一种多维度四旋翼飞行器姿态控制仿真实验平台的制作方法

本发明涉及飞行器实时仿真平台，尤其是涉及一种多维度四旋翼飞行器姿态控制仿真实验平台。

背景技术：

在对四旋翼飞行器研制过程中，不可能每次对飞行器测试使用真机测试，其一成本代价过高，任意一架装配齐全的四旋翼飞行器价格不菲，如果测试时不慎损坏，将会增加研发成本；其二容易引发安全事故，由于样机不稳定性极高，极易引发坠机事故，所以四旋翼飞行器仿真实验平台的作用是巨大的。通过仿真实验平台，可以验证控制算法是否正确，即使存在错误也可方便快速对参数进行调整，实时验证控制算法的可靠性，进而可以在研发初级阶段发现并解决问题。

但四旋翼无人飞行器有极强的静不稳定性，且在动力学上具备欠驱动、强耦合与非线性等特点，这些都增加了飞行控制器的设计难度，因此实物飞行实验风险大、成本高，且受周围环境制约较多。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：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多维度四旋翼飞行器姿态控制仿真实验平台。针对目前尚无一款测试功能齐全的四旋翼飞行器姿态控制仿真实验平台，本发明设计出一款可以在线实时仿真验证四旋翼飞行器控制算法的实验平台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多维度四旋翼飞行器姿态控制仿真实验平台，该实验平台包括飞行器、飞行控制器和上位器，所述的上位机、飞行控制器和飞行器依次连接，所述的飞行器包括三自由度转动部件以及与转动部件可拆卸连接的多个机翼，所述的机翼远离转动部件的一端安装有无刷电机和螺旋桨，所述的机翼上还设有电子调速器，所述的电子调速器通过无刷电机连接螺旋桨，所述的飞行控制器连接电子调速器；

根据需求确定可拆卸机翼的安装数量，当实验只需要验证一自由度飞行姿态控制时，只安装一对机翼，当实验需要验证三自由度飞行姿态控制时，安装两对机翼；所述的飞行控制器接收飞行器数据，飞行控制器通过控制电子调速器调整无刷电机转速，调整飞行器状态。

所述的可拆卸机翼包括两对机翼。

所述的飞行控制器包括MCU测量单元和微处理器，MCU测量单元实时测量飞行器的姿态角数据反馈至微处理器，微处理器通过控制电子调速器调整无刷电机转速，调整飞行器姿态。

所述的MCU测量单元包括陀螺仪和加速度传感器，所述的陀螺仪和加速度传感器输出端均分别与微处理器连接。

所述的姿态角数据包括俯仰角、横滚角和偏航角数据。

所述的实验平台还包括底座，所述的三自由度转动部件安装在底座上。

所述的实验平台还包括支撑架，所述的飞行控制器通过支撑架安装在三自由度转动部件上。

所述的可拆卸机翼通过紧固螺丝固定在三自由度转动部件上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、可拆卸机翼设计灵活方便：特别应用于四旋翼飞行器研发初级阶段模拟仿真实验，适用于高校教学，当实验只需要验证一自由度飞行姿态控制时，只安装一对机翼，当实验需要验证三自由度飞行姿态控制时，安装两对机翼；学生从一自由度扩展至三自由度进行学习，由易到难，学习完整系统的验证整个飞行器控制原理，更便于学生理解；

2、实时更新算法，模拟效果好：上位机实时更新编写整个飞行器的控制算法，并将飞行控制算法下载至飞行控制器中，当飞行器控制算法存在缺陷时，可以实时修改算法并重新下载至飞行控制器中反复验证；

3、实时监控飞行器状态：上位机还可以实时监控无人机的各个姿态角信息、电机转速，并根据情况进行调整；

4、减少研发成本：避免用真机测试算法发生意外事故，造成巨大的经济损失，从而减小研发成本。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的三自由度转动部件立体结构示意图；

图3为本发明的工作原理示意图；

1、无刷电机，2、可拆卸机翼，3、支撑架，4、飞行控制器，5、螺旋桨，6、紧固螺丝，7、电子调速器，8、三自由度转动部件，9、底座，10、数据线，11、上位机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明一种多维度四旋翼飞行器姿态控制仿真实验平台，通过可拆卸机翼的设置，实现飞行器单自由度和三自由度的控制原理演示，更便于高校教学时，让学生由易到难的学习过程，便于学生系统地理解飞行器原理。

该实验平台包括上位机、飞行控制器和飞行器，上位机11、飞行控制器4和飞行器依次连接。飞行器由三自由度转动部件8以及与转动部件可拆卸连接的多个机翼构成。

具体结构为：

如图1所示，本发明的四旋翼飞行器姿态控制仿真实验平台包括无刷电机1、可拆卸机翼2、支撑架3、飞行控制器4、螺旋桨5、紧固螺丝6、电子调速器7、三自由度转动部件8、底座9、数据线10、上位机11。飞行器包括三自由度转动部件8以及与转动部件可拆卸连接的多个机翼，机翼远离转动部件的一端安装有无刷电机1和与螺旋桨5，机翼上还设有电子调速器7，无刷电机1分别与电子调速器7和螺旋桨5连接，飞行控制器4通过支撑架3安装于三自由度转动部件8上方，所述的飞行控制器与电子调速器7连接。上位机与飞行控制器之间通过数据线10连接。所述的三自由度转动部件安装在底座9上，如图2所示。

该平台包括两对可拆卸机翼。可拆卸机翼通过紧固螺丝6与三自由度转动部件连接。

三自由度转动部件可以模拟仿真四旋翼飞行器的俯仰运动、横滚运动、偏航运动，并且可以安装可拆卸机翼，从一位到高位便于学生学习。当实验只需要验证一自由度飞行姿态控制时，可以只安装一对机翼；当实验需要验证三自由度飞行姿态控制时，可以安装两对机翼。此种做法测试功能更齐全，便于完整系统的验证整个四旋翼飞行器控制原理。

飞行控制器是飞行器的测量控制单元，飞行控制器安装在支撑架上，里面包含了MCU单元、微处理器(可以是单片机、DSP或嵌入式系统)，MCU单元又包括陀螺仪、加速度传感器，用来实时测量飞行器的姿态数据，并将这些数据发送给微处理器处理，微处理器根据这些数据实时调整无刷电机的转速，达到控制飞行器姿态目的。

电子调速器是调整电机转速的主要部件，由于驱动无刷电机需要极大的电流，所以不可以直接用飞行控制器直接对无刷电机进行控制，必须用电子调速器作为中间桥梁，飞行控制器将电机转速控制信号发送给电子调速器，电子调速器对无刷电机进行调速。

无刷电机固定在可拆卸机翼一端末端，每个可拆卸机翼上安装一个电子调速器，电子调速器用来控制无刷电机的转速，从而控制每个螺旋桨的升力达到控制无人机姿态目的。可拆卸机翼另一端通过紧固螺丝固定在三自由度转动部件上。当实验需要验证一自由度飞行姿态控制时，可以只安装一对机翼；当实验需要验证三自由度飞行姿态控制时，可以安装两对机翼。

上位机为PC，通过飞行器仿真平台的实验结果，可以在线实时调整飞行器的各个参数和控制算法，最终完善整个飞行器的控制系统。上位机编写整个飞行器的控制算法，并将飞行控制算法下载至飞行控制器中。当飞行器控制算法存在缺陷时，可以实时修改算法并重新下载至飞行控制器中反复验证。同时可以在PC上监控飞行器的各个姿态角信息和电机转速。

如图3所示为本发明的工作原理示意图，根据实际需求确定可拆卸机翼的安装数量，当实验只需要验证一自由度飞行姿态控制时，只安装一对机翼，当实验需要验证三自由度飞行姿态控制时，安装两对机翼；所述的上位机实时修改飞行控制器内的算法，所述的飞行控制器通过陀螺仪和加速度传感器实时接收飞行器数据，飞行控制器通过控制电子调速器调整无刷电机转速，并构成闭环反馈，实时调整飞行器状态。

本发明可以方便地从一自由度扩展至三自由度，便于完整系统的验证整个飞行器控制原理。同时可以在高校教学时，供学生简单明了理解四旋翼飞行器数学模型。可以实时验证控制算法是否正确。当算法存在缺陷时，避免用真机测试算法发生意外事故，造成巨大的经济损失，从而减小研发成本。可以实时对算法进行改进，从而可以方便快速发现算法存在的缺陷并及时修正。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。