行翻转；内环架3的上端等分点处设有一个电机固定装置11，电机固定装置11内设有一个直流电机9且直流电机9的输出轴与一个联轴装置7的内端相连接，下端等分点处设有一个编码器固定装置10，编码器固定装置10内设有一个旋转编码器8且旋转编码器8的输出轴上也与一个联轴装置7的内端相连接；调整座6为L形板状结构，一侧面上形成有多条竖向滑槽轨道，内环架3上每个联轴装置7的外端分别以能够沿竖向滑槽轨道滑动的方式固定在一个调整座6上的竖向滑槽轨道内；两个调整座6的另一侧面分别连接在下底座5的两端；下底座5呈板状；上底座4也呈板状，以可拆卸的方式固定在下底座5的一侧面中部，外表面用于固定四旋翼无人机。

所述的联轴装置7的一端为套筒式结构且与旋转编码器8或直流电机9的输出轴通过顶丝连接，另一端为带孔的平面或L形板且与外环架2、内环架3或调整座6上的竖向滑槽轨道通过螺栓螺母固定。

所述的下底座5由位于中部的矩形固定环和连接在矩形固定环上两个相对侧边上的两个连接板构成，连接板的外端与调整座6的外端通过螺栓螺母固定，矩形固定环的每条边中部形成有多个底座定位孔。

所述的上底座4为矩形环状，四角处分别向内突出形成有一块支撑板12，支撑板12上形成有多个四旋翼无人机机臂定位孔13，每条边的中部形成有多个与下底座5上底座定位孔相对应的底座定位孔14。

现将本发明提供的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置使用方法阐述如下：首先由操作人员根据四旋翼无人机的型号和尺寸在上底座4上选择合适位置的四旋翼无人机机臂定位孔13，然后将尼龙扎带穿过此四旋翼无人机机臂定位孔13和机臂而将四旋翼无人机固定在上底座4的中心；之后利用螺栓穿过上底座4上的底座定位孔14以及下底座5上相应的底座定位孔而将安装有四旋翼无人机的上底座4固定于下底座5的中部。然后拧松用于固定调整座6和联轴装置7相对位置的螺栓，调整上底座4和下底座5相对于内环架3所在平面的距离，使四旋翼无人机的几何中心与本装置的旋转中心重合，拧紧连接调整座6和联轴装置7的螺栓使其相对位置固定，调整完毕。启动四旋翼无人机，使其手动或自主飞行，在飞行过程中，外环架2和内环架3都将进行旋转，外环架2旋转时将带动位于框架1上的直流电机9和旋转编码器8的输出轴同步转动，内环架3旋转时将带动位于外环架2上的旋转编码器8和直流电机9的输出轴同步转动，上底座4、下底座5及四旋翼无人机旋转时将带动内环架3上的旋转编码器8和直流电机9的输出轴同步转动；同时可根据实验的要求来选择是否使用直流电机9来模拟四旋翼无人机飞行过程中的外力扰动；同时通过三个旋转编码器8精准测量四旋翼无人机在运动中真实的横滚、俯仰或偏航角在内的飞行姿态数据并保存；通过分析三个旋转编码器8采集的数据和三个直流电机9输出的干扰力度可验证四旋翼无人机飞行过程中的鲁棒性，并且能够更清晰、更安全地观察四旋翼无人机的运动方式和控制规律。最后关闭四旋翼无人机，剪断连接机臂和上底座4的尼龙扎带，取下四旋翼无人机并关闭本装置的电源，完成实验过程。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种多自由度四旋翼无人机姿态测试装置，其特征在于：所述的装置包括：框架(1)、外环架(2)、内环架(3)、上底座(4)、下底座(5)、调整座(6)、联轴装置(7)、旋转编码器(8)、直流电机(9)、编码器固定装置(10)和电机固定装置(11)；其中，框架(1)为设有底板和顶板的正方体形框架，底板的中心处安装有一个旋转编码器(8)，顶板的中心处安装有一个直流电机(9)，并且框架(1)上的旋转编码器(8)与直流电机(9)的输出轴垂直于底板或顶板且同轴设置；外环架(2)为圆环形结构且上下端及左右侧部位共有四个等分点，其中上、下端等分点分别通过一个联轴装置(7)与固定于框架(1)顶板上的直流电机(9)输出轴以及固定于框架(1)底板上的旋转编码器(8)输出轴相连，因此外环架(2)能够绕垂直方向的轴进行转动；左侧等分点处设有一个编码器固定装置(10)，编码器固定装置(10)内设有一个旋转编码器(8)，右侧等分点处设有一个电机固定装置(11)，电机固定装置(11)内设有一个直流电机(9)，并且外环架(2)上的旋转编码器(8)与直流电机(9)的输出轴平行于底板或顶板且同轴设置；内环架(3)与外环架(2)的结构相近，直径小于外环架(2)的直径，设置在外环架(2)的内侧，内环架(3)的左侧和右侧等分点处分别通过一个联轴装置(7)与设置在上述编码器固定装置(10)内的旋转编码器(8)以及设置在电机固定装置(11)内的直流电机(9)输出轴相连接，因此内环架(3)能够绕水平方向的轴进行翻转；内环架(3)的上端等分点处设有一个电机固定装置(11)，电机固定装置(11)内设有一个直流电机(9)且直流电机(9)的输出轴与一个联轴装置(7)的内端相连接，下端等分点处设有一个编码器固定装置(10)，编码器固定装置(10)内设有一个旋转编码器(8)且旋转编码器(8)的输出轴上也与一个联轴装置(7)的内端相连接；调整座(6)为L形板状结构，一侧面上形成有多条竖向滑槽轨道，内环架(3)上每个联轴装置(7)的外端分别以能够沿竖向滑槽轨道滑动的方式固定在一个调整座(6)上的竖向滑槽轨道内；两个调整座(6)的另一侧面分别连接在下底座(5)的两端；下底座(5)呈板状；上底座(4)也呈板状，以可拆卸的方式固定在下底座(5)的一侧面中部，外表面用于固定四旋翼无人机。

2.根据权利要求1所述的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置，其特征在于：所述的联轴装置(7)的一端为套筒式结构且与旋转编码器(8)或直流电机(9)的输出轴通过顶丝连接，另一端为带孔的平面或L形板且与外环架(2)、内环架(3)或调整座(6)上的竖向滑槽轨道通过螺栓螺母固定。

3.根据权利要求1所述的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置，其特征在于：所述的下底座(5)由位于中部的矩形固定环和连接在矩形固定环上两个相对侧边上的两个连接板构成，连接板的外端与调整座(6)的外端通过螺栓螺母固定，矩形固定环的每条边中部形成有多个底座定位孔。

4.根据权利要求1所述的多自由度四旋翼无人机姿态测试装置，其特征在于：所述的上底座(4)为矩形环状，四角处分别向内突出形成有一块支撑板(12)，支撑板(12)上形成有多个四旋翼无人机机臂定位孔(13)，每条边的中部形成有多个与下底座(5)上底座定位孔相对应的底座定位孔(14)。