一种微纳单旋翼直升机六自由度飞行测试方法及平台

本发明涉及微纳旋翼式无人直升机自主飞行控制，尤其涉及一种微纳单旋翼直升机六自由度飞行测试方法及平台。

背景技术：

1、小型无人机因具有垂直起降、空中悬停、灵活机动的特点受到了工业和军用的关注，在空中摄影、地形勘探、军事侦查等方面得到了广泛的应用。相比于四旋翼无人机，单旋翼无人直升机具有更紧凑的机械结构、更强的带载能力以及更大的机动飞行能力。然而由于单旋翼直升机欠驱动、强耦合以及静不稳定的动力学特性，使得其高精度高敏捷度的位置和姿态跟踪成为时下的热点问题。

2、单旋翼无人直升机的高精度高敏捷度位置和姿态跟踪控制研究充满了机遇与挑战。通常，为了能够最大程度适应复杂的飞行环境，单旋翼无人直升机需要展现灵活的飞行特性和带载能力。然而，由于本身复杂的机械特性和多变量强耦合的特点，系统模型中包含高阶非线性项以及不易测量量。在高速灵活飞行过程中，上述问题将显著影响位置和姿态的跟踪精度，稍有不慎将会引起无人机失控、甚至坠机。

3、相比于微小型单旋翼无人直升机，微纳单旋翼无人直升机一般质量小于0.18kg，飞行高度小于30m，续航时间小于0.5h。其有限的体积和重量，对高精度的飞行能力提出更高的挑战。而现有文献中鲜有对微纳单旋翼无人直升机全自由度飞行平台进行阐述，更多的是采用数值仿真对控制方法进行验证。从实际飞行角度来看，数值仿真较难考虑到微纳单旋翼无人直升机在实际飞行过程中受到的空气阻尼影响、机械迟滞、通信受限、通信延迟等问题，使得多数控制算法较难部署到实际飞行中。因此，有必要设计一套功能完善、操作简洁方便的室内全自由度飞行平台，该全自由度飞行平台可以较好的验证基于微纳单旋翼无人直升机的位置和姿态控制算法，提高科研工作者的研发效率。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于提供一种微纳单旋翼直升机六自由度飞行测试方法及平台，提高微纳单旋翼无人直升机飞行控制设计的研发效率，为微纳单旋翼无人直升机的飞行控制设计提供真实可靠的实时飞行数据，以及高效的研发手段。

2、为了实现上述目的，本发明的一种微纳单旋翼直升机六自由度飞行测试方法，包括如下步骤：

3、搭建微纳单旋翼直升机飞行测试平台；所述测试平台在搭建时包括：

4、将待测试的微纳单旋翼无人直升机置于运动捕捉系统中；所述动作捕捉系统包括在室内飞行场地多处布设的姿态捕捉摄像机和与微纳单旋翼直升机通信的地面站；

5、所述地面站一方面根据与微纳单旋翼直升机交互通信时获取的飞行数据解算得到微纳单旋翼无人直升机的第一位姿数据；另一方面根据摄像机捕捉的飞行姿态和空间位置，获取微纳单旋翼无人直升机的第二位姿数据；将第一位姿数据与第二位姿数据进行对比，确定微纳单旋翼无人直升机的位置是否收敛，当出现位置发散时，将微纳单旋翼直升机重新上电测试；

6、当位置收敛时，地面站显示位置与摄像机捕捉的飞行姿态解算的位置一致时，使用遥控器控制微纳单旋翼直升机切换模式进行测试。

7、进一步，优选的，所述微纳单旋翼直升机的动力学方程采用如下公式(1)-公式(5)表示：

8、

9、

10、

11、

12、τ＝a(tm)eδ+b(tm)      (5)

13、其中，矢量p和v分别表示在惯性坐标系{i}下的微纳单旋翼无人直升机位置和速度，标量m和g分别表示直升机的质量和当地的重力加速度值；符号e3表示[0 0 1]，tm表示由主桨旋转产生的主升力，表示作用在位置环的外界位置扰动，也表示微纳直升机有关系统状态和控制输入的建模不确定项；表示从机体坐标系{b}到惯性坐标系{i}的旋转，矢量表示{b}下的角速度，符号j表示微纳直升机的系统惯性矩阵，矢量τ(t)和别表示控制输入力矩和作用在姿态环的外部位置扰动。

14、进一步，优选的，所述微纳单旋翼无人直升机飞行模式包括stabilize飞行模式，loiter定点飞行模式，circle环飞模式；

15、当位置收敛时，拨动遥控器摇杆，切换loiter模式平稳起飞，待飞行结束后，切换为loiter模式，并降低油门直至微纳单旋翼直升机平稳降落。

16、进一步，优选的，在circle环飞模式时，采用p-pid控制内外环的结构，在位置环采用位置-线速度环的p-pid控制结构，在姿态环采用姿态-姿态角速度p-pid控制结构。

17、进一步，优选的，还包括按照如下过程测量待测试的微纳单旋翼直升机的转动惯量；

18、在微纳单旋翼直升机上选取不共线的任意三点a、b、c作为悬挂点，将微纳单旋翼直升机，获取重心o；

19、测量每个悬挂点a、b、c到重心o的距离；

20、将三个悬挂点和重心所在位置，在水平面进行投影，根据每个悬挂点a、b、c的投影点a’b’c’组成的三角形的边长，计算三角形a’b’c’每边对应的重心夹角；

21、对微纳单旋翼直升机分别进行滚转、俯仰和偏航三个维度的多组摆动实验，根据每组摆动实验得到的摆动周期，按照如下公式计算每个维度的平均值；

22、

23、其中，m为直升机的质量，g为重力加速度，d1，d2，d3，分别为每个悬挂点a、b、c到重心o的距离；α1，α2，α3分别为三角形a’b’c’每边对应的重心夹角；

24、将三个维度的平均值进行组合，得到微纳单旋翼直升机的三维转动惯量

25、本发明还提供一种微纳单旋翼直升机六自由度飞行测试平台，用于按照上述任一项的微纳单旋翼直升机六自由度飞行测试方法的步骤进行飞行测试，包括多个姿态捕捉摄像机、微纳单旋翼直升机以及与微纳单旋翼直升机通信的地面站；

26、所述姿态捕捉摄像机用于捕捉室内飞行场地中的微纳单旋翼直升机的飞行姿态；

27、所述地面站用于与微纳单旋翼直升机进行通信；根据与微纳单旋翼直升机交互通信时获取的飞行数据解算得到微纳单旋翼无人直升机的第一位姿数据；另一方面根据摄像机捕捉的飞行姿态，获取微纳单旋翼无人直升机的第二位姿数据；将第一位姿数据与第二位姿数据进行对比，确定微纳单旋翼无人直升机的位置是否收敛，当出现位置发散时，将微纳单旋翼直升机重新上电测试；

28、当位置收敛时，地面站显示位置与摄像机捕捉的飞行姿态解算的位置一致，使用遥控器控制微纳单旋翼直升机切换模式进行测试。

29、进一步优选的，所述微纳单旋翼无人直升机飞行模式包括stabilize飞行模式，loiter定点飞行模式，circle环飞模式；

30、当位置收敛时，拨动遥控器摇杆，切换loiter模式平稳起飞，待飞行结束后，切换为loiter模式，并降低油门直至微纳单旋翼直升机平稳降落。

31、进一步优选的，在circle环飞模式时，采用p-pid控制内外环的结构，在位置环采用位置-线速度环的p-pid控制结构，在姿态环采用姿态-姿态角速度p-pid控制结构。

32、本技术公开的微纳单旋翼直升机六自由度飞行测试方法及平台，采用在室内场地中多个位置设置姿态捕捉摄像机，相比于数据仿真的测试形式，本技术能够根据实际受到的空气阻尼影响等，获得飞机的实际飞行数据，从而对控制算法进行调整；提高微纳单旋翼无人直升机飞行控制设计的研发效率。该六自由度飞行测试平台具有实用性、可靠性，为微纳单旋翼无人直升机的飞行控制设计提供真实可靠的实时飞行数据，以及高效的研发手段。

33、本发明可以方便的将控制算法在微纳单旋翼无人直升机上部署实施，能够更好的体现无人机在飞行过程中存在的外界未知扰动、建模误差以及通信延迟等不利因素，更能有效的验证所提出算法的有效性，提高科研效率。

34、本发明所提的基于运动捕捉系统的室内飞行测试平台，采用局域网进行数据通信，其数据交互稳定、快速，易于后续扩展为多用户终端，或者多无人机平台集群操作。

35、本发明基于室内环境，不受天气与外界气候影响，方便操作。

36、本发明包含有基于python的可视化界面以及基于mission planner的地面站远程监控系统，同时兼容市面上采用mavlink通信协议的多种开源软件(如qgc等)，可以很方便的进行扩展显示和控制。