用于旋翼飞行器的机械故障调试装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种能够提高调试效果的用于旋翼飞行器的机械故障调试装置。该调试装置包括基座，所述基座通过可伸缩式脚架支撑，所述基座上表面安装有球面万向节，所述球面万向节上连接有编码器，所述球面万向节安装有力臂固定架，所述各个力臂上均安装有压力传感器，还包括控制处理芯片、遥控信号转接器以及显示装置。该调试装置可以实现对遥控器各路信号方向及行程检测，检测旋翼飞行器的传感器、旋翼是否工作正常，并初步检测旋翼的旋转轴心是否偏离过大等，根据上述检测的结果可以对飞行器的控制系统进行进一步的调试，减小机械安装误差对旋翼飞行器控制精度的影响，调试效果较好。适合在飞行器调试设备领域推广运用。
【专利说明】用于旋翼飞行器的机械故障调试装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于飞行器调试设备领域，具体涉及一种用于旋翼飞行器的机械故障 调试装置。
【背景技术】
[0002] 四旋翼飞行器是一种具有四个旋翼（螺旋桨）的无人飞行器。其四个旋翼呈十字 形或X形交叉结构，相对的两旋翼为一组，具有相同的旋转方向；不同组的旋翼旋转方向不 同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变旋翼（螺旋桨）的速度来实现各种 动作。它能够实现垂直起降、悬停、进退等飞行动作，具有机械结构简单、空间灵活性高、操 控简单、自治性好等特点，在航空拍摄、环境监控、地质遥测、安防监控、输电线路巡检等领 域具备广泛的应用前景，是近年来智能机器人研究的前沿领域。
[0003] 四旋翼飞行器通常依靠陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS等传感器构成的组合导航 系统实现姿态、位置的测量，并通过飞行控制器（微处理器）进行解算、再通过控制算法算 出姿态、位置控制信号；飞行控制器输出控制信号分别控制四个旋翼上的电子调速器，驱动 四个电机及其旋翼作相应速度的旋转，实现不同的飞行运动。该飞行器是一个典型的非线 性欠驱动系统，由四个驱动（输入）信号驱动四个电机及其旋翼转动，实现俯仰（进退）、横 滚、升降共六个飞行动作。
[0004] 四旋翼飞行器的空气动力学模型较为简单，飞行过程中对大气压及空气流动特性 的依赖程度较低。它在具备小区域、小范围灵活运动优势的同时，更容易受到周围环境以及 自身控制装置系统故障的影响，导致在短时间内发生偏航甚至坠机事故。四旋翼飞行控制 故障通常包括遥控器信号丢失、遥控信号不合理、传感器故障、电机伺服信号丢失、电机伺 服状态不合理、机械安装故障等六个方面。
[0005] 目前，旋翼飞行器的飞行控制故障调试仅仅是针对飞行控制系统调试，没有考虑 旋翼飞行器的机械安装精度带来的影响，即现有飞行器控制故障调试都是基于飞行器机械 安装精度在完美的状态下进行的，但是，由于受到各种外部条件的影响，机械安装精度无法 达到设计时的完美状态，必然会存在一定的安装误差，而且即便飞行器组装后对飞行器的 安装精度进行调试，但是，在通常情况下，飞行器安装精度的调试场地与实际飞行场地相隔 较远，调试好的机架在携带过程中也可能出现机架结构偏差，或接线错误，这种机械安装精 度的误差会导致实际飞行时旋翼飞行器的控制精度较差，而且，现有的飞行器故障调试是 采用航模进行的，这就要求调试时不仅需要航模操控经验，还需要借助电脑、卡尺等工具进 行，极为不便。 实用新型内容
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够提高调试效果的用于旋翼飞行 器的机械故障调试装置。
[0007] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：该用于旋翼飞行器的机械故 障调试装置，包括基座，所述基座通过可伸缩式脚架支撑，所述基座上表面安装有球面万向 节，所述球面万向节上连接有用于获取球面万向节三维姿态数据的编码器，所述球面万向 节上安装有力臂固定架，所述力臂固定架的力臂数量与旋翼飞行器的旋翼支架数量相对 应，所述各个力臂上均安装有压力传感器，当旋翼飞行器安装在力臂固定架上时，所述压力 传感器位于力臂与旋翼飞行器的旋翼支架之间用于检测该处旋翼产生的压力，还包括控制 处理芯片、遥控信号转接器以及显示装置，所述遥控信号转接器、压力传感器、编码器、显示 装置分别与控制处理芯片信号连接。
[0008] 进一步的是，所述可伸缩式脚架包括套筒，所述套筒内设置有支撑杆，所述套筒上 设置有锁紧装置。
[0009] 进一步的是，在套筒上设置锁紧螺母形成所述的锁紧装置。
[0010] 进一步的是，所述基座上设置有水平仪。
[0011] 进一步的是，所述力臂的末端连接有阻尼弹簧，所述阻尼弹簧的另一端固定在基 座的上表面。
[0012] 进一步的是，所述显示装置为IXD显示屏。
[0013] 本实用新型的有益效果在于：本实用新型所述的用于旋翼飞行器的机械故障调试 装置可以实现对遥控器各路信号方向及行程检测，检测旋翼飞行器的传感器、旋翼是否工 作正常，并初步检测旋翼的旋转轴心是否偏离过大，检测旋翼飞行器各轴悬停状态下的各 PID控制参数是否处于一定的合理范围之内，检测旋翼飞行器负载重心是否处于旋翼飞行 器旋转中心，操作人员可以根据上述检测的结果对飞行器的控制系统进行进一步的调试， 减小机械安装误差对旋翼飞行器控制精度的影响，可以提高飞行器的控制精度，调试效果 较好，而且，该用于旋翼飞行器的机械故障调试装置在使用时，只需先利用可伸缩式脚架将 基座支撑住并调平，并调节球面万向节使其处于平衡位置，然后将旋翼飞行器固定在力臂 固定架上，接着使旋翼飞行器做不同的姿态动作，即可完成上述检测，整个过程操作极为方 便，无需调试人员具有航模经验即可完成。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型用于旋翼飞行器的机械故障调试装置的三维结构示意图；
[0015] 附图标记说明：基座1、可伸缩式脚架2、套筒201、支撑杆202、球面万向节3、编码 器4、力臂固定架5、压力传感器6、控制处理芯片7、遥控信号转接器8、显示装置9、水平仪 10、阻尼弹簧11。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0017] 如图1所示，该用于旋翼飞行器的机械故障调试装置，包括基座1，所述基座1通 过可伸缩式脚架2支撑，所述基座1上表面安装有球面万向节3,所述球面万向节3上连接 有用于获取球面万向节3三维姿态数据的编码器4,所述球面万向节3上安装有力臂固定 架5,所述力臂固定架5的力臂数量与旋翼飞行器的旋翼支架数量相对应，所述各个力臂上 均安装有压力传感器6,当旋翼飞行器安装在力臂固定架5上时，所述压力传感器6位于力 臂与旋翼飞行器的旋翼支架之间用于检测该处旋翼产生的压力，还包括控制处理芯片7、遥 控信号转接器8以及显示装置9,所述遥控信号转接器8、压力传感器6、编码器4、显示装置 9分别与控制处理芯片7信号连接。本实用新型所述的用于旋翼飞行器的机械故障调试装 置可以实现对遥控器各路信号方向及行程检测，检测旋翼飞行器的传感器、旋翼是否工作 正常，并初步检测旋翼的旋转轴心是否偏离过大，检测旋翼飞行器各轴悬停状态下的各PID 控制参数是否处于一定的合理范围之内，检测旋翼飞行器负载重心是否处于旋翼飞行器旋 转中心，操作人员可以根据上述检测的结果对飞行器的控制系统进行进一步的调试，减小 机械安装误差对旋翼飞行器控制精度的影响，可以提高飞行器的控制精度，调试效果较好， 而且，该用于旋翼飞行器的机械故障调试装置在使用时，只需先利用可伸缩式脚架2将基 座1支撑住并调平，并调节球面万向节3使其处于平衡位置，然后将旋翼飞行器固定在力臂 固定架5上，接着使旋翼飞行器做不同的姿态动作，即可完成上述检测，整个过程操作极为 方便，无需调试人员具有航模经验即可完成。
[0018] 在上述实施方式中，所述可伸缩式脚架2可以采用现有的各种结构，只要能够实 现长度可以的目的即可，作为优选的方式是：所述可伸缩式脚架2包括套筒201，所述套筒 201内设置有支撑杆202,所述套筒201上设置有锁紧装置，这种结构的可伸缩式脚架2,在 调节时，打开锁紧装置，然后调节支撑杆202的伸出长度，将其调节到位后再用锁紧装置将 支撑杆202锁紧即可，调整过程方便快捷。进一步的是，所述锁紧装置可以采用现有的各种 紧固装置，作为优选的：在套筒201上设置锁紧螺母形成所述的锁紧装置。
[0019] 为了直观的观察和了解基座1是否调平，所述基座1上设置有水平仪10。
[0020] 为了便于将旋翼飞行器安装在力臂固定架5上，所述力臂的末端连接有阻尼弹簧 11，所述阻尼弹簧11的另一端固定在基座1的上表面，设置阻尼弹簧11是为了使力臂能够 不晃动，在安装旋翼飞行器时可以快速实现对接。
[0021] 为了便于观察，所述显示装置9为IXD显示屏。
[0022] 该用于旋翼飞行器的机械故障调试装置的使用过程如下：
[0023] 第一步、进行机械故障调试前的准备工作：
[0024] 1、首先将基座1通过可伸缩式脚架2固定于地表，并根据水平仪10调节可伸缩式 脚架2,确保基座1平稳，然后通过编码器4获取球面万向节3三维姿态，并调节球面万向节 3使其处于平衡位置即俯仰角、横滚角、航向角均为0°，此时旋翼飞行器也处于水平位置；
[0025] 2、将旋翼飞行器固定在力臂固定架5上，并将各旋翼臂与力臂固定架5的各个力 臂固定在一起，与此同时，通过LCD显示屏观察压力传感器6读数确保压力传感器6正常工 作，将遥控信号转接器8设置在遥控器信号接收机与旋翼飞行控制器之间，使得遥控信号 先经过遥控信号转接器8再进入飞行控制器。
[0026] 第二步、进行机械故障诊断：
[0027] 1、检测遥控器各路信号方向及行程。在检测过程中，遥控信号转接器8进入锁定 模式，即遥控信号转接器8接收遥控信号但并不输送至旋翼飞行器的飞行控制器，遥控信 号转接器8采集当前遥控信号值并输送给控制处理芯片7,控制处理芯片7根据当前遥控信 号，通过式a计算对应的飞行状态，并在IXD显示器屏屏幕上显示旋翼飞行器在坐标系下的 飞行趋势，即旋翼飞行器的航向角<?、俯仰角Θ、横滚角p，以供操纵者最终判断当前遥控 器设置是否正确。
[0028] 旋翼飞行器飞行状态包括航向角9、俯仰角Θ、横滚角p，与对应的三路遥控信 号PPM(i)i = 12,3,分别表示航向、俯仰、横滚信号间的关系如式a所示。
[0029] φ = ΡΡΜ(\)-ηι--?(\) θ = PPM (2)-mid(2) a p = PPM (3)-mid {2,)
[0030] 操控者首先将遥控器各路信号拨至最大、最小值点，以得到相应各路信号的中点 即 mid (i) i = 1，2, 3。
[0031] 2、检测旋翼飞行器的传感器、旋翼是否工作正常，并初步检测旋翼的旋转轴心是 否偏离过大。将基座1置于避风环境中，在检测过程中，遥控信号转接器8进入锁定模式， 即遥控信号转接器8接收遥控信号但并不输送至旋翼飞行器的飞行控制器，控制处理芯片 7通过遥控信号转接器8将油门信号发送给旋翼飞行器的飞行控制器，其他三路姿态信号 俯仰、横滚、航向保持在平衡位置，使得旋翼飞行器在基座1上自行控制自身平衡，使其机 身保持在稳定的平面上。之后，通过编码器4获取当前球面万向节3的三维角度，若四个压 力传感器6上受到的压力均匀或均为零的同时，三维角度与平衡位置角度即俯仰角、横滚 角、航向角均为0°间存在明显、恒定的误差，表明旋翼飞行器的传感器存在偏置误差，需要 再次校准，通过LCD显示屏屏幕输出与该误差对应的校准信息；若三维角度与平衡位置角 度即俯仰角、横滚角、航向角均为〇°间存在明显、周期性的误差，表明旋翼飞行器旋翼的旋 转轴心与原始位置偏离过大，通过LCD屏幕输出相应的旋翼编号以及轴心调校信息；
[0032] 与此同时，检验压力传感器6获得的各旋翼在恒定伺服信号下产生的升力是否恒 定，若某轴上旋翼的压力传感器6持续检测到高频抖动信号，在LCD显示屏屏幕汇报旋翼或 电子调速器故障。
[0033] 3、检测旋翼飞行器各轴悬停状态下的各PID控制参数是否处于一定的合理范围 之内。将基座1置于避风环境中，在检测过程中，遥控信号转接器8进入锁定模式，即遥控 信号转接器8接收遥控信号但并不输送至旋翼飞行器的飞行控制器，控制处理芯片7通过 遥控信号转接器8将油门信号大于1/3油门行程发送给旋翼飞行器的飞行控制器，其他三 路姿态信号俯仰、横滚、航向保持在平衡位置，使得旋翼飞行器在基座1上自行控制自身平 衡，使其机身保持在稳定的平面上。通过更改旋翼飞行器俯仰或横滚轴的姿态角度，并保持 该角度恒定。通过球面万向节3检测当前飞行器的姿态角度，并记录该轴姿态角度更改后 对应的四路伺服信号由波动至稳定阶段的参数值；若某路伺服参数的最大值与稳定值间的 差距大于稳定值的15%，则通过LCD输出P参数过大信号；若某路伺服信号自角度更改后 至稳定状态的时间大于7s，则通过LCD输出建议调小积分时间。
[0034] 4、检测旋翼飞行器负载重心是否处于旋翼飞行器旋转中心。将基座1置于避风环 境中，在检测过程中，遥控信号转接器8进入锁定模式，即遥控信号转接器8接收遥控信号 但并不输送至旋翼飞行器的飞行控制器，控制处理芯片7通过遥控信号转接器8发送油门 信号及姿态信号包括俯仰、横滚、航向给旋翼飞行器飞行控制器。油门信号保持在某一恒定 值，周期性改变俯仰或横滚信号同一时刻仅改变其中一路信号，另一路信号保持在平衡点， 使得飞行器在某平面内做周期性往复运动。根据俯仰或横滚信号方向相反、幅值相同的信 号所对应的两组编码器4角度值，如遥控信号方向相反但幅值相同的信号所对应的角度值 不同，表明角度值较小的一侧重心过大，向LCD屏幕汇报角度值较小的电机编号并输出重 心调整建议。
【权利要求】
1. 用于旋翼飞行器的机械故障调试装置，其特征在于：包括基座（1)，所述基座（1)通 过可伸缩式脚架（2)支撑，所述基座（1)上表面安装有球面万向节（3)，所述球面万向节 (3)上连接有用于获取球面万向节（3)三维姿态数据的编码器（4)，所述球面万向节（3) 上安装有力臂固定架（5)，所述力臂固定架（5)的力臂数量与旋翼飞行器的旋翼支架数量 相对应，所述各个力臂上均安装有压力传感器（6)，当旋翼飞行器安装在力臂固定架（5)上 时，所述压力传感器（6)位于力臂与旋翼飞行器的旋翼支架之间用于检测该处旋翼产生的 压力，还包括控制处理芯片（7)、遥控信号转接器（8)以及显示装置（9)，所述遥控信号转接 器（8)、压力传感器（6)、编码器（4)、显示装置（9)分别与控制处理芯片（7)信号连接。
2. 如权利要求1所述的用于旋翼飞行器的机械故障调试装置，其特征在于：所述可伸 缩式脚架（2)包括套筒（201)，所述套筒（201)内设置有支撑杆（202)，所述套筒（201)上 设置有锁紧装置。
3. 如权利要求2所述的用于旋翼飞行器的机械故障调试装置，其特征在于：在套筒 (201)上设置锁紧螺母形成所述的锁紧装置。
4. 如权利要求3所述的用于旋翼飞行器的机械故障调试装置，其特征在于：所述基座 (1)上设置有水平仪（10)。
5. 如权利要求4所述的用于旋翼飞行器的机械故障调试装置，其特征在于：所述力臂 的末端连接有阻尼弹簧（11)，所述阻尼弹簧（11)的另一端固定在基座（1)的上表面。
6. 如权利要求5所述的用于旋翼飞行器的机械故障调试装置，其特征在于：所述显示 装置（9)为IXD显示屏。
【文档编号】G05B23/02GK203870468SQ201420260219
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】王晓东, 马磊, 韦宗毅, 李菁华 申请人:西南交通大学