CN113212797B - 一种无人机调试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机调试装置及方法，包括支撑架、连接轴和机身，支撑架固定在地面上且与连接轴的一端固定连接，另一端与机身转动连接，机身底部离开地面设定距离；机身具有主梁，主梁下部空间依次设置相互平行的飞控架、连接桁架、中桁架和下桁架；机身上安装螺旋桨、控制模块和信号收发模块，通过地面模块与信号收发模块的通讯改变机身的飞行状态实现调试。确保无人机与支撑架之间可以做滚转方向的运动，有利于无人机的调试，即使无人机出现滞后现象，或指令数据误差较大时也不会坠机，确保了无人机调试时的安全，有利于无人机的维护。

Description

一种无人机调试装置及方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种无人机调试装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

无人机执行飞行任务过程中根据自身携带的传感器来判断无人机本体所处的空间位置，即俯仰角、偏航角和公转角，根据无人机自身的姿态，下命令给执行机构，使无人机处在可控的状态，这种机制被称为PID的调整；PID的调整是无人机飞行控制中最关键的一步，在无人机执行飞行任务之前要对无人机的PID控制过程进行调试。

在无人机调试中，如果PID数据不合理，其输出的控制参数会有滞后，从而导致无人机坠机，无法保证无人机安全。

现有的技术中，无人机的调试有两种方式，一是采用空旷地带进行试飞调整，此种方式仍然存在PID数据调试不合理导致的无人机坠机问题；二是采用飞行模拟器进行无人机模拟飞行，通过在计算机上模拟飞行来获取飞行数据再进行调整；这种仿真式模拟飞行，与实际飞行中会存在误差，并且调试过程复杂，调试周期过长，影响无人机的调试效率；同时仿真模拟飞行进行调试的方式，还需要相对较高的硬件和软件成本。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种无人机调试装置及方法，将无人机调试过程所需的电机、螺旋桨、控制模块等子系统集成在多层结构的机身上，再利用固定在地面上的支撑架使机身悬空在地面上方，并利用连接轴和轴承使机身能够实现滚转运动，配合目视和PID调试完成无人机的调试过程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种无人机调试装置，包括支撑架、连接轴和机身，支撑架固定在地面上且与连接轴的一端固定连接，另一端与机身转动连接，机身底部离开地面设定距离；机身具有主梁，主梁下部空间依次设置相互平行的飞控架、连接桁架、中桁架和下桁架；机身上安装螺旋桨、控制模块和信号收发模块，通过地面模块与信号收发模块的通讯改变机身的飞行状态实现调试。

支撑架包括水平放置的底座和垂直架，垂直架固定安装在底座中部，垂直架上部固定连接有连接轴，连接轴远离垂直架的一端与机身转动连接。

垂直架两侧均设置有倾斜支架，倾斜支架一端与垂直架固定连接，另一端与底座固定连接。

垂直架下部固定连接有连接架，连接架与底座平行，连接架两端分别与对应的倾斜支架固定连接。

机身具有主梁，主梁两端固定安装有电机座，电机座安装有电机，电机输出端连接螺旋桨。

主梁下侧具有飞控架，飞控架两端与机身固定连接，飞控架中部具有飞控平台。

飞控架下侧具有连接桁架，连接桁架中部具有轴承座，轴承座通过轴承与连接轴转动连接。

连接桁架下侧具有中桁架，中桁架下侧具有下桁架，下桁架位于机身最底部一层，下桁架中部具有电池，电池与电机电性连接。

本发明的第二个方面提供基于上述装置实现调试的方法，包括以下步骤：

安装支撑架、连接轴和机身，通电测试；

通过地面模块对机身发出飞行指令形成俯仰角，控制模块捕捉机身的飞行姿态，生成飞行仰角数据，通过信号收发模块传回地面模块；地面模块接收实时飞行数据生成飞行姿态曲线，在同一坐标系内生成指令控制曲线；

观察机身的动作与有无滞后现象，若出现滞后，修改电机驱动参数，直至无人机无滞后现象。

通过地面模块观察飞行姿态曲线与指令控制曲线状态，两个曲线发生偏离时为无人机指令响应滞后，调整飞行姿态曲线与指令控制曲线重合，完成调试。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、支撑架与地面固定，机身与支撑架之间做滚转方向的运动，机身上集成了无人机调试过程所需的电机、螺旋桨、电池、控制模块及信号收发模块，当无人机出现飞行状态滞后时，不会坠机，确保无人机调试时的安全，有利于无人机的维护。

2、通过地面站显示器和PID的方式对无人机进行调整，直至飞机无明显滞后现象，且飞行姿态曲线与命令控制曲线重合，完成调试，调试过程简单，无人机第一次飞行即可完成调试，调试成本低。

3、调试数据可控，通过观察无人机动作状态进行粗调，利用曲线数据进行细调，调试周期较短，节约时间，有利于提高无人机的调试效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的侧视结构示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的机身结构示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的机身下桁架局部结构示意图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的主梁、电机和螺旋桨的连接结构示意图；

图中：1、支撑架；11、底座；12、垂直架；13、支架；14、连接架；2、连接轴；3、机身；31、下桁架；311、动力电池；32、中桁架；33、连接桁架；331、轴承座；34、飞控架；341、飞控平台；35、主梁；351、电机座；352、电机；353、螺旋桨。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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。

实施例一：

如图1-5所示，一种无人机调试装置，包括支撑架1、连接轴2和机身3，支撑架1固定在地面上且与连接轴2的一端固定连接，另一端与机身3转动连接，机身3底部离开地面设定距离；机身3上安装螺旋桨353、控制模块和信号收发模块，通过地面模块与信号收发模块的通讯实现机身3的飞行状态调试。

支撑架1包括水平放置的底座11和垂直架12，垂直架12固定安装在底座11中部，本实施例中底座11为布置在地面上的框架结构，垂直架12与底座11相互垂直，垂直架12为矩形框架，端面与底座11的中部连接；垂直架12上部固定连接有连接轴2，连接轴2远离垂直架12的一端与机身3转动连接；

垂直架12两侧均设置有支架13，支架13倾斜设置，支架13一端与垂直架12固定连接，支架13另一端与底座11固定连接。

垂直架12内下部固定连接有连接架14，连接架14两端分别与对应的支架13固定连接。

机身3具有主梁35，主梁35两端固定安装有电机座351，电机座351上下两侧均安装有电机352，电机352输出端安装有螺旋桨353。

主梁35下部空间依次设置飞控架34、连接桁架33、中桁架32和下桁架31，主梁35、飞控架34、连接桁架33、中桁架32和下桁架31相互平行，且两端均与机身3连接。

本实施例中，机身3为两组纵向且平行布置的框架，两组框架之间由上至下依次布置主梁35、飞控架34、连接桁架33、中桁架32和下桁架31，形成连接在一起的多层结构，最顶部一层的主梁35两端通过电机座351安装电机352，电机352的输出端安装有螺旋桨353。

主梁35下侧布置飞控架34，飞控架34两端与机身3固定连接，飞控架34上端中部固定连接有飞控平台341。飞控架34位于第二层，中部具有的飞控平台341用于安装控制机身3飞行状态的控制器和接收飞行指令以及反馈飞行状态的信号收发模块。

飞控架34下侧布置连接桁架33，连接桁架33中部具有轴承座331，轴承座331通过轴承与连接轴2转动连接。连接桁架33为第三层，位于机身3垂直方向的中部，该层设置轴承座与连接轴2转动连接，确保整个机身3与支撑架1之间的滚转方向的运动稳定。

连接桁架33下侧布置中桁架32，中桁架32为预留的一层，用于安装不同调试过程所需的设备，例如对携带某种检测设备(可以为摄像头、相机、红外线热像仪等任意设备)的机身3进行飞行状态调试时，中桁架32一层安装该检测设备。

中桁架32下侧布置下桁架31，下桁架31中部固定安装有动力电池311，动力电池311与电机352电性连接。下桁架31位于机身3最底部一层，本实施例安装了电池，由于飞行状态调试过程通常需要持续很久，因此电池的容量相较于无人机携带的电池容量大很多，则具有更大的重量，处于机身3稳定性的考虑，将调试过程所需的电池布置在机身3最底部一层的下桁架31中部。

上述结构，通过连接轴2将机身3与支撑架1转动连接，使支撑架与地面固定，确保机身3与支撑架之间可以做滚转方向的运动，而机身3上集成了无人机调试过程所需的电机、螺旋桨、电池、控制模块及信号收发模块，功能上与待调试的无人机一致，有利于无人机的调试，即使无人机出现滞后现象，或数据误差较大时，由于机身3悬浮在地面上面一定距离，则不会坠机，确保了无人机调试时的安全，有利于无人机的维护。

桁架设计为多层结构有如下考虑：一是为了避免应力集中，造成结构损坏。二调整整个结构的质心位置，控制滚转惯量。三是一部分电子设备有电池干扰，需要适当拉开距离。

多层桁架从上往下第一层设置飞控平台，飞控平台安装的原则是尽量位于重心附件；第二层是安装固定轴承，整个无人沿轴承轴向做俯仰运动；第三层与第四层都是电池，电池重量较大可以降低重心，确保整个桁架的稳定性。

无人机调试数据可控，通过观察无人机(机身3)动作状态进行粗调，利用曲线数据进行细调，调试周期较短，短时间内就可以把俯仰角的PID的每个参数调整完成，节约了大量的时间，有利于提高无人机的调试效率。

实施例二：

一种无人机调试方法，基于实施例一种提出的装置来实现，包括以下步骤：

安装支撑架1、连接轴2和机身3，通电测试；

通过地面模块对机身3发出飞行指令形成俯仰角，控制模块捕捉机身3的飞行姿态，生成飞行仰角数据，通过信号收发模块传回地面模块；地面模块接收实时飞行数据生成飞行姿态曲线，在同一坐标系内生成指令控制曲线；

观察机身3的动作与有无滞后现象，若出现滞后，修改电机352的驱动参数，直至无人机无滞后现象。

通过地面模块观察飞行姿态曲线与指令控制曲线状态，当两个曲线发生偏离时，采用PID的方式调整机身3至无滞后现象，飞行姿态曲线与指令控制曲线重合，完成调试。

调试装置的安装过程如下：

步骤一：通过固定螺栓将底座11固定在地面上，依次安装垂直架12、支架13和连接架14，完成支撑架1的安装固定；

步骤二：将控制模块和信号收发模块安装在机身3的飞控架34上，通过电线将其与动力电池311接通，同时完成电机352和螺旋桨353的安装，将机身3各部结构安装完成；

步骤三：通过U形螺栓将连接轴2一端固定在垂直架12上，将连接轴2固定，通过轴承将连接轴2的另一端安装在轴承座331内，通过固定螺栓将轴承座331固定在连接桁架33上，从而完成装置的安装；

步骤四：将所有的无人机子系统组装到无人机上，组装完成后，确保无人机与支撑架1之间可以做滚转方向(滚转是指飞机绕机体坐标系纵轴的旋转运动，又称“侧倾”；纵轴通过飞机质心在飞机对称平面内垂直于竖轴；滚转运动参数主要有滚转角、倾斜角、坡度、滚转角速度和滚转角加速度)的运动，准备通电调试。

调试过程如下：

(1)将无人机全机通电，检查电子系统就是和电子控制相关的通电状况，确保完全通电，各指示灯正常；

(2)给电机352上电，对进行电机352试运转，检查控制系统和动力系统之间安全和稳定；

(3)开始无人机整体测，通过地面站对无人机发出飞行指令，使飞机进行俯倾斜，形成俯仰角，飞控对无人机飞行姿态进行捕捉，同时生成飞行仰角数据，并通过无人机通讯系统传回地面站，地面站通过飞控传回无人机实时飞行数据，并在显示上呈现生成的曲线图，即飞行姿态曲线，在同一坐标系内，通过命令控制数据生成另一曲线，即命令控制曲线。

(4)观察支撑架上无人机飞行动作与有无明显滞后现象，若出现明显滞后现象，对电机352的驱动程序参数进行修改，以改变电机352的加速度，直至无人机无明显滞后现象。

(5)通过地面站显示器观察飞行姿态曲线与命令控制曲线状态，当两个曲线发生明显偏离时，通过实时接收到的数据，采用PID的方式对无人机进行调整，直至飞机无明显滞后现象，飞行姿态曲线与命令控制曲线重合，完成调试。

通过地面模块的显示器观察飞行姿态曲线与命令控制曲线状态，当两个曲线发生明显偏离时，通过实时接收到的数据，采用PID的方式对无人机进行调整，直至飞机无明显滞后现象，飞行姿态曲线与命令控制曲线重合，完成调试，基本上没有风险，便于无人机最真实的一个状态，通过调试确保无人机的第一次飞行状态即调试状态，调试过程简单，调试成本较低；

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机调试装置，其特征在于：包括支撑架、连接轴和机身，支撑架固定在地面上且与连接轴的一端固定连接，另一端与机身转动连接，机身底部离开地面设定距离；机身具有主梁，主梁下部空间依次设置相互平行的飞控架、连接桁架、中桁架和下桁架；机身上安装螺旋桨、控制模块和信号收发模块，通过地面模块与信号收发模块的通讯改变机身的飞行状态实现调试；

机身为两组纵向且平行布置的框架，两组框架之间由上至下依次布置主梁、飞控架、连接桁架、中桁架和下桁架，形成连接在一起的多层结构；最顶部一层的主梁两端通过电机座连接电机，电机的输出端连接螺旋桨；连接桁架中部具有轴承座，轴承座通过轴承与连接轴转动连接；下桁架位于最底部一层，中部具有电池，电池与电机电性连接；

地面模块对机身发出飞行指令形成俯仰角，控制模块捕捉机身的飞行姿态，生成飞行仰角数据，通过信号收发模块传回地面模块，地面模块接收实时飞行数据生成飞行姿态曲线，在同一坐标系内生成指令控制曲线；

若机身的动作出现滞后，修改电机的驱动参数，直至无人机无滞后现象；通过地面模块观察飞行姿态曲线与指令控制曲线状态，当两个曲线发生偏离时，采用PID的方式调整机身至无滞后现象，飞行姿态曲线与指令控制曲线重合，完成调试。

2.如权利要求1所述的一种无人机调试装置，其特征在于：所述支撑架包括水平放置的底座和垂直架，垂直架固定安装在底座中部，垂直架上部固定连接有连接轴，连接轴远离垂直架的一端与机身转动连接。

3.如权利要求2所述的一种无人机调试装置，其特征在于：所述垂直架两侧均设置有倾斜支架，倾斜支架一端与垂直架固定连接，另一端与底座固定连接。

4.如权利要求3所述的一种无人机调试装置，其特征在于：所述垂直架下部固定连接有连接架，连接架与底座平行，连接架两端分别与对应的倾斜支架固定连接。

5.如权利要求1所述的一种无人机调试装置，其特征在于：所述主梁下侧具有飞控架，飞控架两端与机身固定连接，飞控架中部具有飞控平台。

6.如权利要求5所述的一种无人机调试装置，其特征在于：所述飞控架下侧具有连接桁架。

7.如权利要求6所述的一种无人机调试装置，其特征在于：所述连接桁架下侧具有中桁架，中桁架下侧具有下桁架。

8.一种基于权利要求1所述装置实现无人机调试的方法，其特征在于：包括以下步骤：

安装支撑架、连接轴和机身，通电测试；

通过地面模块对机身发出飞行指令形成俯仰角，控制模块捕捉机身的飞行姿态，生成飞行仰角数据，通过信号收发模块传回地面模块；地面模块接收实时飞行数据生成飞行姿态曲线，在同一坐标系内生成指令控制曲线；

观察机身的动作与有无滞后现象，若出现滞后，修改电机驱动参数，直至无人机无滞后现象；

通过地面模块观察飞行姿态曲线与指令控制曲线状态，两个曲线发生偏离时为无人机指令响应滞后，调整飞行姿态曲线与指令控制曲线重合，完成调试。

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