一种三自由度飞行控制实验台制造技术

本发明专利技术的一种三自由度飞行控制实验台，将四旋翼飞行器设置在可以转动的十字绞上，在四旋翼飞行器的几何中心处，设置有飞行控制板用来完成对四旋翼飞行器的控制，整个实验台外部从下往上分别为底座、搬运手把、安装板、罩壳、托板、十字绞、无人机安装板；内部从下往上分别为控制器安装板、电缸、方位轴座、圆法兰直线轴承、导电环底板、导电环主轴、导电环外壳，其中电缸的升降带动托板上下移动来限制姿态角度范围，无人机安装板通过轴连接编码器，其反馈角度用来做航向角的补偿。本发明专利技术作为开放型实验教学的硬件平台，结构小巧，空间布局合理，能紧密联系课堂教学，体现自动控制原理各主要理论的物理意义与实际应用价值。

A three degree of freedom flight control experimental platform

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度飞行控制实验台
本专利技术属于飞行器飞行模拟教学
，尤其涉及一种三自由度飞行控制实验台。
技术介绍
四旋翼无人机体积小，结构简单可靠，飞行灵活，适合复杂环境下的作业，能在近地面环境执行巡查、监测等任务，可用于军事和民用。四旋翼无人机可以通过远程遥控设备控制飞行，与载人飞机相比，它具有体积适中、造价低廉、使用方便的特点。与其他无人机相比它机械结构设计简单，滞空能力强，静态飞行、低速飞行特性好，可以很容易的实现各种飞行姿态。应用于军事上，可配备相机或者摄像机，完成低空的侦察任务，监视战场进行损伤评估等。四旋翼飞行器的整体结构虽然相对简易，但是作为一个多输入多输出的控制系统，空气动力学特性复杂，系统建模也相对困难，外部的干扰更是增加了对其控制的算法的要求。而且它也是一个多学科的技术综合体，涉及到刚体动力学，空气动力学，控制，检测，信息等学科。目前，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。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了避免纯数值仿真所带来的弊端，而建立了一种三自由度飞行控制实验台，同时也克服了实物飞行试验所带来的风险大、成本高等缺点，功能完善、操作简单，对于学生能更好地理解这一控制系统，提高动手能力、增强实际工程经验也具有重要意义。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种三自由度飞行控制实验台，包括底座，控制器安装板、安装板、罩壳、托板、电缸、导轨、圆法兰直线轴承、方位轴座、旋转编码器、导电滑环、十字绞下叉、十字绞上叉、十字绞、无人机安装板；所述底座上具有上部开口的筒罩，所述安装板安装于该筒罩开口处，所述罩壳安装在安装板上，所述底座、筒罩、安装板、罩壳通过安装为一个整体；所述罩壳顶部上以及安装板上各开设有四个上下对应的通孔，一个电缸以及三个圆法兰直线轴承对应固定一个安装板的通孔处，每个圆法兰直线轴承内设有一根导轨，所述电缸的电缸轴穿过罩壳顶部的通孔，所述导轨也穿过罩壳顶部的通孔，位于罩壳外的电缸轴和导轨均连接托板；所述方位轴座安装在安装板的上部，所述旋转编码器位于方位轴座内部；所述罩壳顶部的中心位置以及托板的中心位置各开设有一个通孔，所述导电滑环贯穿上述两个通孔，且导电滑环固定在方位轴座上，所述导电滑环包括导电环底板、导电环主轴、导电环外壳，所述导电环主轴固定在方位轴座上，导电环底板位于导电环主轴下端，导电环外壳位于导电环主轴外部；所述十字绞下叉安装在导电环主轴上端，所述十字绞上叉位于十字绞下叉上部，两者之间通过十字绞活动连接，所述无人机安装板安装在十字绞上叉上，所述无人机固定在无人机安装板上；所述托板的通孔大于十字绞下叉和十字绞上叉，托板可接触无人机安装板。作为更进一步的优选方案，所述底座上还设有搬运手把，搬运手把位于筒罩外围。作为更进一步的优选方案，所述筒罩内的底座上设有控制器安装板，控制器安装板上具有电缸驱动器及数据采集板。作为更进一步的优选方案，所述导轨与托板之间通过导轨安装轴连接。作为更进一步的优选方案，所述十字绞下叉与导电环主轴之间通过十字绞安装轴连接。作为更进一步的优选方案，所述十字绞下叉上设有用于锁紧十字绞的十字绞锁片。有益效果1.本专利技术在实验过程中，被控对象采用的是真实的四旋翼飞行器，在保证安全的前提下，能使学生更深入了解四旋翼飞行器控制系统组成与设计，提高了教学效率和质量。2.本专利技术的承载平台，其结构稳定、可靠，可将四旋翼飞行器平台进行上下移动，能限制飞行器姿态角的范围，同时承载平台中的编码器对于航向角起到了一定的补偿作用，提高了航向精度。3.可以在该实验平台上进行新的算法验证，避免因算法失误而造成的经济损失，从而能减小研发成本。附图说明图1是本专利技术整体架构图；图2是本专利技术的主视图；图3是本专利技术的左视图；图4是本专利技术的俯视图；图5是本专利技术的控制/驱动图；其中，1-底座，2-搬运手把，3-安装板，4-罩壳，5-托板，6-十字绞，7-无人机安装板，8-控制器安装板，9-电缸，10-旋转编码器，11-导轨，12-方位轴座，13-圆法兰直线轴承，14-导电环底板，15-导电环主轴，16-导电环外壳，17-导轨安装轴，18-十字绞下叉，19-十字绞锁片，20-十字绞安装轴，21-十字绞上叉。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，详细描述本专利技术的实施方式，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。如图1所示，本专利技术主要由机械设计部分与飞行控制部分组成。机械设计部分主要对四旋翼飞行器进行固定，把四旋翼固定到实验台上，可以保障实验的安全，同时实验台内装有电缸，可对四旋翼飞行器平台进行上下移动。飞行控制部分主要有三个作用，一是对四旋翼飞行器进行控制，二是与底座里的数据采集板进行通信，三是与上位机进行通信，可以在上位机界面上写指令进行控制；整体架构的组成如下：稳压电源、承载平台、电缸驱动及编码器、数据采集板、四旋翼无人机、飞行控制板、遥控器、平台PC机。其中，稳压电源给整个实验台进行供电，承载平台是整个实验台的机械设计部分。在承载平台内部装有电缸驱动器，用来控制电缸的升降，通过托板的上下移动来限制姿态角的范围，编码器用作航向角的补偿，数据采集板将该信息反馈给飞行控制板。飞行控制板直接安装在四旋翼飞行器上，同时，使用遥控器和2.4GHz接收机进行无线通信，可实现对四旋翼飞行器的手动飞行。平台PC机装有上位机软件，用于下达指令以及接收飞行器的姿态信息。上位机，其主界面主要由五大部分组成：数字示波器，数字信号发生器，控制系统结构图和操作面板。其中，数字示波器主要用来显示指令测量范围、反馈测量范围、角速率测量范围以及控制测量范围，可通过数字示波器旋钮调节示波器的状态、选择通道以及设置量程等。同时数字示波器也具有打印功能，可将实验获得数据以及曲线进行打印，方便后面的数据记录与分析。同时数字信号发生器可对输入信号参数进行编辑，可以选择单通道实验，或者是多个通道的任意组合实验。控制系统结构图由姿态角环控制器，角速率环控制器，姿态角环反馈，角速率环反馈，控制分配，四旋翼等几个模块组成。操作面板有准备按钮，俯仰、滚转和偏航通道选择按钮，限位姿态输入编辑栏，达位启动按钮，开始试验按钮，时域频域切换按钮，时域频域分析按钮和结束实验按钮。本专利技术通信方式主要采用无线WIFI传输，飞行控制板与数据采集板都搭载了ESP32通信模块，其通信方式通过AT指令进行配置。通过AT指令对ESP32进行如下配置：将飞行控制板配置成TCP服务器；将数据采集板配置成TCP客户端1。上位机写成TCP客户端2。TCP服务器可与其所有客户端之间通信，客户端之间不可进行通信。该实验台及示教系统同时配有遥控器，可以通过上位机控制，也可使用遥控器进行手动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三自由度飞行控制实验台，其特征在于：包括底座（1），控制器安装板（8）、安装板（3）、罩壳（4）、托板（5）、电缸（9）、导轨（11）、圆法兰直线轴承（13）、方位轴座（12）、旋转编码器（10）、导电滑环、十字绞下叉（18）、十字绞上叉（21）、十字绞（6）、无人机安装板（7）；/n所述底座（1）上具有上部开口的筒罩，所述安装板（3）安装于该筒罩开口处，所述罩壳（4）安装在安装板（3）上，所述底座（1）、筒罩、安装板（3）、罩壳（4）通过安装为一个整体；/n所述罩壳（4）顶部上以及安装板（3）上各开设有四个上下对应的通孔，一个电缸（9）以及三个圆法兰直线轴承（13）对应固定一个安装板（3）的通孔处，每个圆法兰直线轴承（13）内设有一根导轨（11），所述电缸（9）的电缸轴穿过罩壳（4）顶部的通孔，所述导轨（11）也穿过罩壳（4）顶部的通孔，位于罩壳（4）外的电缸轴和导轨（11）均连接托板（5）；/n所述方位轴座（12）安装在安装板（3）的上部，所述旋转编码器（10）位于方位轴座（12）内部；/n所述罩壳（4）顶部的中心位置以及托板（5）的中心位置各开设有一个通孔，所述导电滑环贯穿上述两个通孔，且导电滑环固定在方位轴座（12）上，所述导电滑环包括导电环底板（14）、导电环主轴（15）、导电环外壳（16），所述导电环主轴（15）固定在方位轴座（12）上，导电环底板（14）位于导电环主轴（15）下端，导电环外壳（16）位于导电环主轴（15）外部；/n所述十字绞下叉（18）安装在导电环主轴（15）上端，所述十字绞上叉（21）位于十字绞下叉（18）上部，两者之间通过十字绞（6）活动连接，所述无人机安装板（7）安装在十字绞上叉（21）上，所述无人机固定在无人机安装板（7）上；所述托板（5）的通孔大于十字绞下叉（18）和十字绞上叉（21），托板（5）可接触无人机安装板（7）。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三自由度飞行控制实验台，其特征在于：包括底座（1），控制器安装板（8）、安装板（3）、罩壳（4）、托板（5）、电缸（9）、导轨（11）、圆法兰直线轴承（13）、方位轴座（12）、旋转编码器（10）、导电滑环、十字绞下叉（18）、十字绞上叉（21）、十字绞（6）、无人机安装板（7）；
所述底座（1）上具有上部开口的筒罩，所述安装板（3）安装于该筒罩开口处，所述罩壳（4）安装在安装板（3）上，所述底座（1）、筒罩、安装板（3）、罩壳（4）通过安装为一个整体；
所述罩壳（4）顶部上以及安装板（3）上各开设有四个上下对应的通孔，一个电缸（9）以及三个圆法兰直线轴承（13）对应固定一个安装板（3）的通孔处，每个圆法兰直线轴承（13）内设有一根导轨（11），所述电缸（9）的电缸轴穿过罩壳（4）顶部的通孔，所述导轨（11）也穿过罩壳（4）顶部的通孔，位于罩壳（4）外的电缸轴和导轨（11）均连接托板（5）；
所述方位轴座（12）安装在安装板（3）的上部，所述旋转编码器（10）位于方位轴座（12）内部；
所述罩壳（4）顶部的中心位置以及托板（5）的中心位置各开设有一个通孔，所述导电滑环贯穿上述两个通孔，且导电滑环固定在方位轴座（12）上，所述导电滑环包括导电环底板（14）、导电环主轴（15）、导电环外壳（16），所述导电环主轴（15）固定在方位轴座（12）上，导电环底板（14）位...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋伟，盛守照，姜斌，兰庭信，滕飞，傅春啸，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32