CN114261525B - 一种舵面偏转控制与测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种舵面偏转控制与测量系统及方法。所述系统包括上位机和至少一个舵面偏转角度测量装置，该装置包括固设件、重力摆件、旋转轴、旋转电位计和处理器单元，固设件设于水平放置的目标舵面的后缘处，通过旋转轴与重力摆件铰接；上位机基于飞控机和舵机实现对目标舵面的偏转控制，舵机基于飞控机将位置反馈信号发至上位机；旋转电位计在上位机完成对目标舵面的一次偏转控制操作后且重力摆件恢复静止时将旋转轴的旋转角度转换为电压信号；处理器单元基于电压信号获取目标舵面的实际偏转角度并上传至上位机。根据本发明，能够解决现有大型无人机或者有人机水平放置舵面偏转角度测量方式存在的精度不足、实施复杂和需要多人配合完成的问题。

Description

一种舵面偏转控制与测量系统及方法

技术领域

本发明属于舵面角度测量与标定领域，更具体地，涉及一种舵面偏转控制与测量系统及方法。

背景技术

舵面偏转角度测量与标定作为飞行控制领域重要环节之一，其效果优劣直接关系舵面实际偏转量与指令角度的偏差，对飞行器飞行性能产生直接影响，带来控制精度降低甚至造成飞行安全问题。一般舵面偏转角度可从舵机的角度测量传感器上体现出来，但多数情况下，舵机与舵面依靠连杆、齿轮等机械方式连接，不可避免带来间隙及传动关系的变化，舵机反馈角度难以真实反映实际舵面角度偏转情况，因此对舵面偏转角度的测量具有重要意义。

传统舵面角度测量设备主要分为机械式和电子式。机械式主要有两种形式，一种利用重力作用，舵面偏转时活动部件因重力作用始终朝下，变化角度差值即为舵面实际偏转角度；另一种为距离测量式，测量舵面后缘标记点的距离变化，在已知舵面转动半径情况下，计算舵面实际偏转角度；这些测试手段较为简便，但测量精度不足，需要人员辅助读数并计算，效率较低。电子式则利用现代电气电子设备进行测量，其一利用高精度角度测量仪器测量角度；其二采用高精度视觉测量手段；测量精度得到很大提高，但存在前期准备工作较为繁琐，设备需要定期标定，同时对使用人员具有一定操作要求等缺点。

舵面标定涉及机载飞控机发送舵机指令，舵面实际角度读取并记录等过程，对大型无人机，其翼展的大尺寸带来舵面位置远离机载设备端，导致指令发送与舵面角度读取往往需要不同人员分别进行，大大降低舵面标定及测试的效率。

为避免机械式测量方式中读数引入的额外误差、提高测量效率，同时尽可能将电子式测量方式的前期准备工作简化，做到便携实用，需要提出并设计一种舵面角度测量与标定系统，在达到方便实用、角度测量精度满足要求的同时，将所需人员数量降到最低，极大提高舵面标定及测试的效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种舵面偏转控制与测量系统及方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种舵面偏转控制与测量系统，该系统包括上位机和至少一个舵面偏转角度测量装置；

所述舵面偏转角度测量装置用于测量对应的飞行器的目标舵面的实际偏转角度；

所述飞行器的舵面控制回路中包括飞控机、舵机和舵面；

所述舵面偏转角度测量装置包括固设件、重力摆件、旋转轴、旋转电位计和处理器单元；

所述固设件设置在水平放置的所述目标舵面的后缘处，并通过所述旋转轴与所述重力摆件实现铰接；

所述上位机基于所述飞控机和所述舵机实现对所述目标舵面的偏转控制，所述舵机基于所述飞控机将自身产生的位置反馈信号发送至所述上位机；

所述旋转电位计用于在所述上位机完成对所述目标舵面的一次偏转控制操作后，且所述重力摆件恢复静止状态时，将所述旋转轴的旋转角度以电压信号的方式体现；

所述处理器单元用于基于所述电压信号获取所述目标舵面的实际偏转角度，并将所述实际偏转角度以无线方式传至所述上位机。

作为优选的是，所述固设件为夹持件，所述固设件的外接端超出所述目标舵面的后缘。

作为优选的是，所述重力摆件为扇形，所述重力摆件的小端通过所述旋转轴与所述固设件的外接端铰接设置。

作为优选的是，所述处理器单元包括数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、数据发送模块和壳体；

所述数据采集模块用于采集所述旋转电位计输出的电压信号；

所述数据处理模块用于将采集到的电压信号转换为所述实际偏转角度；

所述数据显示模块用于对所述实际偏转角度进行原位显示；

所述数据发送模块用于将所述实际偏转角度以无线方式发送至所述上位机；

所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述数据显示模块和所述数据发送模块基于所述壳体实现在物理空间上的集成设置。

作为优选的是，所述处理器单元还包括电池和电源管理模块；

所述电池和所述电源管理模块均设置在所述壳体内；

所述电池基于所述电源管理模块为所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述数据显示模块和所述数据发送模块供电。

作为优选的是，在所述壳体的显示及控制面板上设置有电源开关按钮；

所述电源开关按钮用于开启或者关闭所述电源管理模块。

作为优选的是，在所述壳体的显示及控制面板上还设置有置零按钮；

所述置零按钮用于向所述数据处理模块输入角度置零指令。

作为优选的是，所述处理器单元设置在所述固设件的顶面上。

根据本发明的第二方面，提供了一种舵面偏转控制与测量方法，该方法基于上述任一种舵面偏转控制与测量系统实现，具体包括以下步骤：

将所述目标舵面水平放置，并对所述处理器单元进行角度置零；

所述上位机向所述飞控机发送舵面偏转控制指令；

所述飞控机根据所述舵面偏转控制指令并通过所述舵机对所述目标舵面进行相应的偏转控制；

所述舵机基于所述飞控机将自身产生的位置反馈信号发送至所述上位机；

所述旋转电位计在所述重力摆件恢复静止状态时将所述旋转轴的旋转角度以相应的电压信号体现；

所述处理器单元基于所述电压信号获取所述目标舵面的实际偏转角度，并将所述实际偏转角度上传至所述上位机。

作为优选的是，所述舵面偏转控制与测量方法还包括：

所述上位机基于所述舵面偏转控制指令、所述位置反馈信号和所述实际偏转角度对所述目标舵面进行标定。

本发明的有益效果在于：

本发明的舵面偏转控制与测量系统，舵面偏转角度测量装置通过无线方式将角度测量信息传输至地面上位机，实现舵面控制、偏转角度测量、角度信息显示与传输等一系列过程的信息闭环，仅需一人操作即可完成所有控制与测量工作。其中舵面偏转角度测量装置利用物体重力始终竖直向下的原理，舵面偏转时，固定在舵面上的舵面偏转角度测量装置的重力摆件始终竖直向下，其绕轴旋转角度即舵面偏转角度值；旋转轴处通过电位计测量角度值，电位计具有精度高、测量范围广、方便使用等优势。该系统无需复杂设备及多人员协同完成，也可实现舵面偏转角度的测量与信息传输，具有较强的可操作性与工程实用性。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的实施例的安装于舵面后缘的舵面偏转角度测量装置的结构示意图，其中：

1为固设件，2为重力摆件，3为旋转电位计，4为壳体，5为数据显示模块，6为电源开关按钮，7为置零按钮；

图2示出了根据本发明的实施例的一对一模式下的舵面偏转控制与测量系统的工作原理图；

图3示出了根据本发明的实施例的一对多模式下的舵面偏转控制与测量系统的工作原理图；

图4示出了根据本发明的实施例的舵面偏转控制与测量方法的实现流程图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例：图1示出了本发明实施例的安装于舵面后缘的舵面偏转角度测量装置的结构示意图。参照图1，本发明实施例的舵面偏转控制与测量系统包括上位机和至少一个舵面偏转角度测量装置；

所述舵面偏转角度测量装置用于测量对应的飞行器的目标舵面的实际偏转角度；

所述飞行器的舵面控制回路中包括飞控机、舵机与舵面；

所述舵面偏转角度测量装置包括固设件、重力摆件、旋转轴、旋转电位计和处理器单元；

所述固设件设置在水平放置的所述目标舵面的后缘处，并通过所述旋转轴与所述重力摆件实现铰接；

所述上位机基于所述飞控机和所述舵机实现对所述目标舵面的偏转控制，所述舵机基于所述飞控机将自身产生的位置反馈信号发送至所述上位机；

所述旋转电位计用于在所述上位机完成对所述目标舵面的一次偏转控制操作后且所述重力摆件恢复静止状态时，将所述旋转轴的旋转角度以相应的电压信号体现；

所述处理器单元用于基于所述电压信号获取所述目标舵面的实际偏转角度，并将所述实际偏转角度上传至所述上位机。

具体地，本发明实施例中，目标舵面所在翼段需要水平放置，重力摆件与固设件通过旋转轴转动连接。舵面偏转角度测量装置基于物体重力方向始终竖直向下的原理，同时在旋转轴一端使用旋转电位计进行角度测量，避免了传统方式中读取数据引入的人为误差，并可直接测量角度值。

进一步地，本发明实施例中，所述固设件为夹持件，所述固设件的外接端超出所述目标舵面的后缘。

再进一步地，本发明实施例中，所述重力摆件为扇形，所述重力摆件的小端通过所述旋转轴与所述固设件的外接端铰接设置。

再进一步地，本发明实施例中，所述处理器单元包括数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、数据发送模块和壳体；

所述数据采集模块用于采集所述旋转电位计输出的电压信号；

所述数据处理模块用于将采集到的电压信号转换为所述实际偏转角度；

所述数据显示模块用于对所述实际偏转角度进行原位显示；

所述数据发送模块用于将所述实际偏转角度以无线方式发送至所述上位机；

所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述数据显示模块和所述数据发送模块基于所述壳体实现在物理空间上的集成设置。

具体地，本发明实施例中，在数据处理模块计算获得目标舵面的实际偏转角度后，不仅能够通过数据显示模块实现目标舵面实际偏转角度的现场实时显示，也可通过数据发送模块将目标舵面实际偏转角度无线传输至上位机，只需将上位机设置在数据发送模块的无线覆盖范围内即可。

再进一步地，本发明实施例中，所述处理器单元还包括电池和电源管理模块；

所述电池和所述电源管理模块均设置在所述壳体内；

所述电池基于所述电源管理模块为所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述数据显示模块和所述数据发送模块供电。

具体地，本发明实施例中，舵面偏转角度测量装置的处理器单元采用可循环使用电池，无需单独供电，不受场地和供电状况的影响。本发明实施例的舵面偏转控制与测量系统在大型无人机/有人机上的水平舵面使用具有突出优势，能够有效解决舵面偏转角度测量因空间距离带来附加的供电和布设通信线缆的问题，简便高效。

再进一步地，本发明实施例中，在所述壳体的显示及控制面板上设置有电源开关按钮；

所述电源开关按钮用于开启或者关闭所述电源管理模块。

再进一步地，本发明实施例中，在所述壳体的显示及控制面板上还设置有置零按钮；

所述置零按钮用于向所述数据处理模块输入角度置零指令。

具体地，本发明实施例中，舵面偏转角度测量装置可在舵面基准位置进行“置零”，从而获取角度为实际位置与基准位置的角度差，便于直观分析舵面指令与实际偏转角度之间关系。

再进一步地，本发明实施例中，所述处理器单元设置在所述固设件的顶面上。

在本发明实施例提出的舵面偏转控制与测量系统的基础上，本发明实施例还相应地提出了一种舵面偏转控制与测量方法。

本发明实施例的舵面偏转控制与测量系统的工作原理为：

扇形重力摆件可绕旋转轴旋转，舵面偏转时，在重力作用下扇形重力摆件始终竖直向下，在旋转轴处采用电位计进行信号采集，经处理后显示角度，同时通过无线将相关数据信息发出。地面上位机端在给飞控机发送舵机指令的同时，也可通过无线接收舵面测量角度信息，实现舵面控制与测量的便捷高效。

本发明实施例的舵面偏转控制与测量系统具有以下有益效果：

1)在旋转轴一侧安装电位计，实现旋转角度的高精度测量。

2)电位计测量输出为电压信号，经处理后，可在显示屏上实时显示，同时通过无线传输数据信息，既可满足本地观测角度信息，也可远距离接收。

3)设备功耗较低，可采用小体积、可重复使用电池进行供电，整体重量可控。

4)地面上位机可通过无线的方式向舵面偏转角度测量装置发送“置零”指令，也可通过置零按钮进行置零操作，便于快速测量获取舵面偏转角度差，明确指令与舵面实际偏转角度关系。

5)舵面偏转角度测量装置可由一组向多组拓展，实现多个水平放置舵面的同时控制与测量。且由于采用无线信息传输、单独供电等功能，不会带来额外线缆重量及多路设备供电问题，极大提高了大型无人机/有人机的多舵面控制与测量工作上的效率。其中，一对一模式下的舵面偏转控制与测量系统的工作原理如图2所示，一对多模式下的舵面偏转控制与测量系统的工作原理如图3所示。

本发明实施例的舵面偏转控制与测量系统，实施简单高效，在大型无人机/有人机舵面控制、测量与标定方面具有突出优势。也可适用于多个水平舵面的控制与测量，多套舵面偏转角度测量设备固定在不同舵面上，同时工作且各自通过无线将角度测量信息发送至地面电脑端，在以往需要多人配合完成的工作场景中，采用此方案一人即可实现多个舵面的控制与测量，体现出其实用性及高效性。

图4示出了本发明实施例的舵面偏转控制与测量方法的实现流程图。

参照图4，本发明实施例的舵面偏转控制与测量方法包括以下步骤：

将所述目标舵面水平放置，并对所述处理器单元进行角度置零；

所述上位机向所述飞控机发送舵面偏转控制指令；

所述飞控机根据所述舵面偏转控制指令并通过所述舵机对所述目标舵面进行相应的偏转控制；

所述舵机基于所述飞控机将自身产生的位置反馈信号发送至所述上位机；

所述旋转电位计在所述重力摆件恢复静止状态时将所述旋转轴的旋转角度以相应的电压信号体现；

所述处理器单元基于所述电压信号获取所述目标舵面的实际偏转角度，并将所述实际偏转角度上传至所述上位机；

所述上位机基于所述舵面偏转控制指令、所述位置反馈信号和所述实际偏转角度对所述目标舵面进行标定。

以下对本发明实施例的舵面偏转控制与测量方法进行更为详细的说明：

(1)前期准备，将舵面偏转角度测量装置固定在水平放置的舵面后缘，扇形重力摆件在适用范围内可自由旋转无干涉，处理器单元的供电及信号采集、处理、显示等均正常。

(2)前期准备，上位机安装有上位机软件(与飞控机通信)和舵面角度显示软件(与舵面偏转角测量装置通信)，通过舵面角度显示软件发送“置零”指令，舵面偏转时，显示角度即为相对基准角度值(零位)的变化量，可简单明了地与舵面指令相比较。

(3)上位机与机载飞控机连接，通过上位机的上位机软件将舵面控制指令发送至飞控机，同时飞控机将舵机反馈信息下传至上位机。

(4)飞控机接收来自上位机的舵面控制指令后，通过总线将控制指令发送给远端舵机，舵机响应指令并驱动相关连接舵面偏转。

(5)舵面偏转时，待扇形重力摆件稳定后，电位计进行实时采样，经处理后在显示屏上显示角度值，同时通过无线的方式将角度数据信息发出，上位机通过无线的方式接收舵面测量角度值。至此，上位机同时实现舵机指令发送，舵机角度反馈接收和舵面实际偏转角度的接收，做到真正的舵面控制与测量的闭环。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，包括上位机和至少一个舵面偏转角度测量装置；

所述舵面偏转角度测量装置用于测量对应的飞行器的目标舵面的实际偏转角度；

所述飞行器包括飞控机和舵机；

所述舵面偏转角度测量装置包括固设件、重力摆件、旋转轴、旋转电位计和处理器单元；

所述固设件设置在水平放置的所述目标舵面的后缘处，并通过所述旋转轴与所述重力摆件实现铰接；

所述上位机基于所述飞控机和所述舵机实现对所述目标舵面的偏转控制，所述舵机基于所述飞控机将自身产生的位置反馈信号发送至所述上位机；

所述旋转电位计用于在所述上位机完成对所述目标舵面的一次偏转控制操作后且所述重力摆件恢复静止状态时，将所述旋转轴的旋转角度转换为相应的电压信号；

所述处理器单元用于基于所述电压信号获取所述目标舵面的实际偏转角度，并将所述实际偏转角度上传至所述上位机。

2.根据权利要求1所述的舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，所述固设件为夹持件，所述固设件的外接端超出所述目标舵面的后缘。

3.根据权利要求2所述的舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，所述重力摆件为扇形，所述重力摆件的小端通过所述旋转轴与所述固设件的外接端铰接设置。

4.根据权利要求3所述的舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，所述处理器单元包括数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、数据发送模块和壳体；

所述数据采集模块用于采集所述旋转电位计转换获取的电压信号；

所述数据处理模块用于将采集到的电压信号转换为所述实际偏转角度；

所述数据显示模块用于对所述实际偏转角度进行原位显示；

所述数据发送模块用于将所述实际偏转角度无线发送至所述上位机；

所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述数据显示模块和所述数据发送模块基于所述壳体实现在物理空间上的集成设置。

5.根据权利要求4所述的舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，所述处理器单元还包括电池和电源管理模块；

所述电池和所述电源管理模块均设置在所述壳体内；

所述电池基于所述电源管理模块为所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述数据显示模块和所述数据发送模块供电。

6.根据权利要求5所述的舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，在所述壳体的显示及控制面板上设置有电源开关按钮；

所述电源开关按钮用于开启或者关闭所述电源管理模块。

7.根据权利要求6所述的舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，在所述壳体的显示及控制面板上还设置有置零按钮；

所述置零按钮用于向所述数据处理模块输入角度置零指令。

8.根据权利要求7所述的舵面偏转控制与测量系统，其特征在于，所述处理器单元设置在所述固设件的顶面上。

9.基于权利要求1-8任一项所述系统的舵面偏转控制与测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述目标舵面水平放置，并对所述处理器单元进行角度置零；

所述上位机向所述飞控机发送舵面偏转控制指令；

所述飞控机根据所述舵面偏转控制指令并通过所述舵机对所述目标舵面进行相应的偏转控制；

所述舵机基于所述飞控机将自身产生的位置反馈信号发送至所述上位机；

所述旋转电位计在所述重力摆件恢复静止状态时将所述旋转轴的旋转角度转换为相应的电压信号；

所述处理器单元基于所述电压信号获取所述目标舵面的实际偏转角度，并将所述实际偏转角度上传至所述上位机。

10.根据权利要求9所述的舵面偏转控制与测量方法，其特征在于，还包括：

所述上位机基于所述舵面偏转控制指令、所述位置反馈信号和所述实际偏转角度对所述目标舵面进行标定。