本發(fā)明涉及無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種垂直起降無人機(jī)四通道運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及飛行測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無人駕駛飛行器簡稱“無人機(jī)”，指通過無線電信號(hào)控制的無人駕駛飛行器，包括：無人機(jī)(UVA)、遙控飛行器(RPV)和無人靶機(jī)。其中垂直起降無人機(jī)是其中重要分支，主要包括：無人機(jī)直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)。垂直起降型憑借其起降方式靈活、可以懸停與倒飛，發(fā)射回收方便等優(yōu)點(diǎn)，在航拍、測(cè)繪、植保、災(zāi)后搜救、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

我國的無人機(jī)發(fā)展速度極快，無論在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都有大量人才需求，據(jù)初步估算，至2018年需要的無人機(jī)操作維護(hù)等人員可達(dá)20萬人。近幾年來，我國一些職業(yè)院校陸續(xù)開設(shè)課無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，培養(yǎng)無人機(jī)操控等技術(shù)人員。同時(shí)全國已有40多家AOPA的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，開展無人機(jī)培訓(xùn)。如何保證學(xué)員在學(xué)習(xí)無人機(jī)組裝調(diào)試與飛行訓(xùn)練過程中的安全這是首要問題。另外降低設(shè)備測(cè)試損耗，節(jié)約培訓(xùn)成本也成為大家研究的熱點(diǎn)。

截止目前學(xué)員組裝后的無人機(jī)并沒有一種安全的測(cè)試平臺(tái)，而采用直接靠操控者試飛測(cè)試，危險(xiǎn)系數(shù)高。而學(xué)習(xí)操控技術(shù)過程中，主要為模擬飛行軟件與實(shí)際飛行訓(xùn)練兩個(gè)環(huán)節(jié)，但是模擬真機(jī)與模擬飛行之間還是有很大差異，學(xué)員在開始飛行真機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)外界干擾處理能力差，起飛與降落過程中容易出現(xiàn)摔機(jī)事故?？偨Y(jié)來看大部分教學(xué)與訓(xùn)練會(huì)有以下缺點(diǎn)：

1、由安裝與調(diào)試過程中的錯(cuò)失，直接試飛，容易出現(xiàn)輸出力矩錯(cuò)誤而造成炸機(jī)、失控等危險(xiǎn)狀況，存在巨大安全隱患；

2、試飛過程中如果操縱補(bǔ)救不利，容易造成機(jī)體損壞嚴(yán)重，測(cè)試成本高；

3、試飛所需場(chǎng)地要求高；

4、人工試飛沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋，造成調(diào)試難度大，周期長，時(shí)間成本高；

5、容易受天氣、風(fēng)速、溫度等氣候的影響；

6、教員帶飛，存在學(xué)員易產(chǎn)生依賴，訓(xùn)練效率低等問題；

7、在飛行員訓(xùn)練過程中只能通過教員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，沒有數(shù)據(jù)依據(jù)，無法給學(xué)院直觀的指導(dǎo)意見。

經(jīng)查詢有以下三項(xiàng)專利申請(qǐng)所涉及設(shè)備在無人機(jī)飛行姿態(tài)及相關(guān)參數(shù)測(cè)試方面開展了相關(guān)工作，但國內(nèi)外均未見能夠?qū)o人機(jī)四通道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)及控制參數(shù)分析的綜合測(cè)試裝置的研究與應(yīng)用先例。

申請(qǐng)?zhí)?01610227425.5的發(fā)明專利《一種無人機(jī)測(cè)試裝置及方法》實(shí)現(xiàn)通過牽引線將無人機(jī)試飛實(shí)驗(yàn)所需的空間控制在一定范圍內(nèi)，以提高無人機(jī)試飛實(shí)驗(yàn)的安全性，避免無人機(jī)由于意外因素飛出許可范圍時(shí)，對(duì)無人機(jī)及其周圍人員財(cái)產(chǎn)造成損傷。該專利僅實(shí)現(xiàn)控制無人機(jī)的飛行范圍，并不能避免無人機(jī)測(cè)試過程中側(cè)翻、摔下造成的傷害，另外該測(cè)試平臺(tái)無法提供無人機(jī)飛行的各軸參數(shù)。

專利申請(qǐng)?zhí)?01610586361.8的發(fā)明專利《一種垂直起降無人機(jī)飛行姿態(tài)測(cè)試平臺(tái)》，目的在于提供一種完成研發(fā)或組裝后的飛行姿態(tài)及飛行異常檢測(cè)的垂直起降無人機(jī)飛行姿態(tài)測(cè)試平臺(tái),該平臺(tái)能夠在無人機(jī)真正起飛前對(duì)記錄飛行姿態(tài)和查看飛行器的異常反饋從而減少研發(fā)測(cè)試成本，提高研發(fā)測(cè)試效率。但是該平臺(tái)只能提供兩個(gè)通道的姿態(tài)控制及角度數(shù)據(jù)分析，無法實(shí)現(xiàn)航向與油門通道的運(yùn)動(dòng)與檢測(cè)。

專利申請(qǐng)?zhí)?01620361736.6的發(fā)明專利《一種多旋翼無人機(jī)測(cè)試平臺(tái)》描述了一種兼容四、六、八軸多旋翼無人機(jī)的測(cè)試平臺(tái)，軸距可以根據(jù)機(jī)型自由調(diào)整，每個(gè)機(jī)臂均可測(cè)量力的大小，數(shù)據(jù)量化圖像化，實(shí)施傳回電腦或手機(jī)，調(diào)參測(cè)試有依據(jù)；上位機(jī)能夠無限遠(yuǎn)程記錄、分析各軸升力，整機(jī)姿態(tài)、電機(jī)起止時(shí)間、振動(dòng)情況，并能按照要求自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表。但是該平臺(tái)根據(jù)測(cè)試不同機(jī)型需選用不同橫向測(cè)試機(jī)構(gòu)且僅能提供兩通道的姿態(tài)控制，無法實(shí)現(xiàn)航向與油門通道的運(yùn)動(dòng)與檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中存在的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制及各通道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析模塊功能不足，而提供一種垂直起降無人機(jī)四通道運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及飛行測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案：

一種垂直起降無人機(jī)四通道運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括底座、支撐桿、連接塊、橫桿、配重塊、三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、無人機(jī)安裝架；所述支撐桿的下部與所述底座之間通過旋轉(zhuǎn)軸承連接；所述連接塊通過單軸軸承與所述橫桿的中后部連接，所述橫桿的后部與所述配重塊連接，所述橫桿的前部與所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下部與所述無人機(jī)安裝架連接。

優(yōu)選地，所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括U形架、第一立桿、第一橫桿、第二立桿、第二橫桿；所述U形架的上部通過轉(zhuǎn)軸與所述橫桿的前部連接，所述第一立桿的頂部與所述U形架的底部垂直固定，所述第一立桿的下部安裝有第一軸承，所述第一橫桿的左端與所述第一軸承連接，所述第一橫桿的右端安裝有第二軸承，所述第二立桿的頂端與所述第二軸承連接，所述第二立桿的下端安裝有第三軸承，所述第二橫桿的右端與所述第三軸承連接，所述第二橫桿的左端與所述無人機(jī)安裝架固定。

優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)軸承、單軸軸承、第一軸承、第二軸承、第三軸承上分別安裝有編碼器。

優(yōu)選地，所述底座的底部安裝有配重。

一種垂直起降無人機(jī)飛行測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于：包括四通道運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、四通道檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理與分析模塊；

所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底座、支撐桿、連接塊、橫桿、配重塊、三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、無人機(jī)安裝架；所述支撐桿的下部與所述底座之間通過旋轉(zhuǎn)軸承連接；所述連接塊通過單軸軸承與所述橫桿的中后部連接，所述橫桿的后部與所述配重塊連接，所述橫桿的前部與所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下部與所述無人機(jī)安裝架連接；所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括U形架、第一立桿、第一橫桿、第二立桿、第二橫桿；所述U形架的上部通過轉(zhuǎn)軸與所述橫桿的前部連接，所述第一立桿的頂部與所述U形架的底部垂直固定，所述第一立桿的下部安裝有第一軸承，所述第一橫桿的左端與所述第一軸承連接，所述第一橫桿的右端安裝有第二軸承，所述第二立桿的頂端與所述第二軸承連接，所述第二立桿的下端安裝有第三軸承，所述第二橫桿的右端與所述第三軸承連接，所述第二橫桿的左端與所述無人機(jī)安裝架固定；

所述四通道檢測(cè)裝置包括旋轉(zhuǎn)軸承、單軸軸承、第一軸承、第二軸承、第三軸承上分別安裝有編碼器；

所述數(shù)據(jù)采集模塊采用arduino單片機(jī)將每個(gè)編碼器相應(yīng)位置的角位移和角速度通過所述無線傳輸模塊輸送至數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊；

所述數(shù)據(jù)處理與分析模塊包括數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)分析單元兩部分算法構(gòu)成，首先由數(shù)據(jù)處理單元將連接塊8處的檢測(cè)裝置測(cè)得的角位移與角速度信息轉(zhuǎn)換為高度與垂直速度信息，同時(shí)與姿態(tài)信息包括俯仰、滾裝、航向通道的角速度與角位移通過濾波處理，發(fā)送至數(shù)據(jù)分析單元，數(shù)據(jù)處理單元需將接收機(jī)接收來自遙控器的四通道PWM信號(hào)處理為數(shù)值信號(hào)也發(fā)送至數(shù)據(jù)分析單元；

根據(jù)主機(jī)界面上的模式選擇，如設(shè)備工作在無人機(jī)測(cè)試模式，則數(shù)據(jù)分析單元將數(shù)據(jù)處理后的兩組數(shù)據(jù)通過性能測(cè)試系統(tǒng)PTS(Performance Test System)軟件，檢測(cè)飛控的加速度計(jì)與磁羅盤是否校準(zhǔn)正確，檢測(cè)各通道控制效果，并提出各通道PID參數(shù)修改建議。如設(shè)備工作在飛行訓(xùn)練模式，則數(shù)據(jù)分析單元啟動(dòng)飛行測(cè)試系統(tǒng)FTS(Flight Training System)軟件，通過兩組輸入輸出，對(duì)飛行員操控評(píng)測(cè)。

優(yōu)選地，所述該設(shè)備可以切換至無人機(jī)系統(tǒng)測(cè)試模式，通過性能測(cè)試系統(tǒng)PTS(Performance Test System)可以實(shí)現(xiàn)包括加速度計(jì)校準(zhǔn)、磁羅盤校準(zhǔn)、俯仰控制通道測(cè)試、橫滾控制通道測(cè)試、航向控制通道測(cè)試、高度控制通道測(cè)試、負(fù)載力測(cè)試測(cè)試項(xiàng)目。

優(yōu)選地，所述該設(shè)備可以切換至飛行測(cè)試模式，通過飛行測(cè)試系統(tǒng)FTS(Flight Training System)為飛行員訓(xùn)練進(jìn)行評(píng)測(cè)與指導(dǎo)。FTS系統(tǒng)包括起飛、懸停、降落、航向控制飛行訓(xùn)練項(xiàng)目。

本發(fā)明的有益效果是:相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，該無人機(jī)測(cè)試與訓(xùn)練平臺(tái)，對(duì)研發(fā)及組裝好無人機(jī)進(jìn)行飛行前測(cè)試，檢查組裝與調(diào)試過程中的失誤與精度問題，為無人機(jī)操控人員提供安全的訓(xùn)練環(huán)境，通過評(píng)測(cè)系統(tǒng)可以更加科學(xué)的評(píng)測(cè)訓(xùn)練效果，為后續(xù)訓(xùn)練提供指導(dǎo)。具體有益效果如下:

1)提供了安全的無人機(jī)測(cè)試環(huán)境，保障了測(cè)試人員的安全問題；

2)通過運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)六自由度運(yùn)動(dòng)，提供了安全的飛行訓(xùn)練環(huán)境，使訓(xùn)練不受環(huán)境、場(chǎng)地、時(shí)間等限制，提高培訓(xùn)效率；

3)通過無限旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與四通道限位設(shè)計(jì)既保證了飛行空間與自由度，又減少了無人機(jī)飛行過程中的損耗，降低了培訓(xùn)成本；

4)通過檢測(cè)裝置與評(píng)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)與高度檢測(cè)及與操控輸入的監(jiān)測(cè)，從而為飛行訓(xùn)練評(píng)測(cè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，通過與訓(xùn)練任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比，實(shí)現(xiàn)科學(xué)評(píng)測(cè)。

5)四通道參數(shù)檢測(cè)，用數(shù)據(jù)與曲線展示校準(zhǔn)精度與控制性能，大大縮短了調(diào)試時(shí)間，提高測(cè)試效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的安裝測(cè)試圖；

圖4為本發(fā)明的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。如圖1所示，一種垂直起降無人機(jī)飛行測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)，包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、數(shù)據(jù)采集模塊2、無線傳輸模塊3、數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊4以及主控計(jì)算機(jī)5；

如圖2和圖3所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底座6、支撐桿7、連接塊8、橫桿9、配重塊10、三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11、無人機(jī)安裝架12；所述支撐桿的下部與所述底座之間通過旋轉(zhuǎn)軸承連接；所述連接塊通過單軸軸承與所述橫桿的中后部連接，所述橫桿的后部與所述配重塊連接，所述橫桿的前部與所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下部與所述無人機(jī)安裝架連接；所述三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括U形架13、第一立桿14、第一橫桿15、第二立桿16、第二橫桿17；所述U形架的上部通過轉(zhuǎn)軸與所述橫桿的前部連接，所述第一立桿的頂部與所述U形架的底部垂直固定，所述第一立桿的下部安裝有第一軸承，所述第一橫桿的左端與所述第一軸承連接，所述第一橫桿的右端安裝有第二軸承，所述第二立桿的頂端與所述第二軸承連接，所述第二立桿的下端安裝有第三軸承，所述第二橫桿的右端與所述第三軸承連接，所述第二橫桿的左端與所述無人機(jī)安裝架固定；所述旋轉(zhuǎn)軸承、單軸軸承、第一軸承、第二軸承、第三軸承上分別安裝有編碼器。以上文字中的編碼器都為同一種編碼器，上述所說的軸承也是統(tǒng)一的軸承。

每個(gè)編碼器將相應(yīng)位置的角位移和角速度通過所述無線傳輸模塊輸送至數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊；

所述數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊通過單片機(jī)接收到每個(gè)位置的角位移與角速度信號(hào)，并將連接塊位置的角位移與角速度信息轉(zhuǎn)換為高度與速度信息，將俯仰通道角度變換同時(shí)配置同型號(hào)的接收機(jī)接收來自遙控器的四通道PWM信號(hào)，并處理為數(shù)值信號(hào)，最后由無線通信模塊將以上信號(hào)統(tǒng)一發(fā)送至主控計(jì)算機(jī)。

所述主控計(jì)算機(jī)通過無線通信模塊接收來自平臺(tái)端信號(hào)與遙控端信號(hào)。通過性能測(cè)試系統(tǒng)PTS(Performance Test System)軟件，檢測(cè)飛控的加速度計(jì)與磁羅盤是否校準(zhǔn)正確，檢測(cè)各通道控制效果，并提出各通道PID參數(shù)修改建議。所述PTS包括加速度計(jì)校準(zhǔn)、磁羅盤校準(zhǔn)、俯仰控制通道測(cè)試、橫滾控制通道測(cè)試、航向控制通道測(cè)試、高度控制通道測(cè)試、負(fù)載力測(cè)試測(cè)試項(xiàng)目。所述主控計(jì)算機(jī)可以切換至飛行測(cè)試模式，通過飛行測(cè)試系統(tǒng)FTS(Flight Training System)為飛行員訓(xùn)練進(jìn)行評(píng)測(cè)與指導(dǎo)。FTS系統(tǒng)包括起飛、懸停、降落、航向控制飛行訓(xùn)練項(xiàng)目。

如圖4所示，操作方式如下：

Step1：無人機(jī)系統(tǒng)自檢

1、啟動(dòng)前調(diào)解配重塊，使橫桿平衡，將組裝好的無人機(jī)通過平臺(tái)上的無人機(jī)安裝架與測(cè)試平臺(tái)連接，開始機(jī)體結(jié)構(gòu)安裝檢測(cè)：

2、通過施加外力使無人機(jī)與配平裝置保持水平，同時(shí)觀察無人機(jī)的機(jī)體是否水平，如果機(jī)體不處于水平，則表示無人機(jī)組裝過程中存在沒有配平問題，需重新卸下后進(jìn)行調(diào)整，直至無人機(jī)機(jī)體保持水平。

3、首先控制遙控器油門通道測(cè)試飛機(jī)垂直通道響應(yīng)，觀察無人機(jī)高度變化。如油門一直增加而無人機(jī)無高度變化則提示電機(jī)與螺旋槳安裝錯(cuò)誤；如油門增加到一定出現(xiàn)姿態(tài)或航向變化劇烈，提示電機(jī)或螺旋槳安裝錯(cuò)誤；

Step 2：如以上響應(yīng)正確，則進(jìn)入控制系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)：

開啟電源系統(tǒng)為平臺(tái)信號(hào)采集系統(tǒng)供電，測(cè)試人員開啟無人機(jī)安全開關(guān)啟動(dòng)無人機(jī)。

1、通過主控界面進(jìn)行平臺(tái)自檢；

2、選擇要測(cè)試項(xiàng)目或飛行任務(wù)；

3、按照測(cè)試項(xiàng)目要求，控制飛行器，完成測(cè)試內(nèi)容；

4、在主控計(jì)算機(jī)界面點(diǎn)擊，操作完成；

5、查看飛行數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試結(jié)論調(diào)試無人機(jī)或根據(jù)飛行評(píng)價(jià)指導(dǎo)飛行操作。

測(cè)試結(jié)束。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。