[发明专利]一种微小型旋翼飞行器实验平台及应用

说明书

技术领域

本发明涉及机械、实验测量技术、信息采样及处理技术等领域，具体涉及一种微小型旋翼飞行器实验平台及应用。

背景技术

目前，许多应用领域都要求飞行器能够进行低空低速的飞行，进行低空作业，并且有良好的机动性和隐蔽性。小型旋翼式飞行器是实现上述功能的良好平台。因此，当前对于小型旋翼式飞行器的研究方兴未艾，出现了各种各样的小型旋翼式飞行器。如传统布局的直升机式无人机，包括单主旋翼带尾桨式直升机、纵列式双旋翼直升机、横列式双旋翼直升机、复合式直升机，以及其他的新概念旋翼式飞行器，包括多旋翼飞行器、倾转旋翼式飞行器等。不断涌现的新概念旋翼式飞行器对飞行器的研究与实验方法提出了更高的要求。

由于旋翼式飞行器是一个极为复杂的系统，对其研究涉及到结构、空气动力、控制、通信、导航等一系列问题，目前还难以用数学的方法完全模拟其飞行过程。因此，旋翼式飞行器的飞行实验是其研究开发过程中必不可少的阶段。然而当前旋翼式飞行器尚缺少可靠的实验装置，不能满足旋翼式飞行器飞行实验的需求，导致旋翼式飞行器的飞行实验存在危险大、成本高、成功率低、周期长等特点，严重制约了小型旋翼式飞行器开发研制的成本与周期。

目前针对旋翼式飞行器的实验装置有直升机旋翼模型实验台、悬停旋翼实验台等旋翼实验台，上述旋翼实验台可用于对模型旋翼在悬停和前飞状态下的空气动力学等问题进行实验研究，为旋翼的理论研究提供实验验证手段。然而，上述实验装置都只能对单个旋翼的气动性能进行模拟，功能单一，通用性差，不能进行旋翼式飞行器整体的飞行实验。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种微小型旋翼飞行器实验平台及应用，针对微小型旋翼飞行器的设计，充分考虑微小型旋翼式飞行器的特点，使得该实验平台具有多种功能，可以完全模拟微小型旋翼式飞行器的自由飞行，从而在一定程度上代替微小型旋翼式飞行器的实际飞行测试，大大减少微小型旋翼式飞行器进行飞行测试的时间和危险，对于改进微小型旋翼式飞行器的品质、开发周期、成本均很有益处。

本发明提出的一种微小型旋翼飞行器实验平台，主要包括实验台底座、球关节轴承、微小型旋翼式飞行器、六维力传感器、机载电路硬件和上位计算机。其中实验台底座固定在地面上或其他平面上，实验台底座与球关节轴承的定子之间连接有六维力传感器。微小型旋翼式飞行器通过球关节轴承与实验台底座连接，球关节轴承的转子与微小型旋翼式飞行器固连。通过这样的连接方式，微小型旋翼式飞行器可以通过球关节轴承绕实验台底座作3个方向的旋转运动，从而完全实现微小型旋翼式飞行器在空间中的3个转动。

微小型旋翼式飞行器中除了旋翼运动产生的空气动力会对微小型旋翼式飞行器的运动产生影响外，旋翼之外的其他运动部件的运动也会对微小型旋翼式飞行器的运动产生影响，如微小型旋翼式飞行器中包含两个双关节的操作臂，这些操作臂的关节所产生的运动会影响飞行器整体的运动，因此微小型旋翼式飞行器上还可以安装有一些运动部件如双关节操作臂。

由于微小型旋翼式飞行器的运动是由旋翼等运动部件所产生的，通过测量飞行器的旋翼等部件因运动产生的力和力矩，根据微小型旋翼式飞行器的运动学和动力学方程即可完全计算出微小型旋翼式飞行器在相应的力和力矩作用下在空间中的运动情况。因此，位于球关节轴承的定子与实验台底座之间安装有一个六维力传感器，可以测量微小型旋翼式飞行器在实验平台上试飞时所产生的笛卡尔空间中的三个方向上的力和力矩。六维力传感器通过电缆与上位计算机连接，可把测量到的力和力矩数据实时传送给上位计算机，在上位计算机中根据六维力传感器所测量得到的力和力矩，再根据微小型旋翼式飞行器的运动学和动力学方程即可完全模拟出微小型旋翼式飞行器在不受约束情况下在笛卡尔空间中的运动情况。借助这种方法，微小型旋翼式飞行器虽然被约束在实验台底座上运动，但仍然可以得到其不受约束情况下的六自由度运动情形，因此可以直接在实验平台上进行六自由度的飞行测试实验，大大提高了六自由度飞行测试的安全性和效率。