一种三自由度飞行控制实验台的制作方法

本实用新型属于飞行器飞行模拟教学技术领域，尤其涉及一种三自由度飞行控制实验台。

背景技术：

四旋翼无人机体积小，结构简单可靠，飞行灵活，适合复杂环境下的作业，能在近地面环境执行巡查、监测等任务，可用于军事和民用。四旋翼无人机可以通过远程遥控设备控制飞行，与载人飞机相比，它具有体积适中、造价低廉、使用方便的特点。与其他无人机相比它机械结构设计简单，滞空能力强，静态飞行、低速飞行特性好，可以很容易的实现各种飞行姿态。应用于军事上，可配备相机或者摄像机，完成低空的侦察任务，监视战场进行损伤评估等。

四旋翼飞行器的整体结构虽然相对简易，但是作为一个多输入多输出的控制系统，空气动力学特性复杂，系统建模也相对困难，外部的干扰更是增加了对其控制的算法的要求。而且它也是一个多学科的技术综合体，涉及到刚体动力学，空气动力学，控制，检测，信息等学科。

目前，多数高校及科研机构采用纯数值仿真实验的方法模拟飞行器的飞行，这样的实验手段虽高效便捷，但由于其难于真实地展现复杂多变的实际情况，使仿真结果的置信度大大降低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了避免纯数值仿真所带来的弊端，而建立了一种三自由度飞行控制实验台，同时也克服了实物飞行试验所带来的风险大、成本高等缺点，功能完善、操作简单，对于学生能更好地理解这一控制系统，提高动手能力、增强实际工程经验也具有重要意义。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种三自由度飞行控制实验台，包括底座，控制器安装板、安装板、罩壳、托板、电缸、导轨、圆法兰直线轴承、方位轴座、旋转编码器、导电滑环、十字绞下叉、十字绞上叉、十字绞、无人机安装板；

所述底座上具有上部开口的筒罩，所述安装板安装于该筒罩开口处，所述罩壳安装在安装板上，所述底座、筒罩、安装板、罩壳通过安装为一个整体；

所述罩壳顶部上以及安装板上各开设有四个上下对应的通孔，一个电缸以及三个圆法兰直线轴承对应固定一个安装板的通孔处，每个圆法兰直线轴承内设有一根导轨，所述电缸的电缸轴穿过罩壳顶部的通孔，所述导轨也穿过罩壳顶部的通孔，位于罩壳外的电缸轴和导轨均连接托板；

所述方位轴座安装在安装板的上部，所述旋转编码器位于方位轴座内部；

所述罩壳顶部的中心位置以及托板的中心位置各开设有一个通孔，所述导电滑环贯穿上述两个通孔，且导电滑环固定在方位轴座上，所述导电滑环包括导电环底板、导电环主轴、导电环外壳，所述导电环主轴固定在方位轴座上，导电环底板位于导电环主轴下端，导电环外壳位于导电环主轴外部；

所述十字绞下叉安装在导电环主轴上端，所述十字绞上叉位于十字绞下叉上部，两者之间通过十字绞活动连接，所述无人机安装板安装在十字绞上叉上，所述无人机固定在无人机安装板上；所述托板的通孔大于十字绞下叉和十字绞上叉，托板可接触无人机安装板。

作为更进一步的优选方案，所述底座上还设有搬运手把，搬运手把位于筒罩外围。

作为更进一步的优选方案，所述筒罩内的底座上设有控制器安装板，控制器安装板上具有电缸驱动器及数据采集板。

作为更进一步的优选方案，所述导轨与托板之间通过导轨安装轴连接。

作为更进一步的优选方案，所述十字绞下叉与导电环主轴之间通过十字绞安装轴连接。

作为更进一步的优选方案，所述十字绞下叉上设有用于锁紧十字绞的十字绞锁片。

有益效果

1.本实用新型在实验过程中，被控对象采用的是真实的四旋翼飞行器，在保证安全的前提下，能使学生更深入了解四旋翼飞行器控制系统组成与设计，提高了教学效率和质量。

2.本实用新型的承载平台，其结构稳定、可靠，可将四旋翼飞行器平台进行上下移动，能限制飞行器姿态角的范围，同时承载平台中的编码器对于航向角起到了一定的补偿作用，提高了航向精度。

3.可以在该实验平台上进行新的算法验证，避免因算法失误而造成的经济损失，从而能减小研发成本。

附图说明

图1是本实用新型整体架构图；

图2是本实用新型的主视图；

图3是本实用新型的左视图；

图4是本实用新型的俯视图；

图5是本实用新型的控制/驱动图；

其中，1-底座，2-搬运手把，3-安装板，4-罩壳，5-托板，6-十字绞，7-无人机安装板，8-控制器安装板，9-电缸，10-旋转编码器，11-导轨，12-方位轴座，13-圆法兰直线轴承，14-导电环底板，15-导电环主轴，16-导电环外壳，17-导轨安装轴，18-十字绞下叉，19-十字绞锁片，20-十字绞安装轴，21-十字绞上叉。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，详细描述本实用新型的实施方式，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。

如图1所示，本实用新型主要由机械设计部分与飞行控制部分组成。机械设计部分主要对四旋翼飞行器进行固定，把四旋翼固定到实验台上，可以保障实验的安全，同时实验台内装有电缸，可对四旋翼飞行器平台进行上下移动。飞行控制部分主要有三个作用，一是对四旋翼飞行器进行控制，二是与底座里的数据采集板进行通信，三是与上位机进行通信，可以在上位机界面上写指令进行控制；

整体架构的组成如下：稳压电源、承载平台、电缸驱动及编码器、数据采集板、四旋翼无人机、飞行控制板、遥控器、平台pc机。其中，稳压电源给整个实验台进行供电，承载平台是整个实验台的机械设计部分。在承载平台内部装有电缸驱动器，用来控制电缸的升降，通过托板的上下移动来限制姿态角的范围，编码器用作航向角的补偿，数据采集板将该信息反馈给飞行控制板。飞行控制板直接安装在四旋翼飞行器上，同时，使用遥控器和2.4ghz接收机进行无线通信，可实现对四旋翼飞行器的手动飞行。平台pc机装有上位机软件，用于下达指令以及接收飞行器的姿态信息。

上位机，其主界面主要由五大部分组成：数字示波器，数字信号发生器，控制系统结构图和操作面板。其中，数字示波器主要用来显示指令测量范围、反馈测量范围、角速率测量范围以及控制测量范围，可通过数字示波器旋钮调节示波器的状态、选择通道以及设置量程等。同时数字示波器也具有打印功能，可将实验获得数据以及曲线进行打印，方便后面的数据记录与分析。同时数字信号发生器可对输入信号参数进行编辑，可以选择单通道实验，或者是多个通道的任意组合实验。控制系统结构图由姿态角环控制器，角速率环控制器，姿态角环反馈，角速率环反馈，控制分配，四旋翼等几个模块组成。操作面板有准备按钮，俯仰、滚转和偏航通道选择按钮，限位姿态输入编辑栏，达位启动按钮，开始试验按钮，时域频域切换按钮，时域频域分析按钮和结束实验按钮。

本实用新型通信方式主要采用无线wifi传输，飞行控制板与数据采集板都搭载了esp32通信模块，其通信方式通过at指令进行配置。

通过at指令对esp32进行如下配置：将飞行控制板配置成tcp服务器；将数据采集板配置成tcp客户端1。上位机写成tcp客户端2。tcp服务器可与其所有客户端之间通信，客户端之间不可进行通信。

该实验台及示教系统同时配有遥控器，可以通过上位机控制，也可使用遥控器进行手动控制。

飞行控制板与数据采集板都设计了宽电压输入，即满足直流9v~36v的输入电压范围。

该实验台及示教系统的供电采用稳压电源外界供电，所有控制板、驱动器以及电调都选用直流12v供电。

所有控制板都搭载了eeprom，都具有断电保存数据的功能。同时编码器为绝对式编码器，也具有断电保存数据的功能。

本实用新型为四旋翼飞行器特别制作了一个三自由度的承载平台，其顶端安置了一个十字绞，该十字绞可以进行两个自由度的转动；具体的说，十字绞下叉与十字绞上叉都设有过孔，过孔与十字绞上的十字绞锁片相配合，用来锁住十字绞。十字绞的上叉通过螺丝与四旋翼飞行器紧固连接，十字绞的下叉通过螺丝与导电环主轴进行连接，导电环主轴可以进行360度旋转，呈现出真实的三维姿态变化，同时轴的另一端安装了编码器，用来做航向角的补偿。

本实用新型选用tdk运动传感器构成机载姿态传感器，用于测量四旋翼飞行器的姿态信息，该姿态传感器重量轻，体积小，功率低，可以输出三维线加速度、三维角速度等数据，通过spi协议与外界通信。

飞行控制部分主要有飞行控制板与数据采集板组成，飞行控制板主要用于控制四旋翼无人机，其上搭载了无线wifi模块，用于和数据采集板以及上位机进行通信。数据采集板用来控制底座中电缸的升降以及读取编码器数据，可以通过上位机写指令给飞行控制板，然后飞行控制板把指令发送给数据采集板，起到上位机对数据采集板的控制。

本实用新型的飞行控制板采用stm32f767vit6为主控芯片，用于接收、解析上位机以及数据采集板发过来的信息，可快速生成四路pwm信号驱动四个电机实现飞行器的姿态控制，同时，可向上位机反馈飞行器的姿态信息。此外，该芯片也同时配置了六路输入捕获，用于接2.4ghz接收机，使用遥控器进行无线通信，实现手/自动飞行的无缝切换，保证飞行器的安全。

本实用新型的数据采集板采用stm32f103c8t6为主控芯片，用于接收、解析飞行控制板发过来的信息，可快速生成pwm信号驱动电缸进行上下移动，此外，该芯片配置了spi接口，用来读取编码器的角度信息，并将该数据发送给飞行控制板，实现对航向角的补偿，确保航向的精度。

如图2所示，整个实验台外部从下往上分别为底座1、搬运手把2、安装板3、罩壳4、托板5、十字绞6、无人机安装板7；内部从下往上分别为控制器安装板8、电缸9、方位轴座12、圆法兰直线轴承13、导电环底板14、导电环主轴15、导电环外壳16。搬运手把2安装在底座1的两侧，在底座1内部装有控制器安装板8，上面主要装电缸驱动器及数据采集板，底座1的上面是安装板3，安装板3一侧的方孔是用来装电缸9的，其他的三个圆孔配上圆法兰直线轴承13用来安装导轨11。在安装板3正中央的上部装了方位轴座12，方位轴座12的内部安装了旋转编码器10，方位轴座12的上面装了导电滑环，这里的导电滑环，主要由导电环外壳16、导电环轴承外套、导电环轴承挡圈、导电环轴承内套、导电环隔套、导电环垫圈以及角接触球轴承组成。整个安装板3的上面装有罩壳4，在罩壳4的上面通过电缸轴还有三个导轨11支撑一个托板5，托板5通过电缸9可以进行上下移动，导电滑环主轴15连接一个十字绞6，可模拟俯仰运动与滚转移动，在十字绞的上面装有无人机安装板7，在板上可固定轴径450的四旋翼无人机。

十字绞6可以在两个方向上转动，本实用新型用它来模拟无人机的俯仰运动和滚转运动。将无人机固定在无人机安装板7上，无人机安装板7安装在十字绞上叉21上，十字绞上叉21的转动可以看作无人机的滚转运动；十字绞下叉18固定在下面的十字绞安装轴20，十字绞下叉18的转动可以看做无人机的俯仰运动；十字绞安装轴20与导电环主轴15相连，导电环主轴15可以在无人机力的作用下转动，这个运动看作是无人机的偏航运动。三自由度的运动就是靠十字绞和导电滑环来共同完成。

托板5通过螺丝与下面的电缸轴以及三个导轨11连接，导轨11通过圆法兰直线轴承13进行上下滑动，电缸9提供动力，在电缸轴及导轨11的支撑下，托板5可以进行上下移动。其中，托板5的通孔大于十字绞下叉18和十字绞上叉21。托板5可接触无人机安装板7，当托板5往上升时，无人机安装板7与托板5形成的角度就变小，此时，无人机飞行的姿态角变化范围也将变小。

利用本实验平台及示教系统，结合自动控制原理、飞行控制原理等课程，主要完成以下几个实验：

1、建模实验

在对四旋翼飞行器控制系统进行分析和设计时，首先要建立系统的数学模型。而控制系统的数学模型是描述系统中各元器件的特性以及各种信号的传递和转换关系的数学表达式。因此，它可使我们避开系统不同的物理特性，在一般意义下研究控制系统的普遍规律。学生可通过本实验建立系统的实际模型，并评估模型建立的准确性。

2、时域性能测试实验

使用时域分析法对控制系统进行研究，就是对控制系统施加典型的时域输入信号，通过测量并分析系统的输出响应，实现对控制系统性能的研究。

3、频域性能测试实验

频率特性实验测定法通过改变信号的频率，由低频到高频，依次记录各频率点对应的系统稳态输出波形。依据输出与输入信号的幅值比和相位差，绘制系统的对数频率特性曲线，从而得出被测系统的频率特性。通过频率特性曲线的一些特征点，也可以确定出系统的数学模型。

4、算法验证实验

在进行实物验证之前，可以将其算法下载到该实验平台上，通过上位机观测各个角度的跟随情况，用于判断算法的可行性，避免因算法失误而造成的经济损失。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。