無人機本體調(diào)校測試系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實踐

趙昌麗，朱雅喬

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學 航空航天學院，天津 300350）

無人機本體調(diào)校測試系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實踐

趙昌麗，朱雅喬

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學 航空航天學院，天津 300350）

針對無人機應(yīng)用技術(shù)類專業(yè)實驗實訓教學環(huán)節(jié)涉及的飛行配平、響應(yīng)測試及飛控校準等測試工作，設(shè)計了搖臂單點吊裝式結(jié)構(gòu)，開發(fā)了四通道平臺校準測試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對垂直起降無人飛行器俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航及高度四路電調(diào)及平臺飛控的性能測試，給出了飛控性能數(shù)據(jù)，量化了平臺的裝調(diào)差異度，從而指導裝調(diào)人員漸序優(yōu)化平臺飛控，為控制系統(tǒng)診斷與參數(shù)整定建立了數(shù)據(jù)支撐。與傳統(tǒng)人工方式相比，采用該測試平臺進行的無人機裝調(diào)工作，操作安全性更好，調(diào)校效率更高，且不受室內(nèi)外天氣環(huán)境制約，為無人機系統(tǒng)裝調(diào)、維護及實訓教學提供了技術(shù)支撐與平臺保障。

實訓教學；無人機；系統(tǒng)裝調(diào)；飛行操控

1 背景

近年來無人機行業(yè)發(fā)展迅猛，飛行器擁有者數(shù)量激增，以無人機作為應(yīng)用平臺的航空拍攝、農(nóng)林植保、警務(wù)查打、災后搜救等各領(lǐng)域?qū)τ陲w行器駕駛者需求的缺口巨大，西安航空職業(yè)技術(shù)學院、長沙航空職業(yè)技術(shù)學院、天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院、天津中德應(yīng)用技術(shù)大學等院校先后開設(shè)了無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，旨在培養(yǎng)無人機裝調(diào)、維護與操縱等方向的技能型人才。

天津中德應(yīng)用技術(shù)大學的無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)開設(shè)了飛行原理、無人機構(gòu)造與系統(tǒng)、無人機控制系統(tǒng)等理論課程及無人機整機組裝與調(diào)試、無人機飛行實訓等實訓課程。理論課程采用理實一體化教學模式，將實驗課程融入理論教學中，該校購置了多臺小型固定翼、旋翼無人機用于實驗實訓的教學。盡管現(xiàn)行的實訓環(huán)節(jié)確實對實踐能力的提升作用顯著，但也存在以下問題：①裝調(diào)錯失導致輸出力矩錯誤，直接試飛易造成炸機、失控等危險狀況，存在巨大安全隱患；②試飛操縱補救不利，易造成機體部件損壞，教學成本高；③試飛需要安全防護設(shè)施布設(shè)，場地條件高；④人工試飛沒有準確的數(shù)據(jù)反饋，調(diào)試難度大，測試周期長，時間成本高；⑤易受天氣、風速、溫度等影響，環(huán)境因素制約明顯。

因此，針對以上問題，有效保障實訓環(huán)節(jié)人機安全、降低材料成本、提高裝調(diào)效率是當前該實訓教學環(huán)節(jié)亟需解決的問題關(guān)鍵。

2 基本思路

針對無人機飛行操縱與控制訓練，國內(nèi)很多院校都開展了實驗平臺的研究設(shè)計工作。中國石油大學設(shè)計了一種基于Odroid的四旋翼無人機實驗教學平臺，解決了機電一體化技術(shù)多門課程內(nèi)容創(chuàng)新實踐教學應(yīng)用的問題，海軍航空工程學院針對無人機訓練缺乏實裝、費用高、風險大等問題，采用半實物仿真方式，設(shè)計了一種無人機模擬訓練系統(tǒng)。天津大學為了能夠快速驗證飛行控制器控制算法的性能，研究開發(fā)了四旋翼無人機可視化半實物仿真平臺，一定程度上提高了飛控算法開發(fā)的效率。東北電力大學為增強自動化專業(yè)學生的創(chuàng)新思維和綜合創(chuàng)新能力，設(shè)計了四旋翼飛行器實驗平臺，并取得了豐碩的實踐教學成果。針對無人機維修保障人員的技能培訓，設(shè)計了基于多智能體的維修訓練仿真系統(tǒng)。此外，開放式多功能飛機模擬訓練器在民航客貨運航空器實踐教學方面的改革探索為無人機的實訓教學平臺建設(shè)工作提供了良好借鑒。

結(jié)合該校實際情況，課題組設(shè)計了一種兼容直升機無人機與多旋翼無人機的測試平臺，安裝結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)后整機直接安裝于連接處，無需其他鏈接機構(gòu)與改裝；通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航及高度四個通道的檢測，并與飛控傳回的四通道角度信息對比，得出對電調(diào)及飛控校準的測試結(jié)果；結(jié)合給定的控制算法分析接收機四通輸入與平臺輸出，示出輸入輸出曲線，易于對各通道的控制性能進行直觀掌握，從而指導裝調(diào)人員進一步優(yōu)化飛控控制參數(shù)。

3 平臺設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)及組成

平臺系統(tǒng)如圖1所示，由四通道運動機構(gòu)、四通道檢測裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。

圖1 平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）四通道運動機構(gòu)。四通道運動機構(gòu)包括底座、支撐桿、連接部、配重裝置、三軸運動機構(gòu)、無人機安裝結(jié)構(gòu)。底座采用不銹鋼或鋁框架結(jié)構(gòu)，底部通過配重，中心穩(wěn)定能夠支持無人機在飛行過程中帶來的轉(zhuǎn)動慣量?？蚣荛g有足夠的空間安放檢測線路、無線通信系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的組件。支撐桿采用不銹鋼材質(zhì)，可根據(jù)測試需求調(diào)節(jié)高度。連接部為單軸軸承，控制配重橫桿垂直方向轉(zhuǎn)動，提供無人機垂直高度變化時的運動，并通過安裝限位塊，限制飛行高度變化附件安裝編碼器，測量角位移與角速度。配重裝置包括配重塊與橫桿，配重塊用于平衡掉橫桿與三軸運動機構(gòu)自重，保證無人機垂直通道沒有其他干擾，配重塊中空穿過橫桿，可以調(diào)節(jié)位置并通過螺釘固定，以保持橫桿平衡。三軸運動機構(gòu)通過三關(guān)節(jié)軸承，承載無人機俯仰、滾轉(zhuǎn)及偏航的運動，附件在各軸安裝編碼器，用于測量各軸的角位移與角速度。無人機安裝機構(gòu)通過四點與無人機中心板固定，實現(xiàn)機體中心穩(wěn)定，有效避免了影響螺旋槳葉的運動。

（2）四通道檢測裝置。通過安裝在四個軸關(guān)節(jié)的編碼器，檢測四軸的角位移與角速度，從而實現(xiàn)對無人機俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航及高度運動的檢測，通過無線傳輸模塊輸送至數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析系統(tǒng)進行分析，與飛控內(nèi)部傳感器測得數(shù)據(jù)進行比較，檢測飛控是否校準正確。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。平臺端信號采集系統(tǒng)用Arduino單片機作為數(shù)據(jù)采集組件，接收檢測裝置發(fā)來的角位移與角速度信號，并將連接部的角位移與角速度信息轉(zhuǎn)換為高度與速度信息，將俯仰通道角度變換同時配置同型號的接收機接收來自遙控器的四通道PWM信號，輸送至單片機，由單片機處理為數(shù)值信號，最后由無線通信模塊將以上信號統(tǒng)一發(fā)送至主控計算機。

（4）數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)。遠端計算機通過無線通信模塊接收來自平臺端與飛控端的信號，比較平臺與飛控的三通道角度及高度變化，檢測飛控的加速度計與磁羅盤是否校準正確，同時將遙控器接收機端傳來的輸入信號與輸出信號進行比較，繪制曲線，檢測各通道控制效果，并提出各通道控制參數(shù)的優(yōu)化建議。

（5）無線傳輸模塊。無線傳輸模塊一部分采用藍牙實現(xiàn)，主要負責將平臺端的單片機信號送至主控計算機，另一部分采用無線數(shù)傳安裝于無人機飛控，將飛控數(shù)據(jù)輸送至主控計算機。

（6）電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)主要為平臺端信號采集系統(tǒng)、無線電傳輸系統(tǒng)提供5V供電，設(shè)計為鋰電池與電源模塊兩種供電形式，便于室內(nèi)與室外測試環(huán)境。

3.2 一般性工作方式

平臺系統(tǒng)可根據(jù)無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)不同課程的側(cè)重要求，作為教學輔助裝置不同程度地被使用，平臺系統(tǒng)的一般性工作方式如下。

（1）模塊一：基礎(chǔ)調(diào)試。啟動前調(diào)解配重塊，使橫桿平衡，將組裝好的無人機通過平臺上的無人機安裝結(jié)構(gòu)與測試平臺連接，開始機體結(jié)構(gòu)安裝檢測。通過施加外力使無人機與配平裝置保持水平，同時觀察無人機的機體是否水平，如果機體不處于水平，則表示無人機組裝過程中存在沒有配平問題，需重新卸下后進行調(diào)整，直至無人機機體保持水平。開啟電源系統(tǒng)為平臺信號采集系統(tǒng)供電，測試人員開啟安全開關(guān)啟動無人機。首先控制遙控器油門通道測試飛機垂直通道響應(yīng)，觀察無人機高度變化。如油門一直增加而無人機無高度變化，則提示建議查看電機與螺旋槳是否安裝錯誤；如油門增加到一定出現(xiàn)姿態(tài)或航向變化劇烈，提示建議查看電機或螺旋槳是否安裝錯誤。

（2）模塊二：飛控校準測試?？刂茻o人機起飛，分次改變油門、俯仰、滾轉(zhuǎn)通道輸入，通過主控計算機對平臺檢測數(shù)據(jù)與飛控輸出數(shù)據(jù)進行比較，若不吻合，提示建議查看飛控中加速度計校準是否正確；控制無人機起飛，改變航向通道輸入，通過主控計算機比較的平臺檢測數(shù)據(jù)與飛控輸出數(shù)據(jù)進行比較，若不吻合，提示建議查看飛控中磁羅盤校準是否正確；控制無人機起飛，分別改變四通道輸入，主控計算機繪制輸入輸出曲線，觀察無人機各通道相應(yīng)情況，修改控制律及參數(shù)整定。

4 平臺應(yīng)用及教學實踐

該校無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)單位課時為4學時/節(jié)，理論課程教學活動采用理實一體化形式開展，依據(jù)課程情況設(shè)計安排約1/2或1/3時間的實驗實訓環(huán)節(jié)，實訓課程則以實操訓練為主，涉及應(yīng)用該平臺的相關(guān)課程情況如表1所示。

表1 相關(guān)課程情況

（1）理論課程的實驗驗證。無人機構(gòu)造與系統(tǒng)為無人機專業(yè)學生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程主要包含無人機的飛行原理和翼型設(shè)計、無人機機體結(jié)構(gòu)、無人機動力裝置、無人機電子設(shè)備等主要內(nèi)容，使學生掌握其無人機的結(jié)構(gòu)及各系統(tǒng)的組成與工作原理，為進行實際維護工作及故障診斷打下基礎(chǔ)。飛行原理與翼型設(shè)計是該課程的難點之一，以此為例，單一的講解方式無法使學生直觀理解翼型對氣動力的影響，利用該無人機實驗平臺在安全飛行環(huán)境下，通過更換不同翼型的螺旋槳葉，對比呈現(xiàn)不同的飛行操控效果，易于學生總結(jié)翼型對無人機氣動力的影響因素。

無人機控制技術(shù)為無人機專業(yè)學生的專業(yè)技術(shù)課程，該課程主要由包含旋翼無人機動力學模型、運動學模型，基于氣壓計的起降高度控制、基于GPS的水平運動控制和基于視頻流的姿態(tài)控制，以及基于PID控制、魯棒控制等內(nèi)容，使學生掌握無人機機體建模、常用無人機控制策略及算法。以控制器設(shè)計與參數(shù)整定環(huán)節(jié)為例，常規(guī)的理實一體教授方式多以仿真驗證進行穿插，實體呈現(xiàn)性不強，而采用該平臺的實踐環(huán)節(jié)，將或設(shè)計或優(yōu)化的控制算法載入飛控，通過輸入輸出數(shù)據(jù)采集與對比，可較好地分析控制器的實體平臺控制效果，便于分析控制策略與算法優(yōu)劣，在控制律設(shè)置存有缺陷時，因平臺的剛性約束，可有效保障人身與機體的安全。

（2）實訓課程的實操訓練。實訓課程服務(wù)于專業(yè)技術(shù)課程，為前續(xù)所學知識的系統(tǒng)掌握與運用所設(shè)立的集中環(huán)節(jié)，為使課程貼近生產(chǎn)實際，采用項目引導、任務(wù)驅(qū)動、分組實施、獨立考核的教學方式進行。

無人機整機組裝與調(diào)試課程為無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學生的專業(yè)實訓課程，該課程為無人機構(gòu)造與系統(tǒng)課程的延伸實訓，采用小型四旋翼無人機作為組裝與調(diào)試的實訓設(shè)備，通過整機構(gòu)成與信號傳輸、動力套裝配置、電機電調(diào)校準、飛控安裝與調(diào)校、飛行前測試、試飛等五項任務(wù)，實現(xiàn)學生對電動無人機整機結(jié)構(gòu)認知、供電與信號傳輸關(guān)系、動力套裝配置約束、飛控傳感器校準與調(diào)參等知識與技能的熟練掌握。其中飛控安裝與校準、試飛前測試等為該課程的實施難點，主要體現(xiàn)在試飛場地受限，人機安全需要保障；師生比相對較低，串行指導無法兼顧全員；缺少數(shù)據(jù)支撐的人工感知校準，調(diào)校效率低下。無人機本體調(diào)測系統(tǒng)的應(yīng)用有效改善了以上環(huán)節(jié)，采用的剛性連接方式，提供了安全測試環(huán)境；加裝的懸臂吊裝結(jié)構(gòu)，減少了設(shè)備損耗成本；給出的通道參數(shù)檢測，提高了飛控調(diào)測效率。

視距內(nèi)飛行訓練為無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)技能實訓課程，視距內(nèi)飛行主要采用小型四旋翼與直升機作為實訓設(shè)備，通過起飛、懸停、降落、四邊飛行、八字飛行等科目的訓練，使學生掌握基本的飛行技能。其中起飛、懸停與降落為飛行的基礎(chǔ)技能，同時也是學員操作需要突破的難點。對于初學者，一般采用教練線的方式，對于只有1～2名教員的課堂，這種方式嚴重影響了教學進度，因此，平臺的應(yīng)用實施了一種安全的訓練方式，通過物理限位實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的通道飛行訓練，通過配重調(diào)節(jié)消除了系留姿態(tài)，同時通過上位機顯示操控輸入與輸出數(shù)據(jù)，也為學員飛行訓練提供了數(shù)據(jù)指導。

（3）科技創(chuàng)新活動。無人機本體調(diào)校測試系統(tǒng)在學生科技創(chuàng)新活動中也起到了良好的輔助測試作用。該校航模社團學生2016年6月參加了航職委舉辦的首屆“全國職業(yè)院校無人機應(yīng)用創(chuàng)新技能大賽”并榮獲全國第一名，隨后2016年10月參加了華北五省機器人大賽，榮獲“空中機器人項目”天津賽區(qū)一等獎和華北賽區(qū)二等獎的優(yōu)異成績，兩次比賽中，該平臺在飛控的穩(wěn)定性與操控性調(diào)試、無人機載重比配置選型等工作中為學院參賽隊員提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)及安全的測試環(huán)境。

5 結(jié)語

面向無人機駕駛者飛行技能實訓教學環(huán)節(jié)存在的問題，開展了飛行器實訓平臺設(shè)計工作，形成了“操作安全、操控真實、調(diào)校量化”的無人機調(diào)校測試實訓平臺，改變了以往實訓“測試欠安全、教學成本高、調(diào)測時間長”的面貌。經(jīng)過兩輪小規(guī)模試行實踐，獲得了無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學雙方的良好反響，并已與對口飛行器控制器生產(chǎn)商達成了初步合作意向，擬對平臺系統(tǒng)的飛控參數(shù)反饋組件進行優(yōu)化，可為更廣泛的無人飛行器愛好者、飛行測試從業(yè)人員、甚至產(chǎn)品商進行機體調(diào)校提供有益幫助。

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天津中德應(yīng)用技術(shù)大學2016年教學改革與建設(shè)項目（2016-22）。

趙昌麗（1986-），女，山東無棣人，碩士，工程師，主要從事無人飛行器控制系統(tǒng)理論與實訓教學研究工作。