CN102506899A

CN102506899A - 一种用于飞行器视觉导引着陆算法验证的实验系统

Info

Publication number: CN102506899A
Application number: CN201110355836XA
Authority: CN
Inventors: 徐锦法; 张梁; 郭林茂
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，包括运动驱动平台以及设置在运动驱动平台上的主轴，在所述的运动驱动平台上设置有电池和电子设备，在所述的运动驱动平台下端设置有轨迹与航向运动驱动组件，在主轴上设置有摄像机，在所述的主轴上套设有一倾转平台，该倾转平台与主轴之间球形铰连接，在倾转平台的下端设置有姿态运动驱动组件。本发明用于验证飞行器视觉导引着陆算法正确性，利用地面实验设备，模拟和再现飞行器在空中运动时的姿态与轨迹变化。

Description

一种用于飞行器视觉导引着陆算法验证的实验系统

技术领域

本发明涉及一种飞行器地面实验系统，尤其涉及一套用于无人直升机视觉导引着陆算法验证的地面实验系统。

背景技术

飞行器飞行控制实现方式多种多样，基于视觉导引的无人飞行器自主飞行导引与着陆就是其中一种新颖的控制方式。在飞行器导引与着陆过程中，视觉具有无可比拟的优势：将视觉传感器与惯性元件组合成视觉/惯性组合导航系统，利用卡尔曼滤波将视觉测量结果与IMU测量结果进行数据融合，可为飞行器导引着陆控制提供高精度位置姿态估计；基于单目视觉的摄像机运动估计能够为飞行器导引着陆控制提供高精度位置姿态估计值，包括飞行器角速度、线速度、姿态角、以及相对位置（相对于着陆平台）。

无人飞行器由于飞行器平台不用考虑驾驶员安全和舒适问题，有助于结构简化，可采用航模飞行器作为视觉导引着陆设备搭载和算法验证的理想平台，但是由于航模飞行器操纵难度相对较大，一般技术人员一时难以快速上手，无形之中增加了研究人员对于飞行器视觉导引着陆控制算法验证的难度。再有，航模飞行器成本相对还是比较贵，一旦控制不当所造成的经济损失也不小，如能用地面模拟实验设备来仿真无人飞行器在空中的运动变化，必将大大减小实验风险，降低技术人员的操作难度，有助于研究的顺利进行。

一般处理方式可以采用4轮小车作为视觉导引着陆设备搭载和算法验证的平台。这种小车能通过改变前轮方向来实现转向，但不具备横向移动能力，这对于无人飞行器视觉导引着陆设备搭载和算法验证平台是一项重大缺陷。同时，无人飞行器在空中还具有姿态运动变化特征，传统小车无法再现无人飞行器的姿态运动变化，不利于地面模拟验证无人飞行器视觉导引着陆技术的理论研究成果。

发明内容

针对飞行器视觉导引着陆算法验证研究中存在的问题，本发明的目的是提供一种飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，利用本系统可以验证视觉图像处理算法和基于视觉图像的飞行器导引着陆算法，模拟飞行器在空中的飞行运动轨迹，再现飞行器姿态变化或者自动倾斜器操纵面的变化情况，可以大大降低研究成本与风险，缩短研究周期，提高研究精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，包括运动驱动平台以及设置在运动驱动平台上的主轴，在所述的运动驱动平台上设置有电池和电子设备，在所述的运动驱动平台下端设置有轨迹与航向运动驱动组件，在主轴上设置有摄像机，在所述的主轴上套设有一倾转平台，该倾转平台与主轴之间球形铰连接，在倾转平台的下端设置有姿态运动驱动组件。

所述的球形铰为关节轴承，该关节轴承安装在倾转平台上的轴承固定座内，在所述的主轴上套设有直线轴承，关节轴承与直线轴承固连。

所述的轨迹与航向运动驱动组件包括直流伺服电机、转速测量码盘、固定基座、车轮和轮轴组成，车轮固定在轮轴上，轮轴通过轴承与固定基座相连，固定基座固定于运动驱动平台之上，直流伺服电机固定于基座上，测速码盘固定于直流伺服电机上，车轮为全向轮。

所述的姿态运动驱动组件包括内套、外套、螺杆以及步进电机，在内套上端也设置有关节轴承，内套设置在外套内，内套与螺杆螺纹连接，螺杆与步进电机连接，步进电机固定于外套之上，姿态运动驱动组件通过舵机连接耳与倾转平台连接，通过转轴连接耳和运动驱动平台连接。

车载电子设备包含嵌入式计算机、磁航向计、GPS、超声波发射装置和陀螺仪。

本系统上部设计有一倾转平台，用于再现姿态变化或者自动倾斜器操纵面变化，其轴承固定座内装有关节轴承，关节轴承由直线轴承固连，下部设计有一支撑轨迹运动的平台，即运动驱动平台，安装摄像机的主轴固定于该平台之上，通过倾转平台上的直线轴承限定主轴，保证了倾转平台与该平台的同心。

本系统轨迹运动由直流伺服电机驱动组件实现，安装在运动驱动平台下面，驱动组件由直流伺服电机、转速测量码盘、固定基座、车轮和轮轴组成。车轮固定在轮轴上，轮轴通过轴承与固定基座相连，固定基座固定于运动驱动平台，直流伺服电机固定于固定基座上，测速码盘固定于直流伺服电机上，车轮为全向轮。

姿态或者自动倾斜器操纵面再现由舵机组件实现，安装在运动驱动平台上，通过转轴连接耳与运动驱动平台连接，舵机组件上端通过连接耳与倾转平台连接，舵机组件由关节轴承、内套、外套、螺杆、步进电机组成，关节轴承固定于内套之上，内套与螺杆连接，内套通过固定于外套的直线轴承实现定位，螺杆与步进电机连接，通过固定于外套的轴承实现定位，步进电机固定于外套之上。通过转轴连接螺钉，可实现舵机组件小范围摆动。

运动控制电子设备由嵌入式计算机、磁航向计、GPS、超声波发射装置和陀螺仪组成。嵌入式计算机用于信号采集、控制律计算和控制输出，驱动直流伺服电机和步进电机运动，摄像机采集运动过程中的视觉图像，由视觉图像处理算法获得相关特征信息，与其它采集到的信号数据进行数据融合，得到飞行器所处的位置和姿态信息，并可通过网络传至地面控制基站。

本实验系统用于飞行器视觉导引飞行着陆控制系统地面实验，实验系统具有双层运动结构，运动驱动平台为三自由度运动平台，实现实验系统的轨迹运动控制和航向姿态变化，倾转平台为二自由度运动平台，实现飞行器的姿态运动变化。

本发明的有益效果是，本实验系统上运动驱动平台和倾转平台可有效直观反映出控制算法的性能指标。采用地面模拟方式能有效降低实验风险，对于视觉导引着陆算法验证具有极大的帮助作用。

附图说明

图1 为本发明飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统结构示意图。

图2 为本发明运动驱动平台电机及车轮分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明针对飞行器视觉导引着陆算法验证需求，设计了一种可在地面完成的飞行器视觉导引着陆算法验证实验系统，如图1所示，由主轴2、设于主轴上的摄像机1、运动驱动平台12、电子设备11和电池10、驱动姿态或操纵面运动的舵机组件、以及由姿态运动驱动组件（也称舵机组件）支撑的倾转平台4等组成。

设计的实验系统用于验证飞行器视觉导引着陆算法，实验系统的运动具有其功能特殊性，为此，把实验系统设计为上下二层，下层是以伺服电机为执行电机的运动驱动平台12，用于实现轨迹与航向运动，用圆形平板进行连接和支撑，圆形平板底部等间隔（90度分布）安装4台直流伺服电机20，直流伺服电机直接驱动全向轮14。全向轮14既可以实现径向运动，也可实现轴向滚动，可使实验系统不仅能够进行前后运动，而且还能够进行左右运动。通过控制全向轮的转速就能控制实验系统的运动速度和方向。

在实验系统的运动驱动平台12机构系统中，直流伺服电机固定座15是一重要组件，它不仅将各个直流伺服电机20固定于运动驱动平台12之上，更是将电机轴上通过车轮14传递过来的弯矩分散到运动驱动平台12。

直流伺服电机20后部安装的圆盘为转速测量码盘19，如图2所示。码盘19之上具有等间距的多格黑白相间条纹，与光耦元器件一起实现转速测量。码盘装在直流伺服电机20轴输出端，不安装在实验系统的车轮14端，这样的设计具有一定优势。原因是实验系统平动速度相对较慢，如果码盘装在车轮端，则光耦测速周期长，频率较低，会造成较大的测速误差。直流伺服电机20使用1:50减速齿轮箱，将码盘装在电机轴输出端，使得光耦测速频率提高50倍，有利于减小测速误差。

倾转平台通过舵机组件驱动，如图1所示。舵机组件通过步进电机16驱动，组件外套9与步进电机16外壳连接，螺杆与电机轴连接，其根部安装有滚动轴承，用以定位驱动。内套8与螺杆配套使用，通过直线轴承与外套9定位配合。顶部直线轴承与底部滚动轴承保证了螺杆内套8同轴度，使舵机运行平稳。内套8顶端装有杆端关节轴承7，用以连接倾转平台4，实现倾转平台4倾转。

倾转平台4倾转时，舵机组件产生一定倾角。为避免伸缩杆受力，舵机组件采用转轴机构与运动驱动平台12连接，如图1所示，舵机外套9根部具有转轴机构连接环，彻底解决了倾转受限问题。

实验系统主轴2固定在运动驱动平台12上，主轴2通过直线轴承3与关节轴承组合件穿过倾转平台4，直线轴承3保证了倾转平台4向下运动的灵活度，关节轴承的存在使倾转平台4能够再现姿态变化，这套组件还保证了倾转平台4与运动驱动平台12的同轴度。

在实验系统的运动驱动平台12上安装有直流伺服电机20驱动控制器11、倾转平台4电机16驱动控制器11、嵌入式控制计算机、视觉图像处理计算机、磁航向计、GPS、超声波发射装置、陀螺仪以及电池电源10。驱动倾转平台4的舵机组件通过转轴机构转轴连接螺钉17和转轴连接耳18固定在运动驱动平台12上，3套舵机组件呈90°十字对称安装，4套直流伺服电机组件同样呈90°十字对称安装，舵机组件与直流伺服电机组件之间相差45°间隔。视觉采集摄像头1安装在主轴上，保证了摄像头1在实验系统轨迹平动时一直处于实验系统坐标系的原点。

实验系统控制指令来自控制基站，在控制指令作用下实验系统完成前后左右平动与转动，上层倾转平台4实时再现飞行器的姿态变化信息，由此模拟飞行器导引飞行和降落飞行。在模拟飞行器导引过程时，实验系统的前后平动模拟飞行器朝向导引标志飞行，左右平动模拟飞行器侧向飞行，绕轴转动模拟飞行器航向改变。在模拟飞行器着陆过程时，实验系统的前后平动模拟飞行器垂直降落飞行，左右平动模拟飞行器侧向飞行，绕轴转动模拟飞行器滚转变化。倾转平台4在飞行器飞行导引着陆过程中，始终模拟飞行器俯仰、滚转以及高度的变化，实时再现飞行器姿态及高度变化信息。

Claims

1.一种飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，包括运动驱动平台（12）以及设置在运动驱动平台上的主轴（2），在所述的运动驱动平台（12）上设置有电池（10）和电子设备（11），在所述的运动驱动平台（12）下端设置有轨迹与航向运动驱动组件，在主轴（2）上设置有摄像机（1），在所述的主轴（2）上套设有一倾转平台（4），该倾转平台（4）与主轴（2）之间球形铰连接，在倾转平台（4）的下端设置有姿态运动驱动组件。

2.根据权利要求1所述的飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，其特征在于：所述的球形铰为关节轴承，该关节轴承安装在倾转平台（4）上的轴承固定座（6）内，在所述的主轴（2）上套设有直线轴承（3），关节轴承与直线轴承（3）固连。

3.根据权利要求1所述的飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，其特征在于：所述的轨迹与航向运动驱动组件，包括直流伺服电机（20）、转速测量码盘（19）、固定基座（15）、车轮（14）和轮轴（13）组成，车轮（14）固定在轮轴（13）上，轮轴（13）通过轴承与固定基座（15）相连，固定基座（15）固定于运动驱动平台（12）之上，直流伺服电机（20）固定于基座（15）上，测速码盘（19）固定于直流伺服电机（20）上，车轮（14）为全向轮。

4.根据权利要求1所述的飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，其特征在于：所述的姿态运动驱动组件包括内套（8）、外套（9）、螺杆以及步进电机（16），在内套（8）上端也设置有关节轴承（7），内套（8）设置在外套（9）内，内套（8）与螺杆螺纹连接，螺杆与步进电机（16）连接，步进电机（16）固定于外套（9）之上，姿态运动驱动组件通过舵机连接耳（5）与倾转平台（4）连接，通过转轴连接耳（18）和运动驱动平台（12）连接。

5.根据权利要求1所述的飞行器视觉导引着陆算法验证的地面实验系统，其特征在于：车载电子设备（11）包含嵌入式计算机、磁航向计、GPS、超声波发射装置和陀螺仪。