CN117566123A - 固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置 - Google Patents

Abstract

一种固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，能够在地面上模拟固定翼无人机在空中的真实飞行状态，从而能够及时发现安全隐患，保证无人机的飞行安全。固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置包括：垂直支持台架(1)，垂直支持台架固定在地面上；水平支持台架(2)，水平支持台架安装于垂直支持台架(1)，且用于对固定翼无人机进行支持，在垂直支持台架与水平支持台架之间连接有水平姿态控制机构(3)，使得水平支持台架能够相对于垂直支持台架水平地转动，水平支持台架安装有垂直姿态控制机构(4)，固定翼无人机通过垂直姿态控制机构支持于水平支持台架，通过对垂直姿态控制机构进行控制，能够使固定翼无人机俯仰或滚转。

Description

固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置

技术领域

本发明涉及一种固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置

背景技术

当前，固定翼无人机的使用越来越广泛。其中，固定翼无人机的飞控系统是无人机的大脑，控制着无人机的飞行姿态和飞行航路。飞控系统一旦发生故障很可能会失控坠落，造成财产损失甚至人员伤亡。因此固定翼无人机在飞行前需要对飞控系统进行充分的功能测试。

固定翼无人机的飞控系统在地面上进行飞行相关的功能测试时，通常的做法是将无人机固定在地面上，由飞控系统运算飞行航路并控制舵面作出相应操作。这种方式是一种“开环”试验，即舵面的偏转无法改变无人机的姿态(因为无人机固定在地面上)。真实飞行环境下，舵面偏转或阵风扰动会改变无人机的姿态，而飞控系统又会根据新的飞行姿态操纵舵面使无人机沿既定航路平稳飞行。因此现有的试验方法无法检验飞控系统的姿态控制能力。

为充分检验固定翼无人机飞控系统的功能，工业界需要一种能考虑舵面偏转或阵风扰动造成飞行姿态改变的“闭环”试验装置，在地面进行虚拟飞行试验。

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明是为了解决上述技术问题而形成的，其目的在于提供一种固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，能够在地面上模拟固定翼无人机在空中的真实飞行状态，从而能够及时发现安全隐患，保证无人机的飞行安全。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明第一技术方案提供一种固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，包括：

垂直支持台架，所述垂直支持台架固定在地面上；以及

水平支持台架，所述水平支持台架安装于所述垂直支持台架，且用于对所述固定翼无人机进行支持，

在所述垂直支持台架与所述水平支持台架之间连接有水平姿态控制机构，使得所述水平支持台架能够相对于所述垂直支持台架水平地转动，

所述水平支持台架安装有垂直姿态控制机构，所述固定翼无人机通过所述垂直姿态控制机构支持于所述水平支持台架，

通过对所述垂直姿态控制机构进行控制，能够使所述固定翼无人机俯仰或滚转。

在第一技术方案的基础上，本发明第二技术方案的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置还包括空速调整机构，所述空速调整机构构成为能够向吹向所述固定翼无人机的风速进行控制。

在第二技术方案的基础上，本发明第三技术方案的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置还包括状态解算设备，所述状态解算设备根据所述固定翼无人机的姿态信息以及所述风速的信息对所述水平姿态控制机构、所述垂直姿态控制机构以及所述空速调整机构中的至少任意一者进行控制。

在第一技术方案的基础上，在本发明第四技术方案的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置中，所述水平姿态控制机构包括齿轮和转动电机，所述齿轮连接所述垂直支持台架与所述水平支持台架，所述转动电机对所述齿轮进行驱动以使所述齿轮转动。

在第一技术方案至第四技术方案中任一技术方案的基础上，在本发明第五技术方案的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置中，所述水平支持台架包括多个滑块和分别供多个所述滑块滑动的多个滑轨，所述垂直姿态控制机构包括分别与多个所述滑块对应的多个转动电机以及多个悬挂用构件，所述悬挂用构件构成为能够在垂直方向上独立地伸缩，所述固定翼无人机通过多个所述悬挂用构件以及多个所述滑块支持于所述水平支持台架。

发明效果

根据第一技术方案所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，相比于传统的只能控制舵面进行“开环”模拟飞机的试验方式，通过舵面的偏转能够改变无人机的姿态，实现一种“闭环”试验的效果，从而在地面上实现尽可能真实的飞行状态，使设计人员能更好的开发和测试无人机的飞控系统，并及时发现安全隐患，保障无人机的飞行安全。

根据第二技术方案所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，通过设置空速调整机构，能够将空速和无人机的飞行姿态耦合在一起。

根据第三技术方案所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，通过设置状态解算设备，能够对空速以及/或者飞行姿态进行控制，从而能够准确且实时地实现无人机的真实飞行状态。

根据第四技术方案所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，能够通过简单的结构实现无人机的水平向偏转。

根据第五技术方案所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，通过将无人机经由可沿垂直方向独立伸缩的悬挂用构件支承于水平支持台架并使各悬挂用构件分别沿垂直方向伸缩，能够实现无人机的俯仰或滚转。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置的立体图。

图2是图1所示的试验装置的主视图。

图3是图1所示的试验装置的局部侧视图。

符号说明

S 地面虚拟飞行试验装置(试验装置)

A 固定翼无人机

1 垂直支持台架

1A横向支持腿部

1B立柱部

1C横向梁部

2水平支持台架

2A框体

2B中间横向梁部

2C斜向构件

2D滑块

3水平姿态控制机构

31齿轮组

31A主动齿轮

31B从动齿轮

32转动马达

33转轴组

33A主动转轴

33B从动转轴

4水平姿态控制机构

41转动电机

42钢索

6垂直姿态控制机构

61大气数据机

62风速管

7状态解算计算机(状态解算设备)

具体实施方式

以下，将参照图1至图3，对本发明一实施方式的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置S(以下，简称试验装置S)的结构进行说明。

图1示出了本发明一实施方式的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置的立体图。如图1所示，本发明一实施方式的试验装置S是用于固定翼无人机A的地面虚拟飞行试验的装置，包括垂直支持台架1、水平支持台架2、水平姿态控制机构3、垂直姿态控制机构4、空速调整机构6以及作为状态解算设备的状态解算计算机7。固定翼无人机A内置有飞控系统，所述飞控系统能够与其他设备之间进行机体姿态信息以及空速信息等的传递。另外，优选，垂直支持台架1和水平支持台架2具有足够大的刚度，以使悬挂无人机后，台架的静变形相比无人机的姿态变化可忽略。

垂直支持台架1包括一对横向支持腿部1A、与所述一对横向支持腿部1A连接并从该横向支持腿部1A向上方立起的一对立柱部1B以及连接在所述一对立柱部1B之间的横向梁部1C。一对横向支持腿部1A通过螺栓固定等各种方式固定在地面上。

水平支持台架2通过水平姿态控制机构3(关于其具体结构，将在后文中说明)以能够进行相对水平转动的方式连接于垂直支持台架1的横向梁部1C。从图1可以看出，水平支持台架2主要由矩形形状的框体2A、中间横向梁部2B以及构成多个(本实施方式中为四个)滑轨的一对斜向构件2C构成。特别地，在一对斜向构件2C中的每一个斜向构件2C的位于中间横向梁部2B的两侧分别套设安装有滑块2D，所述滑块2D以能够相对于斜向构件2C沿该斜向构件2C的轴线方向移动的方式套设于所述斜向构件2C。

水平姿态控制机构3连接在垂直支持台架1与水平支持台架2之间，构成为使水平姿态控制机构3能够相对于垂直支持台架1水平转动。从图3可以清晰看出，本实施方式的水平姿态控制机构3包括齿轮组31、转动马达32以及转轴组33。转动马达32被收纳于马达壳体，该马达壳体如图3所示那样固定于垂直支持台架1的横向梁部1C。转轴组33包括主动转轴33A和从动转轴33B。主动转轴33A与转动马达32连接，通过转动马达32的驱动，主动转轴33A旋转。从动转轴33B连接在垂直支持台架1(准确地说，横向梁部1C)与水平支持台架2(准确地说，中间横向梁部2B)之间，其一端与水平横向梁部2B固定连接，其另一端与横向梁部1C能够相对转动地连接。齿轮组31包括主动齿轮31A和从动齿轮31B，主动齿轮31A固定连接于主动转轴33A，能够在转动马达32的作用下与主动转轴33A一起转动，从动齿轮31B固定连接于从动转轴33B，并与主动齿轮31A啮合。在转动马达32被供给电力而工作的情况下，主动转轴33A被驱动而转动，主动齿轮31A跟随主动转轴33A一起转动，与主动齿轮31A啮合的从动齿轮31B在主动齿轮31A的作用下也转动，从而带动与之固定连接在一起的从动转轴33B转动。其结果是，水平支持台架2通过从动轴33B的转动而相对于垂直支持台架1水平地转动所需的角度。如此，能够使通过垂直姿态控制机构4(关于其具体结构，将在后文中说明)与水平支持台架2连接的固定翼无人机A相应地水平偏转所需的角度。

垂直姿态控制机构4是用于连接固定翼无人机A与水平支持台架2且对固定翼无人机A的俯仰或滚转进控制的机构，如图1至3所示的那样包括多个(本实施方式中是四个)转动电机41和多个(本实施方式中是四个)作为悬挂用构件的一例的钢索42。多个转动电机41分别固定连接于各滑块2D。各钢索42的一端分别与各转动电机41连接，在各转动电机41的驱动下，各钢索42能够在垂直方向上独立地伸缩。与此同时，各钢索42的另一端分别连接于固定翼无人机A的不同部位。由于各钢索42在各转动电机41的驱动下独立地进行伸缩，因此，通过调节各钢索42各自的长度，能够使固定翼无人机A进行俯仰或滚转而形成规定的飞行姿态。

空速调整机构6是用来模拟固定翼无人机A飞行时的空速的机构，如图1所示的那样包括大气数据机61和风速管62。风速管62的一端与大气数据机61的出风口连接，另一端朝向固定翼无人机A敞开。通过对大气数据机61进行调整，能够调节经由该大气数据机61的出风口供给至风速管62的空气的流速。经由大气数据机61的出风口供给而流经风速管62的空气被吹向固定翼无人机A，由此，对固定翼无人机A的空速进行模拟。

状态解算计算机7能够与水平姿态控制机构3、垂直姿态控制机构4、空速调整机构6以及固定翼无人机A的飞控系统进行通信。状态解算计算机7根据从该飞控系统传送来的固定翼无人机A的飞行姿态信息以及空速信息，向水平姿态控制机构3、垂直姿态控制机构4以及空速调整机构6发送对应的指令而对其进行控制。

在针对结构的上述说明的基础上，以下述三类试验为例对利用本实施方式的试验装置S来模拟固定翼无人机A的地面虚拟飞行。试验1为全过程地面虚拟飞行试验，输入信号是该固定翼无人机A的飞控系统发送的空速信号和飞行姿态信号。试验2是自动配平功能检查地面虚拟飞行试验，输入信号是固定翼无人机A的飞行姿态信号。试探3是阵风减缓地面虚拟飞行试验，输入信号是阵风空速信号。

试验1——全过程地面虚拟飞行试验

步骤一：根据固定翼无人机A的尺寸、重心以及与试验装置垂直姿态控制机构4的位置关系等信息计算转动马达32和转动电机41与固定翼无人机A的姿态的关系，并将相关结果输入状态解算计算机7中，以便实时计算。

步骤二：将固定翼无人机A通过钢索42悬挂在水平支持台架2上。4个悬挂点可以选择前机身的两侧和后机身的两侧。将风速管62连接到固定翼无人机A的空速管上。将固定翼无人机A的飞控系统与状态解算计算机7连接。调整固定翼无人机A的状态，使飞控系统和作动系统处于工作状态。

步骤三：通过地面站将全过程地面虚拟飞行所使用的航路和GPS信号注入飞控系统中。

步骤四：地面站向固定翼无人机A的飞控系统发送指令开始全过程虚拟飞行，飞控系统计算固定翼无人机A的空速和姿态，操纵舵面偏转并将空速信息和姿态信息发送给状态解算计算机7。状态解算计算机7控制大气数据机61，将相应风速经由橡胶管62吹入固定翼无人机A的空速管内；控制转动马达32偏转水平支持台架2，从而调整无人机偏航姿态；控制转动电机41收/放钢索42，从而调整固定翼无人机A的俯仰和滚转姿态。

步骤五：固定翼无人机A的飞控系统根据空速传感器获得的空速与姿态传感器获得的姿态数据计算新的空速和姿态，传送给状态解算计算机7,状态解算计算机7根据新的空速和姿态信息控制大气数据机61、转动马达32和转动电机41，如此反复直至达到稳定状态。

步骤六：固定翼无人机A的飞控系统将空速传感器获得的空速与姿态传感器获得的姿态数据通过数据链发送给地面站，方便设计人员分析检查。

试验2——自动配平功能检查地面虚拟飞行试验

步骤一：与试验1的步骤一相同。

步骤二：与试验1的步骤二相同。

步骤三：通过地面站将飞控系统自动配平功能检查所使用的飞行姿态输入到状态解算计算机7中。

步骤四：状态解算计算机7控制转动马达32偏转水平支持台架2，从而调整固定翼无人机A的偏航姿态；控制转动电机41收/放钢索42，从而调整固定翼无人机A的俯仰和滚转姿态。固定翼无人机A的飞控系统根据无人机姿态传感器获得的姿态数据控制作动系统进行舵面偏转，并计算新的姿态，发送给状态解算计算机7，状态解算计算机7根据新的姿态信息控制转动电机32和转动电机41实现新的姿态，如此反复直至达到稳定状态。

步骤五：固定翼无人机A的飞控系统将姿态传感器获得的姿态数据和作动器所发出的舵面偏转信号通过数据链发送给地面站，方便设计人员分析检查。

实施例3：阵风减缓地面虚拟飞行试验

步骤一：与试验1的步骤一相同。

步骤二：与试验1的步骤二相同。

步骤三：将风速信号输入到状态解算计算机7，状态解算计算机7控制大气数据机61，将相应阵风经由风速管62吹入固定翼无人机A的空速管内。

步骤四：开启阵风减缓功能，将阵风导致的机体垂向加速度信号输入状态解算计算机7，状态解算计算机7控制转动电机41迅速转动，给机体一个向下的加速度。

步骤五：固定翼无人机A的飞控系统根据加速度传感器/惯导传感器测得的加速度和空速传感器测得的空速驱动操纵面偏转。

步骤六：固定翼无人机A的飞控系统将作动器所发出的舵面偏转信号通过数据链发送给地面站，方便设计人员分析检查。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，其特征在于，包括：

垂直支持台架(1)，所述垂直支持台架(1)固定在地面上；以及

水平支持台架(2)，所述水平支持台架(2)安装于所述垂直支持台架(1)，且用于对所述固定翼无人机进行支持，

在所述垂直支持台架(1)与所述水平支持台架(2)之间连接有水平姿态控制机构(3)，使得所述水平支持台架(2)能够相对于所述垂直支持台架(1)水平地转动，

所述水平支持台架(2)安装有垂直姿态控制机构(4)，所述固定翼无人机通过所述垂直姿态控制机构(4)支持于所述水平支持台架(2)，

通过对所述垂直姿态控制机构(4)进行控制，能够使所述固定翼无人机俯仰或滚转。

2.如权利要求1所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，其特征在于，

还包括空速调整机构(6)，所述空速调整机构(6)构成为能够向吹向所述固定翼无人机的风速进行控制。

3.如权利要求2所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，其特征在于，

还包括状态解算设备(7)，所述状态解算设备(7)根据所述固定翼无人机的姿态信息以及所述风速的信息对所述水平姿态控制机构(3)、所述垂直姿态控制机构(4)以及所述空速调整机构(6)中的至少任意一者进行控制。

4.如权利要求1所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，其特征在于，

所述水平姿态控制机构(3)包括齿轮(31)和转动马达(32)，

所述齿轮(31)连接所述垂直支持台架(1)与所述水平支持台架(2)，

所述转动马达(32)对所述齿轮(31)进行驱动以使所述齿轮(31)转动。

5.如权利要求1至4中任一项所述的固定翼无人机的地面虚拟飞行试验装置，其特征在于，

所述水平支持台架(2)包括多个滑块(43)和分别供多个所述滑块(43)滑动的多个滑轨(44)，

所述垂直姿态控制机构(4)包括分别与多个所述滑块(43)对应的多个转动电机(41)以及多个悬挂用构件(42)，所述悬挂用构件(42)构成为能够在垂直方向上独立地伸缩，

所述固定翼无人机通过多个所述悬挂用构件(42)以及多个所述滑块(43)支持于所述水平支持台架(2)。