本發(fā)明涉及飛行器實時仿真平臺，尤其是涉及一種多維度四旋翼飛行器姿態(tài)控制仿真實驗平臺。

背景技術：

在對四旋翼飛行器研制過程中，不可能每次對飛行器測試使用真機測試，其一成本代價過高，任意一架裝配齊全的四旋翼飛行器價格不菲，如果測試時不慎損壞，將會增加研發(fā)成本；其二容易引發(fā)安全事故，由于樣機不穩(wěn)定性極高，極易引發(fā)墜機事故，所以四旋翼飛行器仿真實驗平臺的作用是巨大的。通過仿真實驗平臺，可以驗證控制算法是否正確，即使存在錯誤也可方便快速對參數(shù)進行調整，實時驗證控制算法的可靠性，進而可以在研發(fā)初級階段發(fā)現(xiàn)并解決問題。

但四旋翼無人飛行器有極強的靜不穩(wěn)定性，且在動力學上具備欠驅動、強耦合與非線性等特點，這些都增加了飛行控制器的設計難度，因此實物飛行實驗風險大、成本高，且受周圍環(huán)境制約較多。多數(shù)高校及科研機構采用純數(shù)值仿真實驗的方法模擬飛行器的飛行，這樣的實驗手段雖高效便捷，但由于其難于真實地展現(xiàn)復雜多變的實際情況，使仿真結果的置信度大大降低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種多維度四旋翼飛行器姿態(tài)控制仿真實驗平臺。針對目前尚無一款測試功能齊全的四旋翼飛行器姿態(tài)控制仿真實驗平臺，本發(fā)明設計出一款可以在線實時仿真驗證四旋翼飛行器控制算法的實驗平臺。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種多維度四旋翼飛行器姿態(tài)控制仿真實驗平臺，該實驗平臺包括飛行器、飛行控制器和上位器，所述的上位機、飛行控制器和飛行器依次連接，所述的飛行器包括三自由度轉動部件以及與轉動部件可拆卸連接的多個機翼，所述的機翼遠離轉動部件的一端安裝有無刷電機和螺旋槳，所述的機翼上還設有電子調速器，所述的電子調速器通過無刷電機連接螺旋槳，所述的飛行控制器連接電子調速器；

根據(jù)需求確定可拆卸機翼的安裝數(shù)量，當實驗只需要驗證一自由度飛行姿態(tài)控制時，只安裝一對機翼，當實驗需要驗證三自由度飛行姿態(tài)控制時，安裝兩對機翼；所述的飛行控制器接收飛行器數(shù)據(jù)，飛行控制器通過控制電子調速器調整無刷電機轉速，調整飛行器狀態(tài)。

所述的可拆卸機翼包括兩對機翼。

所述的飛行控制器包括MCU測量單元和微處理器，MCU測量單元實時測量飛行器的姿態(tài)角數(shù)據(jù)反饋至微處理器，微處理器通過控制電子調速器調整無刷電機轉速，調整飛行器姿態(tài)。

所述的MCU測量單元包括陀螺儀和加速度傳感器，所述的陀螺儀和加速度傳感器輸出端均分別與微處理器連接。

所述的姿態(tài)角數(shù)據(jù)包括俯仰角、橫滾角和偏航角數(shù)據(jù)。

所述的實驗平臺還包括底座，所述的三自由度轉動部件安裝在底座上。

所述的實驗平臺還包括支撐架，所述的飛行控制器通過支撐架安裝在三自由度轉動部件上。

所述的可拆卸機翼通過緊固螺絲固定在三自由度轉動部件上。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、可拆卸機翼設計靈活方便：特別應用于四旋翼飛行器研發(fā)初級階段模擬仿真實驗，適用于高校教學，當實驗只需要驗證一自由度飛行姿態(tài)控制時，只安裝一對機翼，當實驗需要驗證三自由度飛行姿態(tài)控制時，安裝兩對機翼；學生從一自由度擴展至三自由度進行學習，由易到難，學習完整系統(tǒng)的驗證整個飛行器控制原理，更便于學生理解；

2、實時更新算法，模擬效果好：上位機實時更新編寫整個飛行器的控制算法，并將飛行控制算法下載至飛行控制器中，當飛行器控制算法存在缺陷時，可以實時修改算法并重新下載至飛行控制器中反復驗證；

3、實時監(jiān)控飛行器狀態(tài)：上位機還可以實時監(jiān)控無人機的各個姿態(tài)角信息、電機轉速，并根據(jù)情況進行調整；

4、減少研發(fā)成本：避免用真機測試算法發(fā)生意外事故，造成巨大的經(jīng)濟損失，從而減小研發(fā)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的三自由度轉動部件立體結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的工作原理示意圖；

1、無刷電機，2、可拆卸機翼，3、支撐架，4、飛行控制器，5、螺旋槳，6、緊固螺絲，7、電子調速器，8、三自由度轉動部件，9、底座，10、數(shù)據(jù)線，11、上位機。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例

本發(fā)明一種多維度四旋翼飛行器姿態(tài)控制仿真實驗平臺，通過可拆卸機翼的設置，實現(xiàn)飛行器單自由度和三自由度的控制原理演示，更便于高校教學時，讓學生由易到難的學習過程，便于學生系統(tǒng)地理解飛行器原理。

該實驗平臺包括上位機、飛行控制器和飛行器，上位機11、飛行控制器4和飛行器依次連接。飛行器由三自由度轉動部件8以及與轉動部件可拆卸連接的多個機翼構成。

具體結構為：

如圖1所示，本發(fā)明的四旋翼飛行器姿態(tài)控制仿真實驗平臺包括無刷電機1、可拆卸機翼2、支撐架3、飛行控制器4、螺旋槳5、緊固螺絲6、電子調速器7、三自由度轉動部件8、底座9、數(shù)據(jù)線10、上位機11。飛行器包括三自由度轉動部件8以及與轉動部件可拆卸連接的多個機翼，機翼遠離轉動部件的一端安裝有無刷電機1和與螺旋槳5，機翼上還設有電子調速器7，無刷電機1分別與電子調速器7和螺旋槳5連接，飛行控制器4通過支撐架3安裝于三自由度轉動部件8上方，所述的飛行控制器與電子調速器7連接。上位機與飛行控制器之間通過數(shù)據(jù)線10連接。所述的三自由度轉動部件安裝在底座9上，如圖2所示。

該平臺包括兩對可拆卸機翼?？刹鹦稒C翼通過緊固螺絲6與三自由度轉動部件連接。

三自由度轉動部件可以模擬仿真四旋翼飛行器的俯仰運動、橫滾運動、偏航運動，并且可以安裝可拆卸機翼，從一位到高位便于學生學習。當實驗只需要驗證一自由度飛行姿態(tài)控制時，可以只安裝一對機翼；當實驗需要驗證三自由度飛行姿態(tài)控制時，可以安裝兩對機翼。此種做法測試功能更齊全，便于完整系統(tǒng)的驗證整個四旋翼飛行器控制原理。

飛行控制器是飛行器的測量控制單元，飛行控制器安裝在支撐架上，里面包含了MCU單元、微處理器(可以是單片機、DSP或嵌入式系統(tǒng))，MCU單元又包括陀螺儀、加速度傳感器，用來實時測量飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器處理，微處理器根據(jù)這些數(shù)據(jù)實時調整無刷電機的轉速，達到控制飛行器姿態(tài)目的。

電子調速器是調整電機轉速的主要部件，由于驅動無刷電機需要極大的電流，所以不可以直接用飛行控制器直接對無刷電機進行控制，必須用電子調速器作為中間橋梁，飛行控制器將電機轉速控制信號發(fā)送給電子調速器，電子調速器對無刷電機進行調速。

無刷電機固定在可拆卸機翼一端末端，每個可拆卸機翼上安裝一個電子調速器，電子調速器用來控制無刷電機的轉速，從而控制每個螺旋槳的升力達到控制無人機姿態(tài)目的。可拆卸機翼另一端通過緊固螺絲固定在三自由度轉動部件上。當實驗需要驗證一自由度飛行姿態(tài)控制時，可以只安裝一對機翼；當實驗需要驗證三自由度飛行姿態(tài)控制時，可以安裝兩對機翼。

上位機為PC，通過飛行器仿真平臺的實驗結果，可以在線實時調整飛行器的各個參數(shù)和控制算法，最終完善整個飛行器的控制系統(tǒng)。上位機編寫整個飛行器的控制算法，并將飛行控制算法下載至飛行控制器中。當飛行器控制算法存在缺陷時，可以實時修改算法并重新下載至飛行控制器中反復驗證。同時可以在PC上監(jiān)控飛行器的各個姿態(tài)角信息和電機轉速。

如圖3所示為本發(fā)明的工作原理示意圖，根據(jù)實際需求確定可拆卸機翼的安裝數(shù)量，當實驗只需要驗證一自由度飛行姿態(tài)控制時，只安裝一對機翼，當實驗需要驗證三自由度飛行姿態(tài)控制時，安裝兩對機翼；所述的上位機實時修改飛行控制器內的算法，所述的飛行控制器通過陀螺儀和加速度傳感器實時接收飛行器數(shù)據(jù)，飛行控制器通過控制電子調速器調整無刷電機轉速，并構成閉環(huán)反饋，實時調整飛行器狀態(tài)。

本發(fā)明可以方便地從一自由度擴展至三自由度，便于完整系統(tǒng)的驗證整個飛行器控制原理。同時可以在高校教學時，供學生簡單明了理解四旋翼飛行器數(shù)學模型?？梢詫崟r驗證控制算法是否正確。當算法存在缺陷時，避免用真機測試算法發(fā)生意外事故，造成巨大的經(jīng)濟損失，從而減小研發(fā)成本?？梢詫崟r對算法進行改進，從而可以方便快速發(fā)現(xiàn)算法存在的缺陷并及時修正。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。