一种小型六自由度甲板运动模拟系统的制作方法

本发明属于无人机运动甲板起降引导技术领域，具体的说是一种小型六自由度甲板运动模拟系统。

背景技术：

动平台自主起降引导技术是舰载起降和空地子母机器人技术的重要组成部分，飞行机器人在地面移动机器人上的自主释放与回收是实现子母机器人系统的核心问题。同样，舰载起降的甲板面积狭小，甲板随海浪摇摆起伏，并且存在舰船尾部的扰动的气流以及海面的扰动气流，这些都对无人机自主降落带来了严峻的挑战。所以，在甲板或者狭小动平台上实现自主起降实验存在很大的实验风险，尤其在海洋甲板环境下进行自主起降实验存在更大的挑战，往往采取一些半物理仿真方法来验证控制方法的逻辑性和有效性。但半物理仿真还只是理论仿真，搭建的环境条件都过于理想化，和真实海洋或水面甲板环境存在很大的差异。因此，急需一种比较接近真实环境的甲板运动模拟系统来弥补半物理仿真实验的不足之处。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种小型六自由度甲板运动模拟系统，可以模拟甲板六自由度运动，并且具备动平台引导系统，小巧轻便，与无人机系统通信方便，用很短的时间就可以搭建出无人机-甲板起降引导验证试验平台，并且可以通过上位机和动平台上的控制器所保存的数据进行真实的飞行试验数据分析和进一步仿真优化控制参数和方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种小型六自由度甲板运动模拟系统，包括：

无人车底盘；

六自由度摇摆平台机构，设置于无人车底盘上，用于甲板运动的模拟；

动平台自主起降引导系统，设置于六自由度摇摆平台机构上，具有无人机自主起降引导功能；

控制模块，设置于无人车底盘上，用于控制六自由度摇摆平台机构的摇摆姿态和周期及无人车底盘的速度和转向，并将六自由度摇摆平台机构和无人车底盘的状态信息发送给上位机系统；

上位机系统，用于接收控制模块发送的六自由度摇摆平台机构和无人车底盘的状态信息，并且向六自由度摇摆平台机构和无人车底盘发送指令。

所述六自由度摇摆平台机构包括六自由度摇摆平台、安装底板及设置于六自由度摇摆平台和安装底板之间的三组直线驱动机构，其中安装底板与所述无人车底盘连接，所述动平台自主起降引导系统设置于六自由度摇摆平台上；三组直线驱动机构用于驱动六自由度摇摆平台进行六自由度运动。

所述六自由度摇摆平台采用方形结构的铁板制成。

三组所述直线驱动机构沿周向均布。

所述直线驱动机构包括相互连接的伺服电机和电推缸，其中伺服电机与所述控制模块电连接；所述电推缸的底部通过下万向关节与所述安装底板连接，所述电推缸的输出端通过上万向关节与所述六自由度摇摆平台连接。

所述控制模块包括控制器、电机驱动器及电源单元，其中电机驱动器与所述伺服电机连接；所述控制器用于无人车底盘的速度和转向控制。

所述无人车底盘包括车体框架及设置于车体框架底部的两个转向轮及两个驱动轮；所述控制模块设置于所述车体框架的底部。

所述上位机系统包括上位机软件。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明在陆地上可以真实的模拟六自由度船甲板运动情况，并且具备动平台自主起降引导功能，可以在陆地上方便的实现海面或其它水面的船甲板起降引导试验，与真实海面和湖面相比可以大大降低前期验证性飞行试验。

2.本发明的动平台起降引导系统具备丰富的通信接口，可以任意开源飞控进行通信和移植，可以大大减小开发周期；并且预留二次开发接口，可以进一步优化和验证相关甲板姿态预估算法，方便学习和项目前期实验验证。

3.本发明的六自由度摇摆平台搭载在一个可以承载200kg的无人车底盘上，可以控制其自由的运动，运输方便，配置了甲板姿态预估所需的姿态速度测量传感器，可以进行静态和动态甲板预估实验。

附图说明

图1为本发明一种小型六自由度甲板运动模拟系统的结构示意图；

图2为本发明中无人车底盘的结构示意图；

图3为本发明中六自由度摇摆平台机构的结构示意图；

图4为本发明一种小型六自由度甲板运动模拟系统的工作流程图。

图中：1为六自由度摇摆平台，2为无人车底盘，21为车体框架，22为转向轮，23为驱动轮，3为控制模块，4为动平台自主起降引导系统，5为上位机系统，6为伺服电机，7为电推缸，8为安装底板，9为上万向关节，10为下万向关节。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种小型六自由度甲板运动模拟系统，包括无人车底盘2、控制模块3、六自由度摇摆平台机构、动平台自主起降引导系统4及上位机系统5，其中六自由度摇摆平台机构设置于无人车底盘2上，用于甲板运动的模拟；动平台自主起降引导系统4设置于六自由度摇摆平台机构上，具有无人机自主起降引导功能；控制模块3设置于无人车底盘2上，用于控制六自由度摇摆平台机构的摇摆姿态和周期及无人车底盘2的速度和转向，并将六自由度摇摆平台机构和无人车底盘2的状态信息发送给上位机系统5；上位机系统5用于接收控制模块3发送的六自由度摇摆平台机构和无人车底盘2的状态信息，并且向六自由度摇摆平台机构和无人车底盘2发送指令。

如图2所示，本发明的实施例中，无人车底盘2包括车体框架21及设置于车体框架21底部的两个转向轮22及两个驱动轮23；控制模块3设置于车体框架21的底部。车体框架21上还设有电机驱动器和48v充电电池组。

如图3所示，本发明的实施例中，六自由度摇摆平台机构包括六自由度摇摆平台1、安装底板8及设置于六自由度摇摆平台1和安装底板8之间的三组直线驱动机构，其中安装底板8与无人车底盘2连接，动平台自主起降引导系统4设置于六自由度摇摆平台1上；三组直线驱动机构用于驱动六自由度摇摆平台1进行六自由度运动。

具体地，六自由度摇摆平台1采用方形结构的铁板制成。本实施例中，六自由度摇摆平台1的大小为1米*1米方形网状平台。

进一步地，三组直线驱动机构沿周向均布。

如图3所示，本发明的实施例中，直线驱动机构包括相互连接的伺服电机6和电推缸7，其中伺服电机6与控制模块3电连接，作为电推缸7直线运动的动力部件；电推缸7的底部通过下万向关节10与安装底板8连接，电推缸7的输出端通过上万向关节9与六自由度摇摆平台1连接。

本发明的实施例中，控制模块3包括控制器、电机驱动器及电源单元，其中电机驱动器与伺服电机6连接，用于控制六自由度摇摆平台1的摇摆姿态和周期；控制器用于控制无人车底盘2的行驶速度和转向。

动平台自主起降引导系统4与六自由度摇摆平台1固连，不仅要测量平台的姿态、还要测量三轴速度，并且可以为无人机提供引导降落位置信息，引导无人机降落到1米*1米方形平台上。动平台自主起降引导系统4具备丰富的通信接口，包含mavlink等通信协议，可以很方便的与各类开源飞控通信，比较容易的搭建动平台起降引导无人机-甲板实验平台。

上位机系统5包括一套运行在pc电脑上的上位机软件，主要是给六自由度摇摆平台1发送摇摆的指令，同时还回传、保存六自由度摇摆平台1和动平台自主起降引导系统4的状态、姿态、速度等数据，从而可以用于后期的实验数据处理、仿真和自主起降引导飞行试验。

六自由度摇摆平台1为无人机提供起飞和降落的固定平台，总重不超过15kg，选取5mm厚度铁板是因为采用电磁铁辅助降落方式。三组伺服电机6和电推缸7套装，采用220v供电，保证100kg的载体，控制三个电推缸7可以实现六自由度摇摆平台1的六自由度运动，平台滚转角范围(-20°， 20°)，俯仰角范围(-20°， 20°)，升降幅度0-150mm(不包括无人车运动起伏高度)。速度60°/s，加速度0.5g，沉浮速度0-500mm/s。

进一步地，无人车底盘2采用云乐nwd01无人车底盘，该无人车底盘2可以承受200kg载体，所以该甲板运动模拟系统可以承载自重50kg以下的旋翼或固定翼无人机做舰载或动平台起降引导飞行试验验证。无人车底盘2自带控制器，只要通过接口控制其运行速度，转弯等指令即可实现无人车底盘的运动控制。另外，本实施例中，无人车底盘2长宽高尺寸为1608*800*510mm，轴距为900mm，前后轮距分别为686mm、692mm，底盘总重90kg，电机功率800w(单个)*2，驱动方式为前转后驱。该底盘工作温度为-20～60℃，垂直负载200kg，运行速度0-50km/h，最大爬坡角度20°，电池10ah/48v，续航里程45km，充电器手动充电，充电时间<6h。

进一步地，控制模块3是整个小型六自由度甲板运动模拟系统的控制单元，用于控制六自由度摇摆平台1的摇摆姿态和周期、以及无人车底盘2的行驶速度和方向等；控制方式可以选择自动模式或手动操作模式。该控制器主要接受指令，包括控制摇摆平台的六自由度摆动周期和幅度控制指令及地面无人车底盘的前进、后退、转向、速度等指令。从而控制双驱四轮车的前进、后退、转弯速度等，这样可以在陆地上较好的模拟海洋或水面上船甲板的运动效果。

本发明提供的小型六自由度甲板运动模拟系统的工作原理是：

本发明提供的小型六自由度甲板运动模拟系统上电运行后，初始化成功指示灯亮起，通过无线方式与上位机系统5通信连接，等待系统状态运行均正常后开始按照任务要求，按照任务指定的幅度、周期进行摇摆台的六自由度运动控制，按照任务要求行驶速度控制无人车底盘前进、后退、或转向控制。具体地，如图4所示，上位机系统5给小型六自由度甲板运动模拟系统上发送摇摆幅度和周期指令，控制小型六自由度甲板运动模拟系统按照任务轨迹运行，同时小型六自由度甲板运动模拟系统将系统状态信息回传给上位机系统5。无人机进行着舰目标收索、追踪甲板、跟踪甲板并下降高度、最终降落的几步过程，降落在六自由度摇摆平台1上。

本发明可以较好的模拟水面船甲板的运动状态，可以为无人机(包括旋翼和固定翼)舰载起降、动平台起降等诸多飞行实验提供有力的实验平台，可以进行准真实环境的动平台起降验证试验。本发明优点是在陆地上可以真实的模拟六自由度船甲板运动情况，并且具备动平台自主起降引导功能，可以在陆地上方便的实现海面或其他水面的船甲板起降引导试验，与真实海面和湖面相比可以大大降低前期验证性飞行试验风险。而且，本发明的动平台起降引导系统具备丰富的通信接口，可以和任意开源飞控进行通信和移植，可以大大减小开发周期。并且预留二次开发接口，可以进一步优化和验证相关甲板姿态预估算法，方便学习实验和项目前期实验验证。此外，本发明的六自由度摇摆平台搭载在一个可以承载200kg的无人车底盘上，可以控制其自由的运动，运输方便，配置了甲板姿态预估所需的姿态速度测量传感器，可以进行静态和动态甲板预估实验。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。