TWI680079B - 旋翼機模擬飛行系統與模擬飛行方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種旋翼機模擬飛行系統與模擬飛行方法。此旋翼機模擬飛行系統包含旋翼機、萬向平台以及電腦裝置。在此旋翼機模擬飛行方法中，首先建構虛擬環境和虛擬旋翼機。然後，提供萬向平台，以感測旋翼機於多個自由度之旋轉動作，並相應地輸出旋轉資訊。萬向平台包含多個旋轉支架以及多個旋轉感測模組。旋轉感測模組係用以感測旋轉支架的旋轉動作，並相應地輸出旋轉資訊。接著，根據旋翼機之馬達資訊以及旋轉資訊來計算旋翼機之飛行姿態與飛行軌跡。然後，根據旋翼機之飛行軌跡和飛行姿態來控制虛擬旋翼機於虛擬環境中之飛行動作。

Description

旋翼機模擬飛行系統與模擬飛行方法

本發明是有關於一種旋翼機模擬飛行系統與模擬飛行方法，且特別是有關於虛實整合之旋翼機模擬飛行系統與模擬飛行方法。

無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle)係指的是無駕駛員於機內之飛行設備，其大多透過外在操控來飛行。由於無人飛行器可適用於空拍、搜救、探勘、送貨等多種場合，故近年來愈趨受到重視及廣泛運用。一般而言，無人飛行器係採用多軸旋翼機。多軸旋翼機的飛行控制通常需要較高的穩定性，因此無人飛行器的操作員需要進行各種相關訓練後才能操控無人飛行器進行各種任務。

然而，在進行訓練時，無人飛行器可能會因為操作員的經驗不足或操作缺失而受到損壞，使得操作員的訓練時間以及成本提高。

因此，本發明之一目的是在提供一種旋翼機模擬飛行系統與模擬飛行方法，其係應用虛實整合技術來整合真實旋翼機和虛擬旋翼機的飛行動作，以達到模擬飛行的效果，進而降低操作員的訓練時間以及成本提高。

本發明之一個態樣在於提供一種旋翼機模擬飛行系統，其包含旋翼機、萬向平台以及電腦裝置。旋翼機具有至少一個馬達感測模組，用以提供旋翼機之馬達資訊。萬向平台係用以支撐旋翼機，並將旋翼機之飛行動作侷限於預設空間內。萬向平台包含平台支架、第一自由度旋轉支架、第二自由度旋轉支架、第三自由度旋轉支架以及複數個旋轉感測模組。第一自由度旋轉支架係樞接於平台支架。第二自由度旋轉支架係樞接於第一自由度旋轉支架。第三自由度旋轉支架係樞接於第二自由度旋轉支架，其中旋翼機固設於第三自由度旋轉支架上。旋轉感測模組係設置於平台支架、第一自由度旋轉支架以及第二自由度旋轉支架上，以感測第一自由度旋轉支架、第二自由度旋轉支架以及第三自由度旋轉支架之複數個旋轉動作，並相應地輸出複數個旋轉資訊。電腦裝置係用以進行虛實整合飛行模擬操作。在此虛實整合飛行模擬操作中，首先根據旋翼機之馬達資訊以及旋轉資訊來計算旋翼機之飛行姿態與飛行軌跡。然後，建構虛擬環境以及虛擬旋翼機，並根據旋翼機之飛行軌跡和飛行姿態來控制虛擬旋翼機於虛擬環境中之飛行動作。

依據本發明之一實施例，其中第三自由度旋轉支架包含第一支撐桿、第一咬合結構、第二支撐桿以及第二 咬合結構。第一支撐桿具有第一端以及相對第一端之第二端，其中第一端係樞接於第二自由度旋轉支架。第一咬合結構係用以將第一支撐桿之第二端固設於旋翼機上。第二支撐桿具有第三端以及相對第三端之第四端，其中第三端係樞接於第二自由度旋轉支架。第二咬合結構係用以將第二支撐桿之第四端固設於旋翼機上。

依據本發明之一實施例，其中第一咬合結構包含兩第一夾持板和複數顆第一螺絲。第一夾持板係夾持第一支撐桿之第二端以及旋翼機之第一端部。第一螺絲係穿設於第一夾持板中，以固定第一夾持板。

依據本發明之一實施例，其中第二咬合結構包含兩第二夾持板和複數顆第二螺絲。第二夾持板係夾持第二支撐桿之第四端以及該旋翼機之一第二端部。第二螺絲係穿設魚第二夾持板中，以固定第二夾持板。

依據本發明之一實施例，其中旋翼機之第二端部相對於旋翼機之第一端部。

依據本發明之一實施例，其中旋轉感測模組包含第一自由度感測模組、第二自由度感測模組以及第三自由度感測模組。第一自由度感測模組係設置於第一自由度旋轉支架與平台支架之樞接處。第二自由度感測模組係設置於第二自由度旋轉支架與第一自由度旋轉支架之樞接處。第三自由度感測模組係設置於第三自由度旋轉支架與第二自由度旋轉支架之樞接處。

依據本發明之一實施例，其中第一自由度感測 模組係用以感測第一自由度旋轉支之旋轉角度。第二自由度感測模組係用以感測第二自由度旋轉支之旋轉角度。該第三自由度感測模組係用以感測第三自由度旋轉支之旋轉角度。

依據本發明之一實施例，其中第一自由度感測模組更用以感測第一自由度旋轉支之旋轉速度。第二自由度感測模組更用以感測第二自由度旋轉支之旋轉速度。第三自由度感測模組係用以感測第三自由度旋轉支之旋轉速度。

依據本發明之一實施例，其中第一自由度旋轉支架以及第二自由度旋轉支架為環狀。

本發明之另一態樣在於提供一種旋翼機模擬飛行方法。在此旋翼機模擬飛行方法中，首先建構虛擬環境以及虛擬旋翼機。然後，提供萬向平台，以感測旋翼機於複數個自由度之旋轉動作，並相應地輸出複數個旋轉資訊。接著，根據旋翼機之馬達資訊以及旋轉資訊來計算旋翼機之飛行姿態與飛行軌跡。然後，根據旋翼機之飛行軌跡和飛行姿態來控制虛擬旋翼機於虛擬環境中之飛行動作。

100‧‧‧旋翼機模擬飛行系統

110‧‧‧旋翼機

112、114、116、118‧‧‧螺旋槳

120‧‧‧萬向平台

121‧‧‧平台支架

121a‧‧‧子支架

121b‧‧‧底部固定元件

122‧‧‧第一自由度旋轉支架

123‧‧‧第二自由度旋轉支架

124‧‧‧第三自由度旋轉支架

124a‧‧‧第一支撐桿

124b‧‧‧第二支撐桿

125‧‧‧旋轉感測模組

126‧‧‧旋轉感測模組

127‧‧‧旋轉感測模組

130‧‧‧電腦裝置

310‧‧‧電子模組

320‧‧‧固定元件

330‧‧‧電子模組

340‧‧‧固定元件

350‧‧‧電子模組

360‧‧‧固定元件

CLP1‧‧‧第一夾持板

CLP2‧‧‧第二夾持板

P1、P2、P3‧‧‧樞接結構

P1a‧‧‧第一光滑元件

P1b‧‧‧孔狀樞接結構

P2a‧‧‧第二光滑元件

P2b、P2c‧‧‧孔狀樞接結構

P3a‧‧‧第三光滑元件

P3b‧‧‧孔狀樞接結構

MA1、MA2、MA3‧‧‧磁鐵

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：[圖1]係繪示根據本發明實施例之旋翼機模擬飛行系統的結構示意圖；[圖2]係繪示根據本發明實施例之旋翼機的簡單結構示意圖； [圖3]係繪示根據本發明實施例之萬向平台的結構爆炸圖；以及[圖4]係繪示根據本發明實施例之旋翼機模擬飛行方法的流程示意圖。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

請參照圖1，其係繪示根據本發明實施例之旋翼機模擬飛行系統100的結構示意圖。旋翼機模擬飛行系統100包含旋翼機110、萬向平台120以及電腦裝置130。旋翼機110具有複數個馬達感測模組(未繪示)，用以提供旋翼機的馬達資訊至電腦裝置130。在本實施例中，馬達感測模組係用以感測旋翼機的馬達轉速，並透過無線傳輸技術(例如WiFi)來將馬達轉速之資訊傳送至電腦裝置130。然而，本發明之實施例並不受限於此。萬向平台120係用以支撐旋翼機110，並將旋翼機110之飛行動作侷限於預設空間內。在本實施例中，萬向平台120係感測旋翼機110在三個自由度上的旋轉動作，並透過無線傳輸模組來將旋翼機的旋轉資訊傳送至電腦裝置130。電腦裝置130係用以建構虛擬環境以及虛擬旋翼機，並將其顯示於螢幕上。當電腦裝置130收到旋翼機110之馬達資訊以及萬向平台120提供之旋翼機旋轉資訊後，電腦裝置130會相應地控制虛擬旋翼機於虛擬環境 中的飛行動作。如此，實體旋翼機110的飛行操作整合於電腦裝置130的虛擬旋翼機，達到虛實整合的效果。

請參照圖2，其係繪示根據本發明實施例之旋翼機110的簡單結構示意圖。在本實施例中，旋翼機110為X型四軸旋翼機。四軸旋翼機為一個欠驅動系統，其擁有六個自由度變化，包括三個移動自由度(前後、左右與上下)以及三個轉動自由度(橫滾、俯仰與偏航)。使用者可控制四個螺旋槳112、114、116、118的馬達來操作旋翼機110，以使旋翼機110做出各種飛行動作。針對上述三個移動自由度，電腦裝置130可透過旋翼機110所傳送的馬達資訊，來獲得旋翼機110在前後、左右與上下三個自由度上的移動資訊。針對上述三個轉動自由度，萬向平台120可感測旋翼機110於三個轉動自由度之旋轉動作，並相應地提供旋翼機110的旋轉資訊至電腦裝置130。當電腦裝置130獲得旋翼機110在三個移動自由度以及三個轉動自由度的資訊後，便可控制虛擬旋翼機來做出與實體旋翼機110相同的飛行動作。

請回到圖1，萬向平台120包含平台支架121、第一自由度旋轉支架122、第二自由度旋轉支架123、第三自由度旋轉支架124以及複數個旋轉感測模組125~127。第一自由度旋轉支架122係樞接於平台支架121上，以根據樞接結構P1來旋轉。第二自由度旋轉支架123係樞接於第一自由度旋轉支架122上，以根據樞接結構P2來旋轉。第三自由度旋轉支架124係樞接於第二自由度旋轉支架123上，以根據樞接結構P3來旋轉。旋翼機110係固設於第三自由度旋轉 支架124上，當旋翼機110在三個轉動自由度上展現飛行動作時，第一自由度旋轉支架122、第二自由度旋轉支架123以及第三自由度旋轉支架124會被旋翼機110帶動而跟著旋轉。旋轉感測模組125~127係分別對應第一自由度旋轉支架122、第二自由度旋轉支架123以及第三自由度旋轉支架124來設置，以感測第一自由度旋轉支架122、第二自由度旋轉支架123以及第三自由度旋轉支架124的旋轉動作。例如，旋轉感測模組125係設置於第一自由度旋轉支架122與平台支架121之樞接處，以感測第一自由度旋轉支架122的旋轉動作。又例如，旋轉感測模組126係設置於第二自由度旋轉支架123與第一自由度旋轉支架122之樞接處，以感測第二自由度旋轉支架123的旋轉動作。再例如，旋轉感測模組127係設置於第三自由度旋轉支架124與第二自由度旋轉支架123之樞接處，以感測第三自由度旋轉支架124的旋轉動作。

請參照圖3，其係繪示根據本發明實施例之萬向平台120的結構爆炸圖。平台支架121包含複數個子支架121a以及底部固定元件121b。子支架121a係用以組成具有方框外型之平台支架121，而底部固定元件121b則用以使平台支架121固定於地面上。前述之樞接結構P1包含第一光滑元件P1a以及孔狀樞接結構P1b。孔狀樞接結構P1b係設置於平台支架121之子支架121a中。第一光滑元件P1a之一端係穿設於孔狀樞接結構P1b，而另一端則連接至第一自由度旋轉支架122，以使第一自由度旋轉支架122樞接於平台支 架121。電子模組310係透過固定元件320來設置於樞接結構P1上，以感測第一自由度旋轉支架122的旋轉角度，並將其傳送至電腦裝置130。在本實施例中，電子模組310包含前述之旋轉感測模組125以及無線傳輸模組，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，電子模組310可更包含其他電子裝置，例如轉速感測器，以提供更多的感測資訊至電腦裝置130。

另外，本實施例之旋轉感測模組125為磁角感測模組，且具有磁鐵MA1。磁鐵MA1係固設於第一光滑元件P1a之一端上。如此，旋轉感測模組125可透過測量磁鐵MA1旋轉時的磁場變化量來獲得第一自由度旋轉支架122的旋轉角度。

前述之樞接結構P2包含第二光滑元件P2a、孔狀樞接結構P2b和P2c。孔狀樞接結構P2b係設置於第一自由度旋轉支架122中，孔狀樞接結構P2c係設置於第二自由度旋轉支架123中。第二光滑元件P2a之一端係穿設於孔狀樞接結構P2b，而第二光滑元件P2a之另一端則穿設於孔狀樞接結構P2c，以使第二自由度旋轉支架123樞接於第一自由度旋轉支架122。電子模組330係透過固定元件340來設置於樞接結構P2上，以感測第二自由度旋轉支架123的旋轉角度，並將其傳送至電腦裝置130。在本實施例中，電子模組330包含前述之旋轉感測模組126以及無線傳輸模組，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，電子模組330可更包含其他電子裝置，例如轉速感測器，以 提供更多的感測資訊至電腦裝置130。

另外，本實施例之旋轉感測模組126為磁角感測模組，且具有磁鐵MA2。磁鐵MA2係固設於第二光滑元件P2a之一端上。如此，旋轉感測模組126可透過測量磁鐵MA2旋轉時的磁場變化量來獲得第二自由度旋轉支架123的旋轉角度。

前述之樞接結構P3包含第三光滑元件P3a以及孔狀樞接結構P3b。孔狀樞接結構P3b係設置於第二自由度旋轉支架123中。第三光滑元件P3a之一端係穿設於孔狀樞接結構P3b，而另一端則連接至第三自由度旋轉支架124之第一支撐桿124a和第二支撐桿124b，以使第三自由度旋轉支架124樞接於第二自由度旋轉支架123。在本實施例中，第三自由度旋轉支架124包含前述之第一支撐桿124a和第二支撐桿124b以及用以固定旋翼機110之第一咬合結構和第二咬合結構，其中第一咬合結構包含兩第一夾持板CLP1和複數個鎖固元件；第二咬合結構包含兩第二夾持板CLP2和複數個鎖固元件。

第一支撐桿124a之一端係固設於第三光滑元件P3a，而第一支撐桿124a之另一端則透過第一咬合結構來固定於旋翼機110上。具體而言，第一夾持板CLP1係夾持第一支撐桿124a之一端以及旋翼機110之一端，而鎖固元件係穿設於第一夾持板CLP1中，以將第一夾持板CLP1互相鎖固，使得第一支撐桿124a固定於旋翼機110上。

第二支撐桿124b之一端係固設於第三光滑元 件P3a，而第一支撐桿124b之另一端則透過第二咬合結構來固定於旋翼機110上。具體而言，第二夾持板CLP2係夾持第二支撐桿124b之一端以及旋翼機110之一端，而鎖固元件係穿設於第二夾持板CLP2中，以將第二夾持板CLP2互相鎖固，使得第二支撐桿124b固定於旋翼機110上。

在本實施例中，鎖固元件為螺絲，其係穿設於第一夾持板CLP1和第二夾持板CLP2中，但本發明之實施例並不受限於此。另外，本實施例中之第一支撐桿124a和第二支撐桿124b係分別固定設於旋翼機110的兩相對端部上，如此可有利於支撐旋翼機110並量測旋翼機110的旋轉資訊。

電子模組350係透過固定元件360來設置於樞接結構P3上，以感測第三自由度旋轉支架124的旋轉角度，並將其傳送至電腦裝置130。在本實施例中，電子模組350包含前述之旋轉感測模組127以及無線傳輸模組，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，電子模組350可更包含其他電子裝置，例如轉速感測器，以提供更多的感測資訊至電腦裝置130。

另外，本實施例之旋轉感測模組127為磁角感測模組，且具有磁鐵MA3。磁鐵MA3係固設於第三光滑元件P3a之一端上。如此，旋轉感測模組127可透過測量磁鐵MA3旋轉時的磁場變化量來獲得第三自由度旋轉支架124的旋轉角度。

請參照圖4，其係繪示根據本發明實施例之旋翼 機模擬飛行方法400的流程示意圖。在旋翼機模擬飛行方法400中，首先進行步驟410，以建構虛擬環境以及虛擬旋翼機。在步驟410中，電腦裝置130係利用Unity 3D模擬系統來建立虛擬環境以及虛擬旋翼機，但本發明之實施例並不受限於此。在步驟420中，提供前述之萬向平台120，以感測旋翼機110於複數個自由度之旋轉動作，並相應地輸出複數個旋轉資訊至電腦裝置130。具體而言，當使用者操作旋翼機110進行飛行時，萬向平台120的旋轉感測模組125~127可分別輸出第一自由度旋轉支架122、第二自由度旋轉支架123以及第三自由度旋轉支架124的旋轉資訊至電腦裝置130。另外，當使用者操作旋翼機110進行飛行時，旋翼機110的四個馬達亦會分別輸出馬達資訊至電腦裝置130。在步驟430中，電腦裝置130係根據旋翼機110之馬達資訊以及旋轉資訊來計算旋翼機之飛行姿態與飛行軌跡。在步驟440中，電腦裝置130係根據旋翼機之飛行軌跡和飛行姿態來控制虛擬旋翼機於虛擬環境中之飛行動作。藉此，使用者便可透過電腦螢幕上的虛擬旋翼機來了解目前旋翼機110的飛行狀況。

由以上說明可知，本發明之實施例係利用萬向平台來限縮實體旋翼機往三個移動自由度的平移運動，而實體旋翼機仍保留三個完整轉動自由度的旋轉運動，且三個轉動自由度都設計有摩擦力極小的機構(例如前述之樞接結構)，再搭配磁角感測模組來感測旋轉角度，如此可以透過無線的方式將旋翼機在萬向平台上的姿態變化回傳至電腦 裝置，使電腦虛擬環境之虛擬旋翼機投影出跟實體旋翼機相同之姿態，達到虛實整合之飛行模擬操作的效果。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種旋翼機模擬飛行系統，包含：一旋翼機，具有複數個馬達感測模組，用以提供該旋翼機之一馬達資訊；一萬向平台，用以支撐該旋翼機，並將該旋翼機之飛行動作侷限於一預設空間內，其中該萬向平台包含：一平台支架；一第一自由度旋轉支架，樞接於該平台支架，；一第二自由度旋轉支架，樞接於該第一自由度旋轉支架；以及一第三自由度旋轉支架，樞接於該第二自由度旋轉支架，其中該旋翼機固設於該第三自由度旋轉支架上；複數個旋轉感測模組，設置於該平台支架、該第一自由度旋轉支架以及該第二自由度旋轉支架上，用以感測該第一自由度旋轉支架、該第二自由度旋轉支架以及該第三自由度旋轉支架之複數個旋轉動作，並相應地輸出複數個旋轉資訊；以及一電腦裝置，用以進行一虛實整合飛行模擬操作，其中該虛實整合飛行模擬操作包含：根據該旋翼機之該馬達資訊以及該些旋轉資訊來計算該旋翼機之一飛行姿態與一飛行軌跡；以及建構一虛擬環境以及一虛擬旋翼機，並根據該旋翼機之該飛行軌跡和該飛行姿態來控制該虛擬旋翼機於該虛擬環境中之飛行動作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之旋翼機模擬飛行系統，其中該第三自由度旋轉支架包含：一第一支撐桿，具有一第一端以及相對該第一端之一第二端，其中該第一端係樞接於該第二自由度旋轉支架；一第一咬合結構，用以將該第一支撐桿之該第二端固設於該旋翼機上；一第二支撐桿，具有一第三端以及相對該第三端之一第四端，其中該第三端係樞接於該第二自由度旋轉支架；以及一第二咬合結構，用以將該第二支撐桿之該第四端固設於該旋翼機上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之旋翼機模擬飛行系統，其中該第一咬合結構包含兩第一夾持板和複數顆第一螺絲，該兩第一夾持板係夾持該第一支撐桿之該第二端以及該旋翼機之一第一端部，該些第一螺絲係穿設於該兩第一夾持板中，以固定該兩第一夾持板。
4. 如申請專利範圍第3項所述之旋翼機模擬飛行系統，其中該第二咬合結構包含兩第二夾持板和複數顆第二螺絲，該兩第二夾持板係夾持該第二支撐桿之該第四端以及該旋翼機之一第二端部，該些第二螺絲係穿設於該兩第二夾持板中，以固定該兩第二夾持板。
5. 如申請專利範圍第4所述之旋翼機模擬飛行系統，其中該旋翼機之該第二端部相對於該旋翼機之該第一端部。
6. 如申請專利範圍第1項所述之旋翼機模擬飛行系統，其中該些旋轉感測模組包含：一第一自由度感測模組，設置於該第一自由度旋轉支架與該平台支架之樞接處；一第二自由度感測模組，設置於該第二自由度旋轉支架與該第一自由度旋轉支架之樞接處；以及一第三自由度感測模組，設置於該第三自由度旋轉支架與該第二自由度旋轉支架之樞接處。
7. 如申請專利範圍第6項所述之旋翼機模擬飛行系統，其中：該第一自由度感測模組係用以感測該第一自由度旋轉支之旋轉角度；該第二自由度感測模組係用以感測該第二自由度旋轉支之旋轉角度；該第三自由度感測模組係用以感測該第三自由度旋轉支之旋轉角度。
8. 如申請專利範圍第6項所述之旋翼機模擬飛行系統，其中：該第一自由度感測模組更用以感測該第一自由度旋轉支之旋轉速度；該第二自由度感測模組更用以感測該第二自由度旋轉支之旋轉速度；該第三自由度感測模組係用以感測該第三自由度旋轉支之旋轉速度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之旋翼機模擬飛行系統，其中該第一自由度旋轉支架以及該第二自由度旋轉支架為環狀。
10. 一種旋翼機模擬飛行方法，包含：利用一電腦裝置來建構一虛擬環境以及一虛擬旋翼機；提供一萬向平台，以感測一旋翼機於複數個自由度之旋轉動作，並相應地輸出複數個旋轉資訊；根據該旋翼機之一馬達資訊以及該些旋轉資訊來計算該旋翼機之一飛行姿態與一飛行軌跡；以及利用該電腦裝置來根據該旋翼機之該飛行軌跡和該飛行姿態控制該虛擬旋翼機於該虛擬環境中之飛行動作，並利用一電腦螢幕來顯示該虛擬環境以及該虛擬環境中的該虛擬旋翼機。