本發(fā)明涉及無人機技術(shù)領域，尤其涉及一種垂直起降無人機四通道運動機構(gòu)及飛行測試訓練系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無人駕駛飛行器簡稱“無人機”，指通過無線電信號控制的無人駕駛飛行器，包括：無人機(UVA)、遙控飛行器(RPV)和無人靶機。其中垂直起降無人機是其中重要分支，主要包括：無人機直升機和多旋翼無人機。垂直起降型憑借其起降方式靈活、可以懸停與倒飛，發(fā)射回收方便等優(yōu)點，在航拍、測繪、植保、災后搜救、數(shù)據(jù)采集等領域廣泛應用。

我國的無人機發(fā)展速度極快，無論在軍事領域還是在民用領域都有大量人才需求，據(jù)初步估算，至2018年需要的無人機操作維護等人員可達20萬人。近幾年來，我國一些職業(yè)院校陸續(xù)開設課無人機應用技術(shù)專業(yè)，培養(yǎng)無人機操控等技術(shù)人員。同時全國已有40多家AOPA的培訓機構(gòu)，開展無人機培訓。如何保證學員在學習無人機組裝調(diào)試與飛行訓練過程中的安全這是首要問題。另外降低設備測試損耗，節(jié)約培訓成本也成為大家研究的熱點。

截止目前學員組裝后的無人機并沒有一種安全的測試平臺，而采用直接靠操控者試飛測試，危險系數(shù)高。而學習操控技術(shù)過程中，主要為模擬飛行軟件與實際飛行訓練兩個環(huán)節(jié)，但是模擬真機與模擬飛行之間還是有很大差異，學員在開始飛行真機時會出現(xiàn)對外界干擾處理能力差，起飛與降落過程中容易出現(xiàn)摔機事故?？偨Y(jié)來看大部分教學與訓練會有以下缺點：

1、由安裝與調(diào)試過程中的錯失，直接試飛，容易出現(xiàn)輸出力矩錯誤而造成炸機、失控等危險狀況，存在巨大安全隱患；

2、試飛過程中如果操縱補救不利，容易造成機體損壞嚴重，測試成本高；

3、試飛所需場地要求高；

4、人工試飛沒有準確的數(shù)據(jù)反饋，造成調(diào)試難度大，周期長，時間成本高；

5、容易受天氣、風速、溫度等氣候的影響；

6、教員帶飛，存在學員易產(chǎn)生依賴，訓練效率低等問題；

7、在飛行員訓練過程中只能通過教員依據(jù)經(jīng)驗進行評價，沒有數(shù)據(jù)依據(jù)，無法給學院直觀的指導意見。

經(jīng)查詢有以下三項專利申請所涉及設備在無人機飛行姿態(tài)及相關(guān)參數(shù)測試方面開展了相關(guān)工作，但國內(nèi)外均未見能夠?qū)o人機四通道進行運動檢測及控制參數(shù)分析的綜合測試裝置的研究與應用先例。

申請?zhí)?01610227425.5的發(fā)明專利《一種無人機測試裝置及方法》實現(xiàn)通過牽引線將無人機試飛實驗所需的空間控制在一定范圍內(nèi)，以提高無人機試飛實驗的安全性，避免無人機由于意外因素飛出許可范圍時，對無人機及其周圍人員財產(chǎn)造成損傷。該專利僅實現(xiàn)控制無人機的飛行范圍，并不能避免無人機測試過程中側(cè)翻、摔下造成的傷害，另外該測試平臺無法提供無人機飛行的各軸參數(shù)。

專利申請?zhí)?01610586361.8的發(fā)明專利《一種垂直起降無人機飛行姿態(tài)測試平臺》，目的在于提供一種完成研發(fā)或組裝后的飛行姿態(tài)及飛行異常檢測的垂直起降無人機飛行姿態(tài)測試平臺,該平臺能夠在無人機真正起飛前對記錄飛行姿態(tài)和查看飛行器的異常反饋從而減少研發(fā)測試成本，提高研發(fā)測試效率。但是該平臺只能提供兩個通道的姿態(tài)控制及角度數(shù)據(jù)分析，無法實現(xiàn)航向與油門通道的運動與檢測。

專利申請?zhí)?01620361736.6的發(fā)明專利《一種多旋翼無人機測試平臺》描述了一種兼容四、六、八軸多旋翼無人機的測試平臺，軸距可以根據(jù)機型自由調(diào)整，每個機臂均可測量力的大小，數(shù)據(jù)量化圖像化，實施傳回電腦或手機，調(diào)參測試有依據(jù)；上位機能夠無限遠程記錄、分析各軸升力，整機姿態(tài)、電機起止時間、振動情況，并能按照要求自動生成測試報表。但是該平臺根據(jù)測試不同機型需選用不同橫向測試機構(gòu)且僅能提供兩通道的姿態(tài)控制，無法實現(xiàn)航向與油門通道的運動與檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有設計中存在的機械結(jié)構(gòu)限制及各通道數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析模塊功能不足，而提供一種垂直起降無人機四通道運動機構(gòu)及飛行測試訓練系統(tǒng)。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案：

一種垂直起降無人機四通道運動機構(gòu)，其特征在于:包括底座、支撐桿、連接塊、橫桿、配重塊、三軸運動機構(gòu)、無人機安裝架；所述支撐桿的下部與所述底座之間通過旋轉(zhuǎn)軸承連接；所述連接塊通過單軸軸承與所述橫桿的中后部連接，所述橫桿的后部與所述配重塊連接，所述橫桿的前部與所述三軸運動機構(gòu)連接，所述三軸運動機構(gòu)的下部與所述無人機安裝架連接。

優(yōu)選地，所述三軸運動機構(gòu)包括U形架、第一立桿、第一橫桿、第二立桿、第二橫桿；所述U形架的上部通過轉(zhuǎn)軸與所述橫桿的前部連接，所述第一立桿的頂部與所述U形架的底部垂直固定，所述第一立桿的下部安裝有第一軸承，所述第一橫桿的左端與所述第一軸承連接，所述第一橫桿的右端安裝有第二軸承，所述第二立桿的頂端與所述第二軸承連接，所述第二立桿的下端安裝有第三軸承，所述第二橫桿的右端與所述第三軸承連接，所述第二橫桿的左端與所述無人機安裝架固定。

優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)軸承、單軸軸承、第一軸承、第二軸承、第三軸承上分別安裝有編碼器。

優(yōu)選地，所述底座的底部安裝有配重。

一種垂直起降無人機飛行測試訓練系統(tǒng)，其特征在于：包括四通道運動機構(gòu)、四通道檢測裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理與分析模塊；

所述運動機構(gòu)包括底座、支撐桿、連接塊、橫桿、配重塊、三軸運動機構(gòu)、無人機安裝架；所述支撐桿的下部與所述底座之間通過旋轉(zhuǎn)軸承連接；所述連接塊通過單軸軸承與所述橫桿的中后部連接，所述橫桿的后部與所述配重塊連接，所述橫桿的前部與所述三軸運動機構(gòu)連接，所述三軸運動機構(gòu)的下部與所述無人機安裝架連接；所述三軸運動機構(gòu)包括U形架、第一立桿、第一橫桿、第二立桿、第二橫桿；所述U形架的上部通過轉(zhuǎn)軸與所述橫桿的前部連接，所述第一立桿的頂部與所述U形架的底部垂直固定，所述第一立桿的下部安裝有第一軸承，所述第一橫桿的左端與所述第一軸承連接，所述第一橫桿的右端安裝有第二軸承，所述第二立桿的頂端與所述第二軸承連接，所述第二立桿的下端安裝有第三軸承，所述第二橫桿的右端與所述第三軸承連接，所述第二橫桿的左端與所述無人機安裝架固定；

所述四通道檢測裝置包括旋轉(zhuǎn)軸承、單軸軸承、第一軸承、第二軸承、第三軸承上分別安裝有編碼器；

所述數(shù)據(jù)采集模塊采用arduino單片機將每個編碼器相應位置的角位移和角速度通過所述無線傳輸模塊輸送至數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊；

所述數(shù)據(jù)處理與分析模塊包括數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)分析單元兩部分算法構(gòu)成，首先由數(shù)據(jù)處理單元將連接塊8處的檢測裝置測得的角位移與角速度信息轉(zhuǎn)換為高度與垂直速度信息，同時與姿態(tài)信息包括俯仰、滾裝、航向通道的角速度與角位移通過濾波處理，發(fā)送至數(shù)據(jù)分析單元，數(shù)據(jù)處理單元需將接收機接收來自遙控器的四通道PWM信號處理為數(shù)值信號也發(fā)送至數(shù)據(jù)分析單元；

根據(jù)主機界面上的模式選擇，如設備工作在無人機測試模式，則數(shù)據(jù)分析單元將數(shù)據(jù)處理后的兩組數(shù)據(jù)通過性能測試系統(tǒng)PTS(Performance Test System)軟件，檢測飛控的加速度計與磁羅盤是否校準正確，檢測各通道控制效果，并提出各通道PID參數(shù)修改建議。如設備工作在飛行訓練模式，則數(shù)據(jù)分析單元啟動飛行測試系統(tǒng)FTS(Flight Training System)軟件，通過兩組輸入輸出，對飛行員操控評測。

優(yōu)選地，所述該設備可以切換至無人機系統(tǒng)測試模式，通過性能測試系統(tǒng)PTS(Performance Test System)可以實現(xiàn)包括加速度計校準、磁羅盤校準、俯仰控制通道測試、橫滾控制通道測試、航向控制通道測試、高度控制通道測試、負載力測試測試項目。

優(yōu)選地，所述該設備可以切換至飛行測試模式，通過飛行測試系統(tǒng)FTS(Flight Training System)為飛行員訓練進行評測與指導。FTS系統(tǒng)包括起飛、懸停、降落、航向控制飛行訓練項目。

本發(fā)明的有益效果是:相對于現(xiàn)有技術(shù)，該無人機測試與訓練平臺，對研發(fā)及組裝好無人機進行飛行前測試，檢查組裝與調(diào)試過程中的失誤與精度問題，為無人機操控人員提供安全的訓練環(huán)境，通過評測系統(tǒng)可以更加科學的評測訓練效果，為后續(xù)訓練提供指導。具體有益效果如下:

1)提供了安全的無人機測試環(huán)境，保障了測試人員的安全問題；

2)通過運動結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)飛機六自由度運動，提供了安全的飛行訓練環(huán)境，使訓練不受環(huán)境、場地、時間等限制，提高培訓效率；

3)通過無限旋轉(zhuǎn)運動與四通道限位設計既保證了飛行空間與自由度，又減少了無人機飛行過程中的損耗，降低了培訓成本；

4)通過檢測裝置與評測系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機姿態(tài)與高度檢測及與操控輸入的監(jiān)測，從而為飛行訓練評測提供數(shù)據(jù)依據(jù)，通過與訓練任務標準曲線對比，實現(xiàn)科學評測。

5)四通道參數(shù)檢測，用數(shù)據(jù)與曲線展示校準精度與控制性能，大大縮短了調(diào)試時間，提高測試效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的安裝測試圖；

圖4為本發(fā)明的工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及較佳實施例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。如圖1所示，一種垂直起降無人機飛行測試訓練系統(tǒng)，包括運動機構(gòu)1、數(shù)據(jù)采集模塊2、無線傳輸模塊3、數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊4以及主控計算機5；

如圖2和圖3所述運動機構(gòu)包括底座6、支撐桿7、連接塊8、橫桿9、配重塊10、三軸運動機構(gòu)11、無人機安裝架12；所述支撐桿的下部與所述底座之間通過旋轉(zhuǎn)軸承連接；所述連接塊通過單軸軸承與所述橫桿的中后部連接，所述橫桿的后部與所述配重塊連接，所述橫桿的前部與所述三軸運動機構(gòu)連接，所述三軸運動機構(gòu)的下部與所述無人機安裝架連接；所述三軸運動機構(gòu)包括U形架13、第一立桿14、第一橫桿15、第二立桿16、第二橫桿17；所述U形架的上部通過轉(zhuǎn)軸與所述橫桿的前部連接，所述第一立桿的頂部與所述U形架的底部垂直固定，所述第一立桿的下部安裝有第一軸承，所述第一橫桿的左端與所述第一軸承連接，所述第一橫桿的右端安裝有第二軸承，所述第二立桿的頂端與所述第二軸承連接，所述第二立桿的下端安裝有第三軸承，所述第二橫桿的右端與所述第三軸承連接，所述第二橫桿的左端與所述無人機安裝架固定；所述旋轉(zhuǎn)軸承、單軸軸承、第一軸承、第二軸承、第三軸承上分別安裝有編碼器。以上文字中的編碼器都為同一種編碼器，上述所說的軸承也是統(tǒng)一的軸承。

每個編碼器將相應位置的角位移和角速度通過所述無線傳輸模塊輸送至數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊；

所述數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析模塊通過單片機接收到每個位置的角位移與角速度信號，并將連接塊位置的角位移與角速度信息轉(zhuǎn)換為高度與速度信息，將俯仰通道角度變換同時配置同型號的接收機接收來自遙控器的四通道PWM信號，并處理為數(shù)值信號，最后由無線通信模塊將以上信號統(tǒng)一發(fā)送至主控計算機。

所述主控計算機通過無線通信模塊接收來自平臺端信號與遙控端信號。通過性能測試系統(tǒng)PTS(Performance Test System)軟件，檢測飛控的加速度計與磁羅盤是否校準正確，檢測各通道控制效果，并提出各通道PID參數(shù)修改建議。所述PTS包括加速度計校準、磁羅盤校準、俯仰控制通道測試、橫滾控制通道測試、航向控制通道測試、高度控制通道測試、負載力測試測試項目。所述主控計算機可以切換至飛行測試模式，通過飛行測試系統(tǒng)FTS(Flight Training System)為飛行員訓練進行評測與指導。FTS系統(tǒng)包括起飛、懸停、降落、航向控制飛行訓練項目。

如圖4所示，操作方式如下：

Step1：無人機系統(tǒng)自檢

1、啟動前調(diào)解配重塊，使橫桿平衡，將組裝好的無人機通過平臺上的無人機安裝架與測試平臺連接，開始機體結(jié)構(gòu)安裝檢測：

2、通過施加外力使無人機與配平裝置保持水平，同時觀察無人機的機體是否水平，如果機體不處于水平，則表示無人機組裝過程中存在沒有配平問題，需重新卸下后進行調(diào)整，直至無人機機體保持水平。

3、首先控制遙控器油門通道測試飛機垂直通道響應，觀察無人機高度變化。如油門一直增加而無人機無高度變化則提示電機與螺旋槳安裝錯誤；如油門增加到一定出現(xiàn)姿態(tài)或航向變化劇烈，提示電機或螺旋槳安裝錯誤；

Step 2：如以上響應正確，則進入控制系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)：

開啟電源系統(tǒng)為平臺信號采集系統(tǒng)供電，測試人員開啟無人機安全開關(guān)啟動無人機。

1、通過主控界面進行平臺自檢；

2、選擇要測試項目或飛行任務；

3、按照測試項目要求，控制飛行器，完成測試內(nèi)容；

4、在主控計算機界面點擊，操作完成；

5、查看飛行數(shù)據(jù)，根據(jù)測試結(jié)論調(diào)試無人機或根據(jù)飛行評價指導飛行操作。

測試結(jié)束。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。