專利名稱：室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測試機(jī)器人技術(shù)的試驗(yàn)平臺，具體的說是ー種室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺。
背景技術(shù)：
旋翼飛行機(jī)器人是目前國防、民用兩大領(lǐng)域都迫切需要的一種無人操控平臺，它在受限空間內(nèi)的機(jī)動能力，如在狹小的空間起降、空中懸停、超低空飛行、懸停轉(zhuǎn)向等，使得其可以承擔(dān)固定飛行器所難以完成的使命，如城市空中信息獲取、災(zāi)難搜救、反恐防暴、輸電線路和油氣管線巡檢、邊防反走私反偷渡、森林防火、航拍航測等等。而將多個(gè)旋翼飛行機(jī)器人以編隊(duì)的形式協(xié)作完成既定任務(wù)，不僅具有以上的功能，還具有任務(wù)完成度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此無論是在學(xué)術(shù)界還是在軍事、民事等應(yīng)用領(lǐng)域，有關(guān)多旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作的研究與討論都非?；钴S。但是，很多技術(shù)瓶頸使得在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)多旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作困難重重，這其中最主要的瓶頸之一就在于試驗(yàn)條件過于苛刻，試驗(yàn)成本高，風(fēng)險(xiǎn)大。因此研制能夠在室內(nèi)環(huán)境中、具有安全保障的多旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)試驗(yàn)平臺對于進(jìn)ー步推動飛行控制技術(shù)及多機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重要的價(jià)值。目前，關(guān)于低成本、風(fēng)險(xiǎn)小的多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺存在的試驗(yàn)成本高，風(fēng)險(xiǎn)大等不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺包括主支架、多個(gè)機(jī)械臂及各機(jī)械臂的控制単元，其中主支架豎直設(shè)置，多個(gè)機(jī)械臂分別安裝于主支架的不同高度的連桿上，每個(gè)機(jī)械臂的端部設(shè)有用于安裝旋翼飛行機(jī)器人的托盤，控制単元安裝于機(jī)械臂上與之隨動。所述主支架包括底座和多段連桿，各連桿依次同軸安裝于底座上。所述每個(gè)機(jī)械臂具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，即水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)同軸轉(zhuǎn)動安裝于相應(yīng)的連桿上；俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)正交；托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與托盤同軸安裝，水平轉(zhuǎn)動。所述機(jī)械臂與托盤相對的另一端部設(shè)有可調(diào)節(jié)配重塊。所述控制単元具有光電開關(guān)、編碼器、機(jī)載控制器以及平臺狀態(tài)信息處理器，其中光電開關(guān)檢測旋翼飛行機(jī)器人的旋翼轉(zhuǎn)速送至機(jī)載控制器的輸入端，機(jī)載控制器輸出PWM控制信號至旋翼飛行機(jī)器人；編碼器采集旋翼飛行機(jī)器人的位置/速度信號，送至平臺狀態(tài)信息處理器進(jìn)行處理；平臺狀態(tài)信息處理器與機(jī)載控制器進(jìn)行通訊連接。光電開關(guān)與機(jī)載控制器之間設(shè)有光率禹。所述編碼器設(shè)于每個(gè)旋翼飛行機(jī)器人所在機(jī)械臂的水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上。所述水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上設(shè)有換向電刷。各控制單元中還具有零位傳感器，設(shè)于連桿上對應(yīng)水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置，零位傳感器的信號接至平臺狀態(tài)信息處理器。所述多個(gè)機(jī)械臂的控制單元通過總線與地面控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊傳輸。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)為由三個(gè)能夠自由活動的機(jī)械臂組成的試驗(yàn)平臺，每個(gè)機(jī)械臂有三個(gè)獨(dú)立的自由度，平臺本身沒有動カ裝置，每個(gè)機(jī)械臂可以由ー架旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)帶動進(jìn)行運(yùn)動；平臺能夠?qū)崿F(xiàn)多架旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行協(xié)作試驗(yàn)，此外，也可支持進(jìn)行單旋翼飛行機(jī)機(jī)器人系統(tǒng)的自主控制等試驗(yàn)研究。2.旋翼飛行機(jī)器人固定在每個(gè)機(jī)械臂的末端，靠自身的飛行機(jī)理產(chǎn)生空氣動力，并帶動機(jī)械臂運(yùn)動；由于可在不改變?nèi)魏涡盹w行機(jī)器人系統(tǒng)本體構(gòu)造的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，因此可最大程度上保留旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)特性，從而最大程度上模擬真實(shí)的旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)本體特性，提高試驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際系統(tǒng)中的可用性。3.可支持旋翼飛行機(jī)器人豎直編隊(duì)試驗(yàn)。旋翼飛行機(jī)器人的豎直編隊(duì)(即多架不同的機(jī)器人系統(tǒng)處于同一豎直線上進(jìn)行的編隊(duì)試驗(yàn))是ー種高難度的編隊(duì)情況，這不僅是由于帶來的較高的危險(xiǎn)性，也是由于豎直編隊(duì)造成的旋翼機(jī)之間的空氣動カ特性的嚴(yán)重耦合與影響，此平臺的構(gòu)造保證了進(jìn)行豎直編隊(duì)試驗(yàn)時(shí)的安全性，對研究在豎直編隊(duì)情況下的可行性及旋翼機(jī)空氣動力學(xué)特性帶來便利。4.本發(fā)明采用總線通訊結(jié)構(gòu)，可支持多機(jī)器人之間及機(jī)器人與總控制器間的有線通信，同時(shí)每個(gè)機(jī)器人上裝配有單片機(jī)、DSP等，可方便裝配無線通信模塊，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間以及機(jī)器人與總控制器間的無線通信。5.每個(gè)機(jī)械臂上裝配有配重環(huán)節(jié)，可最大程度的減輕旋翼飛行機(jī)器人本身的負(fù)載，同時(shí)可支持不同型號的旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。6.具有精確的全局定位功能，每個(gè)自由度都裝配有高精度的編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)本體的精確定位，從而為對進(jìn)行高難度、高精度試驗(yàn)以及評估試驗(yàn)結(jié)果帶來便利。7.采用模塊化設(shè)計(jì)理念，方便組裝。


圖I為本發(fā)明裝配結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明電路原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，包括主支架、多個(gè)機(jī)械臂及各機(jī)械臂的控制單元，其中主支架豎直設(shè)置，多個(gè)機(jī)械臂分別安裝于主支架的不同高度的連桿上，每個(gè)機(jī)械臂的端部設(shè)有用于安裝旋翼飛行機(jī)器人的托盤，控制単元安裝于機(jī)械臂上與之隨動。所述主支架包括底座和多段連桿，各連桿依次同軸安裝于底座上，連桿可為2 6段，本實(shí)施例采用3段連桿結(jié)構(gòu)，因此如圖I所示，本實(shí)施例以三個(gè)機(jī)械臂為例，主支架分成、可拆分的三段連桿和底座，三個(gè)連桿分別用于裝配三個(gè)機(jī)械臂即第I 3機(jī)械臂3、11、13，每個(gè)機(jī)械臂有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，即水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)配有電刷，分別為圖I中的水平電刷5和托盤電刷7，以利于內(nèi)部走線。同時(shí)每個(gè)關(guān)節(jié)還裝配有編碼器，以測量該關(guān)節(jié)的運(yùn)動狀態(tài)(包括位置、速度)。水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)同軸轉(zhuǎn)動安裝于相應(yīng)的連桿上；俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)正交；托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與托盤同軸安裝，水平轉(zhuǎn)動。為了方便調(diào)節(jié)多旋翼飛行機(jī)器人的運(yùn)動負(fù)載，在機(jī)械臂與托盤相對的另一端部還設(shè)有可調(diào)節(jié)配重塊8。如圖2所示，控制單元為三套，分別安裝于三個(gè)機(jī)械臂上，與機(jī)械臂隨動，便于實(shí)現(xiàn)分布式控制策略，每套控制單元組成部件相同，均具有光電開關(guān)、編碼器、機(jī)載控制器15以及平臺狀態(tài)信息處理器16，其中光電開關(guān)檢測旋翼飛行機(jī)器人的旋翼轉(zhuǎn)速通過光耦隔離 后送至機(jī)載控制器15的輸入端，機(jī)載控制器15輸出PWM控制信號至旋翼飛行機(jī)器人；編碼器采集旋翼飛行機(jī)器人的位置/速度信號，送至平臺狀態(tài)信息處理器16進(jìn)行處理；平臺狀態(tài)信息處理器16與機(jī)載控制器15進(jìn)行通訊連接。所述編碼器設(shè)于每個(gè)旋翼飛行機(jī)器人所在機(jī)械臂的水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上，分別為圖I中的水平轉(zhuǎn)動編碼器9、俯仰轉(zhuǎn)動編碼器6及托盤旋轉(zhuǎn)編碼器4。各控制單元中還具有零位傳感器，設(shè)于連桿上對應(yīng)水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置，零位傳感器的信號接至平臺狀態(tài)信息處理器16，用于標(biāo)定旋翼飛行機(jī)器人的水平初始位置。所述機(jī)載控制器15以數(shù)字信號處理器做為主控制部件，平臺狀態(tài)信息處理器16以單片機(jī)做為主控制部件，前者主要用來實(shí)現(xiàn)旋翼飛行機(jī)器人的控制算法；后者主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂狀態(tài)采集(包括各關(guān)節(jié)角位置信息測量)，二者之間通過串ロ進(jìn)行通信。電源電纜I由底座進(jìn)入，同時(shí)三個(gè)控制單元還可以通過總線2、10、12、14與地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，進(jìn)行多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)。本發(fā)明原理及工作過程試驗(yàn)開始時(shí)，將三個(gè)旋翼飛行機(jī)器人分別固定安裝于每個(gè)機(jī)械臂的托盤，這樣每個(gè)機(jī)械臂由一架旋翼飛行機(jī)器人帶動，實(shí)現(xiàn)三自由度的運(yùn)動。旋翼飛行機(jī)器人的控制由機(jī)載控制器15來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)機(jī)械臂的狀態(tài)采集由平臺狀態(tài)信息處理器16來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例中的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺可支持三架旋翼飛行機(jī)器人共同運(yùn)動，研究單旋翼飛行機(jī)器人控制或多旋翼飛行機(jī)器人協(xié)作方法的試驗(yàn)驗(yàn)證，具體可實(shí)現(xiàn)以下試驗(yàn)(I)單旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)控制方法可開展包括旋翼飛行機(jī)器人剛體動力學(xué)建模、空氣動力學(xué)建模、地面效應(yīng)建模、單旋翼飛行機(jī)器人自主控制方法等試驗(yàn)；(2)多旋翼飛行機(jī)器人協(xié)作方法可開展包括多旋翼飛行機(jī)器人編隊(duì)控制、多旋翼飛行機(jī)器人合作環(huán)境建模、多旋翼飛行機(jī)器人姿態(tài)同步、空地機(jī)器人協(xié)作等試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.ー種室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于包括主支架、多個(gè)機(jī)械臂及各機(jī)械臂的控制單元，其中主支架豎直設(shè)置，多個(gè)機(jī)械臂分別安裝于主支架的不同高度的連桿上，每個(gè)機(jī)械臂的端部設(shè)有用于安裝旋翼飛行機(jī)器人的托盤，控制単元安裝于機(jī)械臂上與之隨動。
2.按權(quán)利要求I所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于所述主支架包括底座和多段連桿，各連桿依次同軸安裝于底座上。
3.按權(quán)利要求I所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于所述每個(gè)機(jī)械臂具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，即水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)同軸轉(zhuǎn)動安裝于相應(yīng)的連桿上；俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)正交；托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與托盤同軸安裝，水平轉(zhuǎn)動。
4.按權(quán)利要求I所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于所述機(jī)械臂與托盤相對的另一端部設(shè)有可調(diào)節(jié)配重塊。
5.按權(quán)利要求I所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于所述控制単元具有光電開關(guān)、編碼器、機(jī)載控制器以及平臺狀態(tài)信息處理器，其中光電開關(guān)檢測旋翼飛行機(jī)器人的旋翼轉(zhuǎn)速送至機(jī)載控制器的輸入端，機(jī)載控制器輸出PWM控制信號至旋翼飛行機(jī)器人；編碼器采集旋翼飛行機(jī)器人的位置/速度信號，送至平臺狀態(tài)信息處理器進(jìn)行處理；平臺狀態(tài)信息處理器與機(jī)載控制器進(jìn)行通訊連接。
6.按權(quán)利要求5所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于光電開關(guān)與機(jī)載控制器之間設(shè)有光耦。
7.按權(quán)利要求5所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于所述編碼器設(shè)于每個(gè)旋翼飛行機(jī)器人所在機(jī)械臂的水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、俯仰轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上。
8.按權(quán)利要求7所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于所述水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和托盤旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上設(shè)有換向電刷。
9.按權(quán)利要求5所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于各控制單元中還具有零位傳感器，設(shè)于連桿上對應(yīng)水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置，零位傳感器的信號接至平臺狀態(tài)信息處理器。
10.按權(quán)利要求5所述的室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，其特征在于所述多個(gè)機(jī)械臂的控制単元通過總線與地面控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊傳輸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種室內(nèi)多旋翼飛行機(jī)器人試驗(yàn)平臺，包括主支架、多個(gè)機(jī)械臂及各機(jī)械臂的控制單元，其中主支架豎直設(shè)置，多個(gè)機(jī)械臂分別安裝于主支架的不同高度的連桿上，每個(gè)機(jī)械臂的端部設(shè)有用于安裝旋翼飛行機(jī)器人的托盤，控制單元安裝于機(jī)械臂上與之隨動。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多架旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行協(xié)作試驗(yàn)，也可支持進(jìn)行單旋翼飛行機(jī)機(jī)器人系統(tǒng)的自主控制等試驗(yàn)研究，最大程度上模擬真實(shí)的旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)本體特性，提高試驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際系統(tǒng)中的可用性。
文檔編號G05B17/02GK102650851SQ20111004559
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者何玉慶, 王爭, 谷豐, 韓建達(dá) 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所