垂直起降无人机四通道运动机构及飞行测试训练系统的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种垂直起降无人机四通道运动机构及飞行测试训练系统。

背景技术：

无人驾驶飞行器简称“无人机”，指通过无线电信号控制的无人驾驶飞行器，包括：无人机(UVA)、遥控飞行器(RPV)和无人靶机。其中垂直起降无人机是其中重要分支，主要包括：无人机直升机和多旋翼无人机。垂直起降型凭借其起降方式灵活、可以悬停与倒飞，发射回收方便等优点，在航拍、测绘、植保、灾后搜救、数据采集等领域广泛应用。

我国的无人机发展速度极快，无论在军事领域还是在民用领域都有大量人才需求，据初步估算，至2018年需要的无人机操作维护等人员可达20万人。近几年来，我国一些职业院校陆续开设课无人机应用技术专业，培养无人机操控等技术人员。同时全国已有40多家AOPA的培训机构，开展无人机培训。如何保证学员在学习无人机组装调试与飞行训练过程中的安全这是首要问题。另外降低设备测试损耗，节约培训成本也成为大家研究的热点。

截止目前学员组装后的无人机并没有一种安全的测试平台，而采用直接靠操控者试飞测试，危险系数高。而学习操控技术过程中，主要为模拟飞行软件与实际飞行训练两个环节，但是模拟真机与模拟飞行之间还是有很大差异，学员在开始飞行真机时会出现对外界干扰处理能力差，起飞与降落过程中容易出现摔机事故。总结来看大部分教学与训练会有以下缺点：

1、由安装与调试过程中的错失，直接试飞，容易出现输出力矩错误而造成炸机、失控等危险状况，存在巨大安全隐患；

2、试飞过程中如果操纵补救不利，容易造成机体损坏严重，测试成本高；

3、试飞所需场地要求高；

4、人工试飞没有准确的数据反馈，造成调试难度大，周期长，时间成本高；

5、容易受天气、风速、温度等气候的影响；

6、教员带飞，存在学员易产生依赖，训练效率低等问题；

7、在飞行员训练过程中只能通过教员依据经验进行评价，没有数据依据，无法给学院直观的指导意见。

经查询有以下三项专利申请所涉及设备在无人机飞行姿态及相关参数测试方面开展了相关工作，但国内外均未见能够对无人机四通道进行运动检测及控制参数分析的综合测试装置的研究与应用先例。

申请号201610227425.5的发明专利《一种无人机测试装置及方法》实现通过牵引线将无人机试飞实验所需的空间控制在一定范围内，以提高无人机试飞实验的安全性，避免无人机由于意外因素飞出许可范围时，对无人机及其周围人员财产造成损伤。该专利仅实现控制无人机的飞行范围，并不能避免无人机测试过程中侧翻、摔下造成的伤害，另外该测试平台无法提供无人机飞行的各轴参数。

专利申请号201610586361.8的发明专利《一种垂直起降无人机飞行姿态测试平台》，目的在于提供一种完成研发或组装后的飞行姿态及飞行异常检测的垂直起降无人机飞行姿态测试平台,该平台能够在无人机真正起飞前对记录飞行姿态和查看飞行器的异常反馈从而减少研发测试成本，提高研发测试效率。但是该平台只能提供两个通道的姿态控制及角度数据分析，无法实现航向与油门通道的运动与检测。

专利申请号201620361736.6的发明专利《一种多旋翼无人机测试平台》描述了一种兼容四、六、八轴多旋翼无人机的测试平台，轴距可以根据机型自由调整，每个机臂均可测量力的大小，数据量化图像化，实施传回电脑或手机，调参测试有依据；上位机能够无限远程记录、分析各轴升力，整机姿态、电机起止时间、振动情况，并能按照要求自动生成测试报表。但是该平台根据测试不同机型需选用不同横向测试机构且仅能提供两通道的姿态控制，无法实现航向与油门通道的运动与检测。

技术实现要素：

本发明针对现有设计中存在的机械结构限制及各通道数据监测与分析模块功能不足，而提供一种垂直起降无人机四通道运动机构及飞行测试训练系统。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种垂直起降无人机四通道运动机构，其特征在于:包括底座、支撑杆、连接块、横杆、配重块、三轴运动机构、无人机安装架；所述支撑杆的下部与所述底座之间通过旋转轴承连接；所述连接块通过单轴轴承与所述横杆的中后部连接，所述横杆的后部与所述配重块连接，所述横杆的前部与所述三轴运动机构连接，所述三轴运动机构的下部与所述无人机安装架连接。

优选地，所述三轴运动机构包括U形架、第一立杆、第一横杆、第二立杆、第二横杆；所述U形架的上部通过转轴与所述横杆的前部连接，所述第一立杆的顶部与所述U形架的底部垂直固定，所述第一立杆的下部安装有第一轴承，所述第一横杆的左端与所述第一轴承连接，所述第一横杆的右端安装有第二轴承，所述第二立杆的顶端与所述第二轴承连接，所述第二立杆的下端安装有第三轴承，所述第二横杆的右端与所述第三轴承连接，所述第二横杆的左端与所述无人机安装架固定。

优选地，所述旋转轴承、单轴轴承、第一轴承、第二轴承、第三轴承上分别安装有编码器。

优选地，所述底座的底部安装有配重。

一种垂直起降无人机飞行测试训练系统，其特征在于：包括四通道运动机构、四通道检测装置、数据采集系统、无线传输模块以及数据处理与分析模块；

所述运动机构包括底座、支撑杆、连接块、横杆、配重块、三轴运动机构、无人机安装架；所述支撑杆的下部与所述底座之间通过旋转轴承连接；所述连接块通过单轴轴承与所述横杆的中后部连接，所述横杆的后部与所述配重块连接，所述横杆的前部与所述三轴运动机构连接，所述三轴运动机构的下部与所述无人机安装架连接；所述三轴运动机构包括U形架、第一立杆、第一横杆、第二立杆、第二横杆；所述U形架的上部通过转轴与所述横杆的前部连接，所述第一立杆的顶部与所述U形架的底部垂直固定，所述第一立杆的下部安装有第一轴承，所述第一横杆的左端与所述第一轴承连接，所述第一横杆的右端安装有第二轴承，所述第二立杆的顶端与所述第二轴承连接，所述第二立杆的下端安装有第三轴承，所述第二横杆的右端与所述第三轴承连接，所述第二横杆的左端与所述无人机安装架固定；

所述四通道检测装置包括旋转轴承、单轴轴承、第一轴承、第二轴承、第三轴承上分别安装有编码器；

所述数据采集模块采用arduino单片机将每个编码器相应位置的角位移和角速度通过所述无线传输模块输送至数据监控与分析模块；

所述数据处理与分析模块包括数据处理单元与数据分析单元两部分算法构成，首先由数据处理单元将连接块8处的检测装置测得的角位移与角速度信息转换为高度与垂直速度信息，同时与姿态信息包括俯仰、滚装、航向通道的角速度与角位移通过滤波处理，发送至数据分析单元，数据处理单元需将接收机接收来自遥控器的四通道PWM信号处理为数值信号也发送至数据分析单元；

根据主机界面上的模式选择，如设备工作在无人机测试模式，则数据分析单元将数据处理后的两组数据通过性能测试系统PTS(Performance Test System)软件，检测飞控的加速度计与磁罗盘是否校准正确，检测各通道控制效果，并提出各通道PID参数修改建议。如设备工作在飞行训练模式，则数据分析单元启动飞行测试系统FTS(Flight Training System)软件，通过两组输入输出，对飞行员操控评测。

优选地，所述该设备可以切换至无人机系统测试模式，通过性能测试系统PTS(Performance Test System)可以实现包括加速度计校准、磁罗盘校准、俯仰控制通道测试、横滚控制通道测试、航向控制通道测试、高度控制通道测试、负载力测试测试项目。

优选地，所述该设备可以切换至飞行测试模式，通过飞行测试系统FTS(Flight Training System)为飞行员训练进行评测与指导。FTS系统包括起飞、悬停、降落、航向控制飞行训练项目。

本发明的有益效果是:相对于现有技术，该无人机测试与训练平台，对研发及组装好无人机进行飞行前测试，检查组装与调试过程中的失误与精度问题，为无人机操控人员提供安全的训练环境，通过评测系统可以更加科学的评测训练效果，为后续训练提供指导。具体有益效果如下:

1)提供了安全的无人机测试环境，保障了测试人员的安全问题；

2)通过运动结构设计，实现飞机六自由度运动，提供了安全的飞行训练环境，使训练不受环境、场地、时间等限制，提高培训效率；

3)通过无限旋转运动与四通道限位设计既保证了飞行空间与自由度，又减少了无人机飞行过程中的损耗，降低了培训成本；

4)通过检测装置与评测系统，实现无人机姿态与高度检测及与操控输入的监测，从而为飞行训练评测提供数据依据，通过与训练任务标准曲线对比，实现科学评测。

5)四通道参数检测，用数据与曲线展示校准精度与控制性能，大大缩短了调试时间，提高测试效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中运动机构的结构示意图；

图3为本发明的安装测试图；

图4为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，一种垂直起降无人机飞行测试训练系统，包括运动机构1、数据采集模块2、无线传输模块3、数据监控与分析模块4以及主控计算机5；

如图2和图3所述运动机构包括底座6、支撑杆7、连接块8、横杆9、配重块10、三轴运动机构11、无人机安装架12；所述支撑杆的下部与所述底座之间通过旋转轴承连接；所述连接块通过单轴轴承与所述横杆的中后部连接，所述横杆的后部与所述配重块连接，所述横杆的前部与所述三轴运动机构连接，所述三轴运动机构的下部与所述无人机安装架连接；所述三轴运动机构包括U形架13、第一立杆14、第一横杆15、第二立杆16、第二横杆17；所述U形架的上部通过转轴与所述横杆的前部连接，所述第一立杆的顶部与所述U形架的底部垂直固定，所述第一立杆的下部安装有第一轴承，所述第一横杆的左端与所述第一轴承连接，所述第一横杆的右端安装有第二轴承，所述第二立杆的顶端与所述第二轴承连接，所述第二立杆的下端安装有第三轴承，所述第二横杆的右端与所述第三轴承连接，所述第二横杆的左端与所述无人机安装架固定；所述旋转轴承、单轴轴承、第一轴承、第二轴承、第三轴承上分别安装有编码器。以上文字中的编码器都为同一种编码器，上述所说的轴承也是统一的轴承。

每个编码器将相应位置的角位移和角速度通过所述无线传输模块输送至数据监控与分析模块；

所述数据监控与分析模块通过单片机接收到每个位置的角位移与角速度信号，并将连接块位置的角位移与角速度信息转换为高度与速度信息，将俯仰通道角度变换同时配置同型号的接收机接收来自遥控器的四通道PWM信号，并处理为数值信号，最后由无线通信模块将以上信号统一发送至主控计算机。

所述主控计算机通过无线通信模块接收来自平台端信号与遥控端信号。通过性能测试系统PTS(Performance Test System)软件，检测飞控的加速度计与磁罗盘是否校准正确，检测各通道控制效果，并提出各通道PID参数修改建议。所述PTS包括加速度计校准、磁罗盘校准、俯仰控制通道测试、横滚控制通道测试、航向控制通道测试、高度控制通道测试、负载力测试测试项目。所述主控计算机可以切换至飞行测试模式，通过飞行测试系统FTS(Flight Training System)为飞行员训练进行评测与指导。FTS系统包括起飞、悬停、降落、航向控制飞行训练项目。

如图4所示，操作方式如下：

Step1：无人机系统自检

1、启动前调解配重块，使横杆平衡，将组装好的无人机通过平台上的无人机安装架与测试平台连接，开始机体结构安装检测：

2、通过施加外力使无人机与配平装置保持水平，同时观察无人机的机体是否水平，如果机体不处于水平，则表示无人机组装过程中存在没有配平问题，需重新卸下后进行调整，直至无人机机体保持水平。

3、首先控制遥控器油门通道测试飞机垂直通道响应，观察无人机高度变化。如油门一直增加而无人机无高度变化则提示电机与螺旋桨安装错误；如油门增加到一定出现姿态或航向变化剧烈，提示电机或螺旋桨安装错误；

Step 2：如以上响应正确，则进入控制系统测试环节：

开启电源系统为平台信号采集系统供电，测试人员开启无人机安全开关启动无人机。

1、通过主控界面进行平台自检；

2、选择要测试项目或飞行任务；

3、按照测试项目要求，控制飞行器，完成测试内容；

4、在主控计算机界面点击，操作完成；

5、查看飞行数据，根据测试结论调试无人机或根据飞行评价指导飞行操作。

测试结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。