一种双旋翼天平实验装置的制作方法

本发明涉及一种双旋翼天平实验装置，属于高等学校实验器材、无人机控制技术领域。

背景技术：

无人机等航空器的姿态控制涉及三自由度控制，其基础均为单自由度绕质心运动控制。开发与实现无人机飞行控制系统，必须先实现单轴稳定控制，进而在小偏差线性化解耦等措施后再实现多轴叠加控制。同时高等学校自动控制相关专业的实验课需要一种具象的、可控的实验设备，作为学生运用课堂理论知识的工具及编程对象。双旋翼天平是一种涉及单自由度控制的理想实验装置，可同时满足以上两方面的需求。

现今多旋翼飞行器在无人机领域占有较大比重，而双旋翼天平是一种既反映了多旋翼飞行器真实工况、又实现了飞行器单轴绕质心运动简化的装置。其控制信号仍为可变占空比的pwm波，以高电平脉宽调制无刷电机转速，有效脉宽大约在1ms～2ms之间，并通过天平两端旋翼的转速/升力差来实现天平的姿态调整。

通过地面实验装置研制无人机的飞行控制系统，可以节约成本、大大降低无人机在飞行测试中的损伤风险，同时便于更改控制律设计、调整控制参数等，是一种无人机飞控系统研制的高效途径。

传统的高校自动控制专业实验装置抽象难懂，大都以各种元件搭建一个电路系统，通过单纯的信号输出来模拟系统的控制效果，给学生的理解带来困难。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决无人机飞控系统研发的多自由度姿态控制问题，以及高等学校的自动控制专业实验装置问题，提供了一种双旋翼天平实验装置。所述双旋翼天平实验装置是一种形象具体的实物控制对象，同时结合了现今无人机研究领域的热点，可以激发学生的学习兴趣，在很大程度上改善教学效果。所采取的技术方案为：

一种双旋翼天平实验装置，所述实验装置包括天平摆臂1、中心夹座2、轴承3、天平支撑座4、限位器5、脚架6、电机托架7、无刷电机8、姿态传感器9、无刷电调10、控制器万用板11、触摸屏12和电源接口13；

所述天平摆臂1穿过中心夹座2安装在所述中心夹座2上，并且，所述天平摆臂1相对于中心夹座2的两端出度相同，且出度固定；

所述中心夹座2与天平摆臂1相互垂直的两端分别对应置于两颗轴承3内；

所述两颗轴承3设置在天平支撑座4上端的轴承放置孔内；所述天平支撑座4的下部分为左右侧箱壁可展开式的箱体结构；

2个所述限位器5固定安装在天平支撑座4的箱体结构的上表面上，并位于中心夹座2的下方；

4个所述脚架6安装在所述天平支撑座4的下表面上，并且所述4个脚架6组成x型结构；

2个所述电机托架7分别对应安装于所述天平摆臂1的两端；

2个所述无刷电机8分别对应安装在所述电机托架7上；

所述姿态传感器9固定安装在所述中心夹座2的上表面；

2个所述无刷电调10设置在所述箱体结构的左侧箱壁内，所述无刷电调10在左侧箱壁进行展开时，随箱壁的展开而展开，展开程度最大至其与所述天平摆臂1相互平行；

所述控制器万用板11设置在所述天平支撑座4的箱体结构内，并且位于箱体结构的右侧；

所述触摸屏12固定安装在所述箱体结构的正面外表面上；

所述电源接口13固定安装于所述所述箱体结构的左侧箱壁内并位于所述无刷电调10的一侧。

进一步地，每个所述脚架6均采用可展折(可进行展开与折叠动作)式结构。

进一步地，所述控制器万用板11的无刷电调控制信号输出端分别与2个所述无刷电调10的电调控制信号输入端相连；2个所述无刷电调10的电调信号输出端分别对应于2个所述无刷电机8的电调信号输入端相连；所述2个所述无刷电调10的电源信号输入端分别与所述电源接口13的电源信号输出端相连；所述控制器万用板11的姿态信号输入端与所述姿态传感器9的姿态信号输出端相连；所述控制器万用板11的触摸显示信号交互端与所述触摸屏2触摸显示信号交互端相连；所述控制器万用板11数据信号交互端通过j-link编程器与pc机建立数据交互连接。其中，控制器万用板11传输的是单片机运行程序.hex文件，也就是说，控制器万用板里的单片机程序是可以更新的。

进一步地，所述无刷电机8采用e-maxrs22052600kv，所述姿态传感器9采用mpu6050，所述无刷电调10采用x-rotor20a，所述控制器万用板11采用stm32f103c8t6单片机，所述触摸屏12采用2.4寸tft屏。

进一步地，所述实验装置的控制器万用板11包括单片机14，编程器管脚组15，姿态传感器管脚组16，电机驱动管脚组17，触摸屏管脚组18，其他管脚组19，复位按钮20。

进一步地，所述控制器万用板11的编程器管脚组15通过四联杜邦线与j-link编程器连接，其中，3.3v管脚对应j-link的vcc管脚，gnd管脚对应j-link的gnd，tck管脚对应j-link的swclk，tms管脚对应j-link的swdio；

所述控制器万用板11的姿态传感器管脚组16通过四联杜邦线与姿态传感器9连接，其中，所述控制器万用板11的单片机14的pb10管脚对应姿态传感器的sda，pb11管脚对应姿态传感器的scl，3.3v管脚对应姿态传感器的vcc，gnd管脚对应姿态传感器的gnd；

所述控制器万用板11的电机驱动管脚组17通过双联杜邦线分别与左右的2个无刷电调10连接，其中，单片机14的pa06管脚对应左侧无刷电调的白线，pa07管脚对应右侧无刷电调的白线，gnd管脚对应左右两侧无刷电调的黑线；

所述控制器万用板11的触摸屏管脚组18通过四联杜邦线与触摸屏12连接，其中，3.3v管脚对应触摸屏12的红线，gnd管脚对应触摸屏12的黑线，rxd管脚对应触摸屏12的蓝线，txd管脚对应触摸屏12的黄线。

进一步地，所述天平摆臂1的摆动角度范围通过限位器5进行调整，所述天平摆臂1的摆动角度调整范围0°～30°。

进一步地，所述天平支撑座4下部箱体结构的左右两侧箱壁均具有闭合和张开两种状态，张开角度范围0°～90°，方便进行连线及电气设备扩展。

进一步地，所述4个脚架6具有折叠和延长功能，折叠后长度为18cm，延长后长度为30cm；4个脚架6存在收拢和展开两个状态，其展开角度为0°～45°。

进一步地，2个无刷电机8上锁有三叶正反桨，且均带螺旋桨保护器。

进一步地，所述姿态传感器9指向东、南、西、北4个方向放置，且均设有走线孔位。

本发明有益效果：

本发明使用双旋翼天平实验装置代替无人机实物进行飞控系统设计与飞行试验，降低试验危险系数与成本，便于快速重复实验。

本发明可面向高等院校自动控制专业的实验教学，是一种具象的实体实验设备，并以无人机热点研究为对象，可以使学生形象的理解自动控制原理及应用，同时激发学生的学习兴趣。

本发明采用stm32f103c8t6单片机为核心控制元件，可重复编程，可下载和更新用户自行设计的控制律，具有灵活的升级空间。

本发明采用以单片机为核心元件的数字电路设计，利用定时器的pwm输出单元可实现50hz～400hz电调所能识别的无刷电机驱动信号的最大频带，理论上可以支持任何品牌的无刷电调和电机。

本发明驱动电机的pwm信号有效分辨率可达24000，控制律调整时间<0.5秒，超调量<7.8％，稳态误差<5％。

本发明含有角度限位装置，天平角度限定范围为0°～30°，可根据需求任意调节。

本发明含有可调稳定脚架装置，脚架展开角度为0°～45°，单脚架展开长度为30cm，折叠长度为18cm，可根据需求任意调节天平的稳定性。

本发明所有电气连线均包含于机械装置内，没有任何导线外露，保证了天平运动的阻尼最小，同时保证了设备的安全运行。

附图说明

图1是本发明所述双旋翼天平实验装置的原理框图；

图2是本发明所述双旋翼天平实验装置的结构示意图；

图3是本发明所述双旋翼天平实验装置的控制器万用板引脚图。

(1、天平摆臂；2，中心夹座；3，轴承；4，天平支撑座；5，限位器；6，脚架；7，电机托架；8，无刷电机；9，姿态传感器；10，无刷电调；11，控制器万用板；12，触摸屏；13，电源接口；14，单片机；15，编程器管脚组；16，姿态传感器管脚组；17，电机驱动管脚组；18，触摸屏管脚组；19，其他管脚组；20，复位按钮)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种双旋翼天平实验装置，如图2所示，所述实验装置包括天平摆臂1、中心夹座2、轴承3、天平支撑座4、限位器5、脚架6、电机托架7、无刷电机8、姿态传感器9、无刷电调10、控制器万用板11、触摸屏12和电源接口13；

所述天平摆臂1穿过中心夹座2安装在所述中心夹座2上，并且，所述天平摆臂1相对于中心夹座2的两端出度相同，且出度固定；

所述中心夹座2与天平摆臂1相互垂直的两端分别对应置于两颗轴承3内；

所述两颗轴承3设置在天平支撑座4上端的轴承放置孔内；所述天平支撑座4的下部分为左右侧箱壁可展开式的箱体结构；

2个所述限位器5固定安装在天平支撑座4的箱体结构的上表面上，并位于中心夹座2的下方；

4个所述脚架6安装在所述天平支撑座4的下表面上，并且所述4个脚架6组成x型结构；

2个所述电机托架7分别对应安装于所述天平摆臂1的两端；

2个所述无刷电机8分别对应安装在所述电机托架7上；

所述姿态传感器9固定安装在所述中心夹座2的上表现；

2个所述无刷电调10设置在所述箱体结构的左侧箱壁内，所述无刷电调10在左侧箱壁进行展开时，随箱壁的展开而展开，展开程度最大至其与所述天平摆臂1相互平行；

所述控制器万用板11设置在所述天平支撑座4的箱体结构内，并且位于箱体结构的右侧；

所述触摸屏12固定安装在所述箱体结构的正面外表面上；

所述电源接口13固定安装于所述所述箱体结构的左侧箱壁内并位于所述无刷电调10的一侧。

其中，每个所述脚架6均采用可展折(可进行展开与折叠动作)式结构。

所述天平摆臂1的摆动角度范围通过限位器5进行调整，所述天平摆臂1的摆动角度调整范围0°～30°。

所述天平支撑座4下部箱体结构的左右两侧箱壁均具有闭合和张开两种状态，张开角度范围0°～90°，方便进行连线及电气设备扩展。

所述4个脚架6具有折叠和延长功能，折叠后长度为18cm，延长后长度为30cm；4个脚架6存在收拢和展开两个状态，其展开角度为0°～45°。2个无刷电机8上锁有三叶正反桨，且均带螺旋桨保护器。所述姿态传感器9指向东、南、西、北4个方向放置，且均设有走线孔位。

如图1所示，所述控制器万用板11的无刷电调控制信号输出端分别与2个所述无刷电调10的电调控制信号输入端相连；2个所述无刷电调10的电调信号输出端分别对应于2个所述无刷电机8的电调信号输入端相连；所述2个所述无刷电调10的电源信号输入端分别与所述电源接口13的电源信号输出端相连；所述控制器万用板11的姿态信号输入端与所述姿态传感器9的姿态信号输出端相连；所述控制器万用板11的触摸显示信号交互端与所述触摸屏2触摸显示信号交互端相连；所述控制器万用板11数据信号交互端通过j-link编程器与pc机建立数据交互连接。其中，控制器万用板11传输的是单片机运行程序，hex文件，也就是说，控制器万用板里的单片机程序是可以更新的。

所述无刷电机8采用e-maxrs22052600kv，所述姿态传感器9采用mpu6050，所述无刷电调10采用x-rotor20a，所述控制器万用板11采用stm32f103c8t6单片机，所述触摸屏12采用2.4寸tft屏。

所述控制器万用板11的编程器管脚组15通过四联杜邦线与j-link编程器连接，其中，3.3v管脚对应j-link的vcc管脚，gnd管脚对应j-link的gnd，tck管脚对应j-link的swclk，tms管脚对应j-link的swdio；

所述控制器万用板11的姿态传感器管脚组16通过四联杜邦线与姿态传感器9连接，其中，所述控制器万用板11的单片机14的pb10管脚对应姿态传感器的sda，pb11管脚对应姿态传感器的scl，3.3v管脚对应姿态传感器的vcc，gnd管脚对应姿态传感器的gnd；

所述控制器万用板11的电机驱动管脚组17通过双联杜邦线分别与左右的2个无刷电调10连接，其中，单片机14的pa06管脚对应左侧无刷电调的白线，pa07管脚对应右侧无刷电调的白线，gnd管脚对应左右两侧无刷电调的黑线；

所述控制器万用板11的触摸屏管脚组18通过四联杜邦线与触摸屏12连接，其中，3.3v管脚对应触摸屏12的红线，gnd管脚对应触摸屏12的黑线，rxd管脚对应触摸屏12的蓝线，txd管脚对应触摸屏12的黄线。

按照上述双旋翼天平实验装置的结构进行组装完毕后，调整双旋翼天平实验装置(图2)的限位器5的高度，将天平的运动范围限定在所需角度；调整双旋翼天平实验装置(图2)的脚架6的展开角度和长度，使天平获得所需的稳定性；

使用j-link编程器的四联杜邦线插接至控制器万用板(图3)的编程器管脚组2，j-link编程器的usb接头插接至用于编程的pc机，或任意usb电源接口；

使用外置直流稳压电源的xt60端子插入双旋翼天平实验装置(图2)的电源接口13，稳压电源的三相插头插入电源插座；

使用j-link编程器将实验程序下载到控制器万用板11，再使用触摸屏12进行相应的菜单操作，实验程序包括：电机驱动实验、姿态识别实验和天平控制实验。下面对三个实验部分进行详细说明：

下面结合图2和图3说明电机驱动实验部分：

将双旋翼天平实验装置(图2)的2个限位器5全部松开，拧到最高限位的长度再锁死，确保天平摆臂1无法运动；

使用j-link编程器将电机驱动实验程序下载到双旋翼天平实验装置(图2)的控制器万用板11中；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“停车”按钮，确保电机驱动信号复位；

使用外置直流稳压电源的xt60端子插入双旋翼天平实验装置(图2)的电源接口13，稳压电源的三相插头插入电源插座，此时无刷电调10发出“滴”的一声长音确认加电完毕并进入正常工作状态；

按下控制器万用板(图3)的复位按钮20，运行电机驱动实验程序，此时双旋翼天平实验装置(图2)的目标驱动电机8会按照程序逻辑完成运转，在触摸屏12上会以电机转速表盘实时显示电机当前转速；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“切换视图”按钮，可以在电机转速表盘和电机转速曲线之间进行切换显示；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“停车”按钮，可以立即停止目标电机的运行；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“恢复”按钮，可以恢复目标电机的运行；

双旋翼天平实验装置自带的电机驱动实验程序使用频率为300hz的pwm波驱动目标电机，有效高电平脉宽为1ms～2ms，对应定时器ccrn值为3000～6000。

下面结合图2和图3说明姿态识别实验部分：

将双旋翼天平实验装置(图2)的2个限位器5全部松开，拧到合适的长度再锁死，确保天平摆臂1在所需角度范围内运动；

使用j-link编程器将姿态识别实验程序下载到双旋翼天平实验装置(图2)的控制器万用板11中；

按下控制器万用板(图3)的复位按钮20，运行姿态识别实验程序，此时在双旋翼天平实验装置(图2)的触摸屏12上会显示一个天平图像，该图像实时反馈天平摆臂1的当前角度；

用手扳动双旋翼天平实验装置(图2)的天平摆臂1，可观察触摸屏12上的天平图像角度变化，图像支点上方显示天平当前的倾角和角速度；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“切换视图”按钮，可以在天平图像和天平倾角/角速度曲线之间进行切换显示；

双旋翼天平实验装置(图2)自带的姿态识别实验程序使用iic通讯完成与姿态传感器9的数据交换，所得到的角速度及加速度原始值经过四元数解算后，作为天平的最终角度及角速度输出。传感器姿态获取及解算耗时约1ms，触摸屏12的天平图像及曲线刷新周期为30ms。

下面结合图2和图3说明天平控制实验部分：

将双旋翼天平实验装置(图2)的2个限位器5全部松开，拧到最短的长度再锁死，确保天平摆臂1在最大角度范围内运动；

使用j-link编程器将天平控制实验程序下载到双旋翼天平实验装置(图2)的控制器万用板11中；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“停车”按钮，确保电机驱动信号复位；

使用外置直流稳压电源的xt60端子插入双旋翼天平实验装置(图2)的电源接口13，稳压电源的三相插头插入电源插座，此时无刷电调10发出“滴”的一声长音确认加电完毕并进入正常工作状态；

按下控制器万用板(图3)的复位按钮20，运行天平控制实验程序，此时双旋翼天平实验装置(图2)的2颗无刷电机8会以缓启动方式开始运转，在触摸屏12上会显示一个天平图像，该图像实时反馈天平摆臂1的当前角度；

用手拨动双旋翼天平实验装置(图2)的天平摆臂1，可观察在控制律的作用下，天平无论受到何种干扰都能迅速恢复水平状态，不同的控制律拥有不同的控制效果；

当前控制律的外环(角度环)比例系数和积分系数分别显示在双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“kp1”、“ki1”区域；

当前控制律的内环(角速度环)比例系数、微分系数和积分系数分别显示在双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“kp2”、“kd2”、“ki2”区域；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“kp1”、“ki1”右侧的上下箭头，可以在线调整外环(角度环)的比例系数和积分系数；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“kp2”、“kd2”、“ki2”右侧的上下箭头，可以在线调整内环(角速度环)的比例系数、微分系数和积分系数；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“切换视图”按钮，可以在天平图像和天平倾角/角速度曲线之间进行切换显示；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“停车”按钮，可以立即停止2颗无刷电机8的运行；

点击双旋翼天平实验装置(图2)触摸屏12上的“恢复”按钮，可以恢复2颗无刷电机8的运行；

双旋翼天平实验装置自带的天平控制实验程序使用频率为300hz的pwm波驱动2颗无刷电机，有效高电平脉宽为1ms～2ms，对应定时器ccrn值为3000～6000，控制律为串级pid控制，控制周期为5ms，默认控制参数为kp1＝5，ki1＝0.02，kp2＝4，kd2＝0.3，ki2＝0。

本发明所述双旋翼天平实验装置的使用过程包括：

1、设备连接

将本发明的双旋翼天平实验装置组装完毕，并将左右限位柱调整到合适高度；将j-link编程器的4线编程端口连接至天平控制万用板，另一端usb端口连接至pc机；点击触摸屏“停车”按钮，确定无刷电机驱动信号复位；将外置直流稳压电源的xt60接头插入天平电源输入口，稳压电源的另一端三相插头插入市电220v插座，此时天平发出“滴”一声长音确认动力电源已连接。

2、烧录程序

使用keil5单片机程序编译环境，将需要做的实验程序(电机驱动实验、姿态识别实验、天平控制实验)烧录进天平控制万用板，一次只能做一种实验。在程序烧录期间，天平会发出“滴-滴-滴-滴”的报警音，这是无刷电调失去驱动信号进入保护的正常现象。烧录完成后，报警音即停止。

3、运行实验

按下天平万用板上的复位按钮，实验程序开始运行。根据需要使用触摸屏进行操作，如切换显示曲线、调整控制参数等。在退出实验或紧急情况时，点击触摸屏上的“停车”按钮切断无刷电机的动力电。

进行电机驱动实验时，在触摸屏上观察无刷电机随驱动律变化的转速。

进行姿态识别实验时，用手拨动天平摆臂，在触摸屏上观察角度与角速度变化的值和实时曲线。

进行天平控制实验时，用手拨动天平摆臂给予干扰，观察天平在控制律的调节下恢复水平的控制效果。

4、更新程序

使用keil5单片机程序编译环境，加载双旋翼天平实验装置自带的3个实验程序，根据需求对其中的电机驱动、姿态识别、天平控制代码段进行修改，并转回第2步重复使用过程；注意保存好设备自带的3个实验程序母版。

5、结束使用

先拔下外置直流稳压电源到旋翼天平实验装置的xt60插头，再拔下j-link编程器到天平万用板的四联杜邦线；扣好天平的右侧板翻盖；折叠回天平的4个撑脚；将天平放置在干燥避风处保管。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。