小型无人直升机旋翼系统桨距标定系统及其标定方法
【专利摘要】本发明涉及一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定系统，所述的无人直升机具有主旋翼和稳定杆，包括数字桨距仪、数字水平仪以及地面控制系统，所述的地面控制系统包括遥控器、无线电站和地面站，所述的数字桨距仪的数量为两个，两个数字桨距仪分别安装在主旋翼和稳定杆上，所述的数字水平仪安装在稳定杆上，所述的遥控器上具有分别控制无人直升机运动的总距杆、横向操纵杆、纵向操纵杆和尾桨距杆本发明充分考虑了稳定杆的影响，能准确、可靠地得到小型无人直升机横纵向和总距通道的标定结果曲线。
【专利说明】小型无人直升机旋翼系统桨距标定系统及其标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定方法，它用于标定遥控器给出的操纵系统输入量与对应的桨叶周期变距角、总距角之间的关系。
【背景技术】
[0002]小型无人直升机的动力学建模和控制研究需要标定主旋翼周期变距角、总距角与遥控器所给的输入量之间的关系。小型无人直升机的旋翼机构包含Bell-Hiller稳定杆系统这一独特结构，使得其传动机构区别于有人直升机，在进行标定时需要充分考虑其对于传动参数标定的影响，从而需要标定在稳定杆系统影响后的输入和桨叶周期变距角、总距角的关系，即需要确定和Bell-Hiller稳定杆相关的参数。现有技术没有与此相关的技术。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术中小型无人直升机旋翼系统桨距标定的技术问题，提供一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定方法，充分考虑稳定杆的影响，准确、可靠地得到小型无人直升机横纵向和总距通道的标定结果曲线。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定系统，所述的无人直升机具有主旋翼和稳定杆，包括数字桨距仪、数字水平仪以及地面控制系统，所述的地面控制系统包括遥控器、无线电站和地面站，所述的数字桨距仪的数量为两个，两个数字桨距仪分别安装在主旋翼和稳定杆上，所述的数字水平仪安装在稳定杆上，所述的遥控器上具有分别控制无人直升机运动的总距杆、横向操纵杆、纵向操纵杆和尾桨距杆。
[0005]一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定方法，具有如下步骤:
[0006]一.纵向操纵量与主旋翼纵向周期变距角关系标定步骤:
[0007]步骤一:打开遥控器和地面站，确认地面站能正确采集遥控器的PWM信号并显示输入量的大小；
[0008]步骤二:将无人直升机置于水平地面上，总距杆收至最低位置，横向操纵杆和尾桨距杆处于中立位并锁死，在主旋翼和稳定杆上分别安装一个数字桨距仪并打开，在稳定杆上安装一个数字水平仪并打开，完成标定准备；
[0009]步骤三:将纵向操纵杆分别置于上下两个极限位置，通过读取地面站数据确定纵向操纵量的行程；
[0010]步骤四:将主旋翼摆至平行于机身方向，即0°方向，以纵向操纵量行程的1/6为标准从下极限位置逐渐增加至上极限位置或从上极限位置逐渐增加至下极限位置，读取并记录稳定杆上的数字桨距仪读数，此时主旋翼在0°方向并不受纵向操纵量的影响从而保持不动；
[0011]步骤五:将主旋翼摆至与机身垂直方向，即90°方向，在保持稳定杆不动的前提下，以纵向操纵量行程的1/6为标准从下极限位置逐渐增加至上极限位置或从上极限位置逐渐增加至下极限位置，读取并记录主旋翼上的数字桨距仪的读数；
[0012]步骤六:将稳定杆分别置于最低位和最高位，通过数字水平仪的差值确定其行程，同时读取并记录主旋翼在相应状态下的桨距角，确定对应的纵向周期变距角变化的行程；
[0013]步骤七:拟合步骤四中的稳定杆读数与纵向操纵量，从而确定参数ksb，lm ;拟合步骤五中的主旋翼桨距角读数与纵向操纵量，从而确定参数;拟合步骤六中的稳定杆行程与对应的主旋翼纵向周期变距角变化行程,从而确定参数klm ;最终完成标定主旋翼纵向周期变距角与纵向操纵量的关系；
[0014]二.横向操纵量与主旋翼横向周期变距角关系标定步骤:
[0015]步骤一:将无人直升机置于水平地面上，总距杆收至最低位置，纵向操纵杆和尾桨距杆处于中立位并锁死，将主旋翼和稳定杆上的数字桨距仪并打开，在稳定杆上安装一个数字水平仪并打开，完成标定准备；
[0016]步骤二:将横向操纵杆分别置于左右两个极限位置，通过读取地面站数据确定横向操纵量的行程；
[0017]步骤三:将主旋翼摆至垂直于机身方向，以横向操纵量行程的1/6为标准从左极限位置逐渐增加至右极限位置或从右极限位置逐渐增加至左极限位置，读取并记录稳定杆上的数字桨距仪读数，此时主旋翼在90°方向并不受横向操纵量的影响从而保持不动；
[0018]步骤四:将主旋翼摆至与机身平行方向，在保持稳定杆不动的前提下，以横向操纵量行程的1/6为标准从左极限位置逐渐增加 至右极限位置或从右极限位置逐渐增加至左极限位置，读取并记录主旋翼上的数字桨距仪的读数；
[0019]步骤五:将稳定杆分别置于最低位和最高位，通过数字水平仪的差值确定其行程，同时读取并记录主旋翼在相应状态下的桨距角，确定对应的横向周期变距角变化的行程；
[0020]步骤六:拟合步骤三中的稳定杆读数与横向操纵量数据，从而确定参数ksb，lat ;拟合步骤四中的主旋翼横向周期变距角读数与横向操纵量数据，从而确定参数k?，lat ;拟合步骤五中的稳定杆行程与对应的主旋翼横向周期变距角变化行程，从而确定参数klat ;最终完成标定主旋翼横向周期变距角与横向操纵量的关系；
[0021]三.主旋翼总距与总距输入量关系标定步骤:
[0022]步骤一:将横向操纵杆、纵向操纵杆和尾桨桨距杆处于中立位并锁死，总距杆由最低位置移至最高位或由最高位置移至最低位，读取地面站数据从而确定总距操纵量的行程;
[0023]步骤二:保持稳定杆水平位置不动，总距操纵量以1/10总行程为变化量逐渐由最低位置移至最高位置或由最高位置移至最低位置，每次变化均读取并记录主旋翼的数字桨距仪读数；
[0024]步骤三:关闭遥控器，关闭地面站；
[0025]步骤四:以数字桨距仪的读数作为自变量，以前述移动量作为应变量，用最小二乘方法拟合函数，从而完成主旋翼总距角与总距输入量间关系的标定。
[0026]本发明的有益效果是:本发明充分考虑了小型无人直升机稳定杆对桨距标定的影响，通过单独隔离稳定杆影响的方法可以准确、可靠地得到小型无人直升机横、纵向和总距通道的标定结果曲线。实际结果表明，此发明方法简单易行，所得结果可以很好的应用于旋翼系统挥舞运动的建模过程，具备广泛的应用前景和良好实用性。【专利附图】
【附图说明】
[0027]下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
[0028]图1是本发明的小型无人直升机旋翼系统桨距标定系统的原理示意图；
[0029]图2是本发明的小型无人直升机旋翼系统桨距标定方法的流程框图。
[0030]图中:1、数字桨距仪，2、遥控器，3、无线电站，4、地面站，5、数字水平仪，6、主旋翼，
7、稳定杆。
【具体实施方式】
[0031]现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0032]如图1所示，本发明的一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定系统，所述的无人直升机具有主旋翼6和稳定杆7，包括数字桨距仪1、数字水平仪5以及地面控制系统，所述的地面控制系统包括遥控器2、无线电站3和地面站4，所述的数字桨距仪I的数量为两个，两个数字桨距仪I分别安装在主旋翼6和稳定杆7上，所述的数字水平仪5安装在稳定杆7上，所述的遥控器2上具有分别控制无人直升机运动的总距杆、横向操纵杆、纵向操纵杆和尾桨距杆。
[0033]数字桨距仪I夹在主旋翼6桨叶和稳定杆7上，用于直接测量并显示主旋翼6桨叶及稳定杆7的桨距值；遥控器2，给出操纵输入量信号；无线电站3，用于接收遥控器发出的PWM信号；地面站4，用于解析无线电站3接收到的信号，并将测得的输入量显示出来；数字水平仪5，用于测量稳定杆上下摆振的行程。
[0034]如图2所示，一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定方法，具有如下步骤:
[0035]一.纵向操纵量与主旋翼纵向周期变距角关系标定步骤:
[0036]步骤一:打开遥控器和地面站，确认地面站能正确采集遥控器的PWM信号并显示输入量的大小；
[0037]步骤二:将无人直升机置于水平地面上，总距杆收至最低位置，横向操纵杆和尾桨距杆处于中立位并锁死，在主旋翼和稳定杆上分别安装一个数字桨距仪并打开，在稳定杆上安装一个数字水平仪并打开，完成标定准备；
[0038]步骤三:将纵向操纵杆分别置于上下两个极限位置，通过读取地面站数据确定纵向操纵量的行程；
[0039]步骤四:将主旋翼摆至平行于机身方向，即0°方向，以纵向操纵量行程的1/6为标准从下极限位置逐渐增加至上极限位置或从上极限位置逐渐增加至下极限位置，读取并记录稳定杆上的数字桨距仪读数，此时主旋翼在0°方向并不受纵向操纵量的影响从而保持不动；
[0040]步骤五:将主旋翼摆至与机身垂直方向，即90°方向，在保持稳定杆不动的前提下，以纵向操纵量行程的1/6为标准从下极限位置逐渐增加至上极限位置或从上极限位置逐渐增加至下极限位置，读取并记录主旋翼上的数字桨距仪的读数；
[0041]步骤六:将稳定杆分别置于最低位和最高位，通过数字水平仪的差值确定其行程，同时读取并记录主旋翼在相应状态下的桨距角，确定对应的纵向周期变距角变化的行程；[0042]步骤七:拟合步骤四中的稳定杆读数与纵向操纵量，从而确定参数ksb，lm ;拟合步骤五中的主旋翼桨距角读数与纵向操纵量，从而确定参数;拟合步骤六中的稳定杆行程与对应的主旋翼纵向周期变距角变化行程,从而确定参数klm ;最终完成标定主旋翼纵向周期变距角与纵向操纵量的关系；
[0043]二.横向操纵量与主旋翼横向周期变距角关系标定步骤:
[0044]步骤一:将无人直升机置于水平地面上，总距杆收至最低位置，纵向操纵杆和尾桨距杆处于中立位并锁死，将主旋翼和稳定杆上的数字桨距仪并打开，在稳定杆上安装一个数字水平仪并打开，完成标定准备；
[0045]步骤二:将横向操纵杆分别置于左右两个极限位置，通过读取地面站数据确定横向操纵量的行程；
[0046]步骤三:将主旋翼摆至垂直于机身方向，以横向操纵量行程的1/6为标准从左极限位置逐渐增加至右极限位置或从右极限位置逐渐增加至左极限位置，读取并记录稳定杆上的数字桨距仪读数，此时主旋翼在90°方向并不受横向操纵量的影响从而保持不动；
[0047]步骤四:将主旋翼摆至与机身平行方向，在保持稳定杆不动的前提下，以横向操纵量行程的1/6为标准从左极限位置逐渐增加至右极限位置或从右极限位置逐渐增加至左极限位置，读取并记录主旋翼上的数字桨距仪的读数；
[0048]步骤五:将稳定杆分别置于最低位和最高位，通过数字水平仪的差值确定其行程，同时读取并记录主旋翼在相应状态下的桨距角，确定对应的横向周期变距角变化的行程；
[0049]步骤六:拟合步骤三中的稳定杆读数与横向操纵量数据，从而确定参数ksb，lat ;拟合步骤四中的主旋翼横向周期变距角读数与横向操纵量数据，从而确定参数k?，lat ;拟合步骤五中的稳定杆行程与对应的主旋翼横向周期变距角变化行程，从而确定参数klat ;最终完成标定主旋翼横向周期变距角与横向操纵量的关系；
[0050]三.主旋翼总距与总距输入量关系标定步骤:
[0051]步骤一:将横向操纵杆、纵向操纵杆和尾桨桨距杆处于中立位并锁死，总距杆由最低位置移至最高位或由最高位置移至最低位，读取地面站数据从而确定总距操纵量的行程;
[0052]步骤二:保持稳定杆水平位置不动，总距操纵量以1/10总行程为变化量逐渐由最低位置移至最高位置或由最高位置移至最低位置，每次变化均读取并记录主旋翼的数字桨距仪读数；
[0053]步骤三:关闭遥控器，关闭地面站；
[0054]步骤四:以数字桨距仪的读数作为自变量，以前述移动量作为应变量，用最小二乘方法拟合函数，从而完成主旋翼总距角与总距输入量间关系的标定。通过地面站采集遥控器发射的PWM信号从而确定操纵系统的实际横纵向以及总距输入量。通过使主旋翼处在0°和90°的特殊位置上，将稳定杆对主旋翼周期变距角的影响隔离出来，先标定没有稳定杆时主旋翼周期变距角与输入量之间的关系。之后再去除输入量，单独标定稳定杆挥舞角与主旋翼桨距角之间的关系。结合数字桨距仪和数字水平仪测得主旋翼周期变距和总距输入量，从而完成与操纵输入量之间的标定。
[0055]主旋翼的横纵向周期变距取决于两部分，一是遥控器控制舵机给出的输入量，另一个是稳定杆的挥舞角，关系式如下。实验时通过控制其中一个变量保持不变，去测量主旋翼横纵向周期变距与另一变量的关系来确定相关的系数。
[0056]Θ mr, as = k?，1οη δ lon+klon Θ sb，cs
[0057]9 mr, bs = kmr； lat δ lat+klat Θ sb，ds
[0058]稳定杆横纵向周期变距与舵机输入量成正比，通过采集PWM信号获得舵机输入量，再用数字桨距仪[I]测量稳定杆的挥舞角，即可确定系数ksb，lm和ksb，lat。
[0059]0sb, cs = ksb；lon5lon
[0060]9 sb, ds = ksb；lat δ lat
[0061]主旋翼总距与舵机操纵量近似呈线性关系，通过最小二乘法拟合舵机输入量与对应的桨叶总距变化量的关系，可以得到相应的系数。
[0062]Θ col — kcol δ col+ Θ col，0。
[0063]以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的`内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【权利要求】
1.一种小型无人直升机旋翼系统桨距标定系统，所述的无人直升机具有主旋翼和稳定杆，其特征是:包括数字桨距仪、数字水平仪以及地面控制系统，所述的地面控制系统包括遥控器、无线电站和地面站，所述的数字桨距仪的数量为两个，两个数字桨距仪分别安装在主旋翼和稳定杆上，所述的数字水平仪安装在稳定杆上，所述的遥控器上具有分别控制无人直升机运动的总距杆、横向操纵杆、纵向操纵杆和尾桨距杆。
2.—种小型无人直升机旋翼系统桨距标定方法，其特征是具有如下步骤: 一.纵向操纵量与主旋翼纵向周期变距角关系标定步骤: 步骤一:打开遥控器和地面站，确认地面站能正确采集遥控器的PWM信号并显示输入量的大小； 步骤二:将无人直升机置于水平地面上，总距杆收至最低位置，横向操纵杆和尾桨距杆处于中立位并锁死，在主旋翼和稳定杆上分别安装一个数字桨距仪并打开，在稳定杆上安装一个数字水平仪并打开，完成标定准备； 步骤三:将纵向操纵杆分别置于上下两个极限位置，通过读取地面站数据确定纵向操纵量的行程； 步骤四:将主旋翼摆至平行于机身方向，即0°方向，以纵向操纵量行程的1/6为标准从下极限位置逐渐增加至上极限位置或从上极限位置逐渐增加至下极限位置读取并记录稳定杆上的数字桨距仪读数，此时主旋翼在0°方向并不受纵向操纵量的影响从而保持不动； 步骤五:将主旋翼摆至与机身垂直方向，即90°方向在保持稳定杆不动的前提下，以纵向操纵量行程的1/6为标准从下极限位置逐渐增加至上极限位置或从上极限位置逐渐增加至下极限位置，读取并记录主旋翼上的数字桨距仪的读数； 步骤六:将稳定杆分别置于最低位和最高位，通过数字水平仪的差值确定其行程，同时读取并记录主旋翼在相应状态下的桨距角，确定对应的纵向周期变距角变化的行程； 步骤七:拟合步骤四中的稳定杆读数与纵向操纵量，从而确定参数ksb，lm ;拟合步骤五中的主旋翼桨距角读数与纵向操纵量，从而确定参数;拟合步骤六中的稳定杆行程与对应的王旋翼纵向周期变距角变化彳丁程，从而确定参数k1()n ;最终完成标定王旋翼纵向周期变距角与纵向操纵量的关系； 二.横向操纵量与主旋翼横向周期变距角关系标定步骤: 步骤一:将无人直升机置于水平地面上，总距杆收至最低位置，纵向操纵杆和尾桨距杆处于中立位并锁死，将主旋翼和稳定杆上的数字桨距仪并打开，在稳定杆上安装一个数字水平仪并打开，完成标定准备； 步骤二:将横向操纵杆分别置于左右两个极限位置，通过读取地面站数据确定横向操纵量的行程； 步骤三:将主旋翼摆至垂直于机身方向，以横向操纵量行程的1/6为标准从左极限位置逐渐增加至右极限位置或从右极限位置逐渐增加至左极限位置，读取并记录稳定杆上的数字桨距仪读数，此时主旋翼在90°方向并不受横向操纵量的影响从而保持不动； 步骤四:将主旋翼摆至与机身平行方向，在保持稳定杆不动的前提下，以横向操纵量行程的1/6为标准从左极限位置逐渐增加至右极限位置或从右极限位置逐渐增加至左极限位置，读取并记录主旋翼上的数字桨距仪的读数；步骤五:将稳定杆分别置于最低位和最高位，通过数字水平仪的差值确定其行程，同时读取并记录主旋翼在相应状态下的桨距角，确定对应的横向周期变距角变化的行程； 步骤六:拟合步骤三中的稳定杆读数与横向操纵量数据，从而确定参数ksb，lat;拟合步骤四中的主旋翼横向周期变距角读数与横向操纵量数据，从而确定参数k?，lat;拟合步骤五中的稳定杆行程与对应的主旋翼横向周期变距角变化行程，从而确定参数klat;最终完成标定主旋翼横向周期变距角与横向操纵量的关系； 三.主旋翼总距与总距输入量关系标定步骤: 步骤一:将横向操纵杆、纵向操纵杆和尾桨桨距杆处于中立位并锁死，总距杆由最低位置移至最高位或由最高位置移至最低位，读取地面站数据从而确定总距操纵量的行程；步骤二:保持稳定杆水平位置不动，总距操纵量以1/10总行程为变化量逐渐由最低位置移至最高位置或 由最高位置移至最低位置，每次变化均读取并记录主旋翼的数字桨距仪读数； 步骤三:关闭遥控器，关闭地面站； 步骤四:以数字桨距仪的读数作为自变量，以前述移动量作为应变量，用最小二乘方法拟合函数，从而完成主旋翼总距角与总距输入量间关系的标定。
【文档编号】G05B23/02GK103558839SQ201310537249
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】许伟, 张浩宇 申请人:新誉集团有限公司