一种无人直升机综合管理、训练和调试实验装置的制作方法

本发明涉及无人直升机技术领域，具体的说是一种无人直升机综合管理、训练和调试实验装置。

背景技术：

无人飞行器技术是一门新兴的综合性技术，自在我国推广和应用以来，在军用和民用技术领域获得了广泛应用。在具体应用中，无人飞行器也成为我国国防建设、地质勘测、电网巡视、高速公速巡查、气象检测、海事巡逻等多个领域所采用的作业手段和提升产业规模水平发展的工具。甚至在近几年的几场国际局部战争中均大批量的使用了无人飞行器，可以预见的是无人飞行器在未来战场上的用途将越来越大，它必然会成为世界各军事大国武器装备发展的重点。

无人直升机除了在军事领域中执行侦察、监视、火力打击、通信等多种任务外，在民用领域亦可完成灾害评估、地质勘测、航拍航测、警用高速公路巡查、森林防火、海事巡逻等多种任务。另外，在泥石流、地震、风暴等自然灾害中，无人直升机通过及时快速的传递信息，也发挥了极其重要的作用，已经成为我们人类对抗自然灾害不可或缺的工具。

但是目前国内无人直升机操控手及相应的地勤人员、航测数据处理人员均由一些社会培训机构短期培训而成，不仅在数量上无法满足当前的社会需求，在人才质量上也无法满足用人单位的要求。在其他无人飞行器应用领域中也出现了此类的人才短缺现象，严重制约着企业产业升级、安全作业、成本节约等方面的发展。

当前国内的无人直升机发展如火如荼，有大量无人直升机研制单位苦于直升机的操纵难度大，在产品研制与出厂调试阶段，由于无人机作为新型装备，技术含量高、结构组成复杂、价格昂贵，导致对无人机实施实际装备训练的难度大、成本高、任务重，存在“构造原理难理解、故障发生难模拟、训练操作难体验、装备损耗难控制”的四难问题。

正是如此，急需一种安全可靠，兼顾训练和科研等的综合试验调试直升机的试验平台和飞手培训的操纵平台。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种无人直升机综合管理、训练和调试实验装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种无人直升机综合管理、训练和调试实验装置，包括：

飞控系统，与地面站系统和视景仿真系统连接，用于向视景仿真系统提供飞行控制信号，获取地面站系统发出的下一时刻的六自由度信息；

视景仿真系统，用于根据所述飞行控制信号模拟出相应的飞行图像；

地面站系统，连接所述视景仿真系统，获取直升机当前时刻的六自由度信息，根据当前时刻的六自由度信息模拟出下一时刻的六自由度信息，并显示直升机的六自由度信息；

显示设备，连接所述视景仿真系统，用于显示飞行图像。

还包括无线数传设备，连接所述飞控系统和所述地面站系统，用于将所述地面站系统发出的下一时刻的六自由度信息传递给所述飞控系统。

还包括图像采集设备和无线图传设备；所述图像采集设备用于实时采集所述无人直升机周围的飞行图像，通过所述无人直升机中的gps与所述无线图传设备无线连接；所述无线图传设备连接所述视景仿真系统，所述视景仿真系统用于显示所述图像采集设备采集的飞行图像。

还包括直升机试飞调试装置，用于对所述无人直升机进行调试，所述直升机试飞调试装置包括固定架、活动架和连接座，所述的活动架与固定架活动连接且活动架能相对于固定架上下平移，上述连接座下端固连在活动架上，所述的连接座上端伸出活动架，所述连接座上端能摆动且在活动架上端具有用于使连接座在设定范围内摆动的限位机构；

所述的固定架包括底座、支撑杆和固定环，上述底座呈平板状，上述支撑杆的数量至少为两根，支撑杆下端与底座固连，支撑杆上端与固定环固连。

还包括遥控装置，与所述飞控系统通讯连接，用于控制飞控系统产生对应的飞行姿态信息。

所述地面站系统搭载有flightgear飞行模拟器。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明主要用于无人机飞行模拟训练，主要包括无人机的常规飞行测试训练，无人机的任务控制测试训练，无人机的干扰条件飞行训练，无人机故障模式下的飞行训练，进行操控人员的基木信息及训练数据统计和训练效果评估以及根据无人机的飞行状态测试出发动机的性能。

2、本发明适合军民两用的优秀高端技能型专门人才的训练，能够运用无人飞行器相关理论与技术快速分析与解决工作任务，具备从事无人飞行器组装、调试、维护、维修、操控、地勤、航拍航测等岗位职业能力。

3、本发明的视景仿真系统是试飞测试训练的必要组成部分，它构建了逼近真实战场环境的二维场景，能实时显示无人机的飞行状态，同时对背景环境进行模拟，极大增强了操控人员控制飞机飞行时得到视觉反馈的沉浸感。

附图说明

图1为本发明在模拟状态下的系统结构图；

图2为本发明中的直升机试飞调试装置结构图；

图3为本发明图2的剖视结构图；

图4为本发明图3中的球头处的剖视结构示意图；

图5为本发明中的地面站系统显示界面图。

图中，1、底座；2、支撑杆；3、固定环；4、活动板；4a、连接孔一；5、支柱；6、活动环；7、连杆；7a、连接腔；8、支撑座；8a、连接板；8b、主轴；8c、加强杆；8d、球头；9、导向板；9a、连接孔二；10、过渡轮；11、拉绳；12、配重块；13、上限位筒；14、下限位筒。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种无人直升机综合管理、训练和调试实验装置，包括：

飞控系统，与地面站系统和视景仿真系统连接，用于向视景仿真系统提供飞行控制信号，获取地面站系统发出的下一时刻的六自由度信息；飞控系统高度集成、功能强大，适用于电动、活塞及喷气等不同动力的无人直升机。

视景仿真系统，用于根据所述飞行控制信号模拟出相应的飞行图像；视景仿真系统为工控机。

地面站系统，连接所述视景仿真系统，获取直升机当前时刻的六自由度信息，根据当前时刻的六自由度信息模拟出下一时刻的六自由度信息，并显示直升机的六自由度信息；地面站系统为工控机，搭载有flightgear飞行模拟器。地面站系统的作用是接受无人机传出的机体和周围环境的信号，并对无人直升机发出下一步操作指令。地面站系统向无人机指挥控制人员和操控人员，通常建立在地面指挥站中。地而操控台通过友好的人机界面，完成遥测数据、飞行航迹和指令发送状态等信息显示，地而操控台面板上置有各种指令按钮和操控杆等。

显示设备，连接所述视景仿真系统，用于显示飞行图像。

无线数传设备，连接所述飞控系统和所述地面站系统，用于将所述地面站系统发出的下一时刻的六自由度信息传递给所述飞控系统。无线数传设备的作用是把无人直升机的运动姿态传递给地面站系统。

图像采集设备，用于实时采集所述无人直升机周围的飞行图像，通过所述无人直升机中的gps与所述无线图传设备无线连接；

无线图传设备，连接所述视景仿真系统，所述视景仿真系统用于显示所述图像采集设备采集的飞行图像。

遥控装置，与所述飞控系统通讯连接，用于控制飞控系统产生对应的飞行姿态信息。遥控装置的作用是可以手动控制直升机的运动以及进行无人机手动、半自动和全自助模式控制的切换。

在真实飞行调试中，所述飞控系统搭载在无人直升机中，所述无人直升机上搭载有图像采集设备；所述图像采集设备用于实时采集所述无人直升机周围的飞行图像，并通过所述无人直升机中的gps与无线图传设备无线连接；所述无线图传设备连接所述地面站系统，所述地面站系统用于显示所述图像采集设备采集的飞行图像。

其中，图像采集设备采用超高清三轴稳像可见光吊舱，作用是实时采集无人直升机周围的环境信息。无线图传设备的作用是把无人直升机在执行任务时获得的外部环境状况实时传递给地面站系统。

无人机试飞测试训练主要用于无人机飞行模拟训练。试飞测试训练的主要功能一般包括:

(1)无人机的常规飞行测试训练:能模拟起飞前发控准备、起飞爬升、巡航飞行、进场飞行、飞机迫降或自毁等飞行状态。

(2)无人机的任务控制测试训练，包括光电设备功能模拟、电视或红外侦察、激光照射进行目标定位、飞机投弹打击等任务。

(3)无人机的干扰条件飞行训练：可以设置各种飞行环境和飞行条件，如温度极值、气压变化、风干扰、光电干扰以及力和力矩的干扰及系数拉偏条件等。

(4)无人机故障模式下的飞行训练:可以模拟飞行时的典型故障，如发动机故障、惯导故障、接口通信故障、舵系统故障等。

(5)进行操控人员的基木信息及训练数据统计和训练效果评估。

(6)根据无人机发动机的特点，根据无人机的飞行状态测试出发动机的推力、燃油消耗率、转速和排气温度等性能参数。

本发明能够满足以下试验内容：

1.熟悉无人机总体系统；

2.熟悉无人机航电系统拓扑构型、组成，了解各个子系统的基本工作原理；

3.了解航电系统的运行原理，掌握以总线控制为中心组成的第三代航电系统的基本原理；

4.掌握航电系统地面典型操作内容，包括任务准备、数据加载、参数设置等；

5.掌握航电系统排故操作方法与流程；

6.掌握二线检测设备的操作使用方法与流程；

7.了解rs-422总线通信原理、传输协议及测试方法；

8.了解从无人机需求分析、顶层设计、详细设计到系统集成测试等设计试验过程；

9.预留试验室升级扩展接口；

10.可根据权限控制航电系统进入不同的模式；

11.可根据实验要求生成和管理航电系统故障及告警；

12.可模拟飞机的完成惯导对准、任务加载、起飞、无线电通讯导航、程序导航、搜索、攻击、进场、着陆功能；

13.可方便地定义各项实验任务、输入条件、输出结果；

14.可根据实验流程和任务驱动航电系统执行；

15.可完成航电系统地面准备任务各项流程；

16.可完成航电系统故障处置任务各项流程；

17.可实现航电系统各类综合告警信息；

18.可实现航电系统典型的各类导航任务；

19.可实现航电系统典型的各类目标探测任务；

20.可与地面配套的检测模拟系统完成航电系统的维护与维修；

21.基于主控程序的飞行仿真系统集成介绍。

地面站系统，主要包含训练管理模块、参数设置模块、飞行仿真模块和故障模拟模块。其中飞行仿真模块包含飞行仿真单元、链路仿真单元、飞控仿真单元、导航仿真单元等。飞行仿真模块包含数学仿真和半实物仿真两种运行模式。

视景仿真系统，是试飞测试训练的必要组成部分，它构建了逼近真实战场环境的二维场景，能实时显示无人机的飞行状态，同时对背景环境进行模拟，极大增强了操控人员控制飞机飞行时得到视觉反馈的沉浸感。

该综合试验装置集无人机总体系统，航空电子仪表，任务设备，自动驾驶、航迹规划等的内外场、系统级、组件级实验、gps/ins组合导航、视觉导航(扩展)、自驾仪控制律设计、可靠性试验、自定义二次开发和虚拟现实同步仿真实验等功能于一体，是一套针对无人机系统领域相关学科的专业科研教学试验平台。该平台以真实的无人机系统和虚拟现实同步仿真结合为背景进行设计，其系统构成、工作原理、控制逻辑、显示方式与真实飞行极其相似。

该系统也可开设包括敏感装置、执行机构、机载控制器、系统综合、半实物仿真等在内的多个实验模块，可以满足不同用户层次、不同设计目标和不同研究任务的多种需求，提供一个从组件级、系统级到仿真评估级的实验环境或实验设备，高效地组织各种实验。

组件级实验：该装置包含了飞行器控制系统的主要组件：惯组、机载控制器、舵系统。机载控制器采用dsp和fpga技术，将组合惯组、舵系统等集成在一起，通过系统配置管理功能，可实现包括加计、陀螺、捷联惯导、gps惯性组合导航、舵机、机载控制器等组件级的相关实验，组件设备既可在实验系统内进行仿真飞行研究实验，也可作为独立单机设备开展研发性试验。

系统级实验：该装置可将组件级实验中所涉及的各种典型组件组装为一个典型机载系统进行实验，该机载系统可由机载控制器、惯组、舵系统和弹体结构等组成，机体结构按照部件进行分舱段布局，并在机体上布置了8个飞行时序模拟指示灯。通过地面控制站和实验软件的结合，可开展机载控制器接口、制导/姿控律设计与评估、模拟飞行等系统级的相关实验。

仿真评估级实验：该装置可通过地面控制站的控制，驱动飞行器的姿态运动，采集机体上的舵面偏转监测飞行器的舵面运动，还可作为等效器代替惯组、舵机等实物，从而可实现各种等效器模式，以及全实物产品在回路的半实物仿真实验，对制导控制系统进行全面的仿真评估。

此外，平台还包括一线、二线故障检测模拟功能或检测操作流程及部分机载设备、元器件的应用与展示。具有性价比高、功能齐全、操作风险低、操纵简便等特点。

1.系统集成

主控程序的编译

主控程序飞行模拟器是整个飞行仿真系统集成的基础。直升机非线性模型，xml配置文件的解析以及串行通信的实现，都是通过编译主控程序源程序而集成在应用程序主控程序.exe中的，因此成功编译主控程序的源程序是构建飞行仿真系统的前提。

2.基于主控程序的仿真系统实现

要实现飞控软件的半物理仿真，必须将飞控计算机和主控程序结合在一起，现采取了使用一个rs232串口进行通信，通信波特率为115200，添加自己的串行驱动函数，并结合主控程序自带的输入输出接口函数，添加所需的通信函数，利用多媒体定时器进行定时调用。

3.飞行仿真试验

系统准备

检查系统电源、电缆的连接，确定正确后，对系统上电。通过遥控遥测软件显示飞行控制计算机内部状态，确定飞控计算机工作正常；通过仿真控制台软件显示仿真设备内部状态，确保仿真设备工作正常。

在一台pc机上运行主控程序飞行模拟器，进入飞机选择界面，选择bo105直升机，然后在机场列表中选择“zscn”机场(南昌昌北机场)，完成必要的设置后，进入主控程序运行界面。

在飞行仿真中，通过遥控遥测软件对无人直升机的飞行状态进行监控，并发送指令控制无人直升机的飞行模态。遥控遥测软件如图3所示。

在直升机处于待飞状态时，通过遥控遥测软件对无人直升机发送遥控指令，对直升机的状态变量初始化。其指令顺序及作用如下：

(1)发送“外控”指令，使直升机由地面复位状态转入工作状态，进行操纵检查，并终止地面监测软件指令。

(2)发送“开车”指令，令发动机开车。

(3)发送“暖车”、“慢车”、“额定”指令，提高发动机转速，使发动机工作在额定功率下，提升旋翼的转速，达到额定总矩。

(4)发送“预起飞”指令，接入航向保持，并接入内环姿态控制和外环位置控制。

(5)在主控程序飞行模拟器中启动bo105直升机，发送“人工起飞”指令，通过遥控遥测软件提升总矩，将直升机拉离地面。

(6)当直升机飞到需要的指定高度时，发送“悬停”指令，并使总矩杆量回中，直升机会在指定高度悬停。

(7)发送“放飞”指令，直升机按航线飞行，并从当前位置自动切入1号航段。

(8)发送“复原”指令，直升机将切出航线飞行状态，进入指令飞行模态。

4.飞控软件的仿真验证

在进行仿真过程中，主要使用遥控遥测软件。遥控遥测软件用来显示飞机的六自由度信息以及舵面的给定量，并通过飞行遥控指令控制小型无人直升机的飞行，在主界面启动完后，遥控遥测指令的发送顺序如下：

(1)首先点击‘复原’按钮，发送复原指令，使飞控软件的某些内部变量处于起始状态；

(2)发送‘外控’指令，这样用手扳动连接在地面站上的遥控器手柄，观察地面站中各舵面上行通道数据是否变化，然后观察平显中各通道是否发生变化，若变化说面正常；

(3)发送‘定向’指令，接入航向保持，发送‘导航’指令接入姿态保持，记录当前的经纬度和航向角，并自动进入‘混控’模式，这时futaba手柄量不直接作用到直升机的舵面，而是转换为直升机的姿态给定量(总距油门通道除外)；

(4)启动bo105直升机，通过逐渐拉杆增加总距油门量，这时bo105直升机就会逐渐离开地面，当达到想要的高度时停止拉总距油门杆，发送‘定高’指令接入高度保持；

(5)这样就可以测试直升机的各种飞行模态，可以发送‘悬停’、‘悬停回转’、‘前飞’、‘后飞’、‘左侧飞’、‘右侧飞’、‘爬升’、‘下滑’、‘平飞四点’等，需要注意的各模态之间的切换都要经过‘悬停’模态作为过渡。

如图2和图3和图4所示，所述直升机试飞调试装置包括固定架、活动架和连接座，所述的活动架与固定架活动连接且活动架能相对于固定架上下平移，上述连接座下端固连在活动架上，所述的连接座上端伸出活动架，所述连接座上端能摆动且在活动架上端具有用于使连接座在设定范围内摆动的限位机构。

所述的固定架包括底座1、支撑杆2和固定环3，上述底座1呈平板状，上述支撑杆2的数量至少为两根，支撑杆2下端与底座1固连，支撑杆2上端与固定环3固连。所述的活动架包括活动板4、支柱5和活动环6，上述活动板4活动连接在支撑杆2上，上述支柱5下端与活动板4固连，支柱5上端与活动环6固连。所述的连接座包括连杆7和支撑座8，上述连杆7下端固连在活动板4上，连杆7上端伸出活动环6。所述连杆7上端具有呈球形凹入的连接腔7a，上述支撑座8下端具有与连接腔7a相匹配的球头8d且球头8d位于连接腔7a内。所述支撑座8包括连接板8a、主轴8b和加强杆8c，上述主轴8b呈杆状且球头8d固连在主轴8b下端，上述连接板8固连在主轴8b上端，上述加强杆8c的数量至少为三根且加强杆8c上端固连在连接板8a边沿处，加强杆cb下端固连在主轴8b下端处。所述活动板4上具有贯穿的连接孔一4a，上述连接孔一4a与支撑杆2一一对应且支撑杆2穿设在对应的连接孔一4a处。所述支撑杆2上还固连有呈板状的导向板9，上述导向板9上具有贯穿的连接孔二9a，上述连接孔二9a与支柱5一一对应且支柱5穿设在对应的连接孔二9a处。所述的活动架上还具有能增加无人机时多余负载的配重机构。所述的配重机构包括过渡轮10、拉绳11和配重块12，上述过渡轮10连接在导向板9下部，上述拉绳11内端连接在活动板4上，拉绳11中部绕在过渡轮10上且拉绳11外端与配重块12相联。所述配重机构的数量为两个且均布在导向板9两侧。所述导向板9下侧具有柔性的上限位筒13。所述底座1上侧具有柔性的下限位筒14。所述的上限位筒13和下限位筒14均为橡胶材料。