本发明是有关于一种旋翼机模拟飞行系统与模拟飞行方法，且特别是有关于虚实整合的旋翼机模拟飞行系统与模拟飞行方法。
背景技术：
无人飞行载具(unmannedaerialvehicle)是指的是无驾驶员于机内的飞行设备，其大多透过外在操控来飞行。由于无人飞行器可适用于空拍、搜救、探勘、送货等多种场合，故近年来愈趋受到重视及广泛运用。一般而言，无人飞行器是采用多轴旋翼机。多轴旋翼机的飞行控制通常需要较高的稳定性，因此无人飞行器的操作员需要进行各种相关训练后才能操控无人飞行器进行各种任务。
然而，在进行训练时，无人飞行器可能会因为操作员的经验不足或操作缺失而受到损坏，使得操作员的训练时间以及成本提高。
技术实现要素：
因此，本发明的一目的是在提供一种旋翼机模拟飞行系统与模拟飞行方法，其是应用虚实整合技术来整合真实旋翼机和虚拟旋翼机的飞行动作，以达到模拟飞行的效果，进而降低操作员的训练时间以及成本提高。
本发明的一个态样在于提供一种旋翼机模拟飞行系统，其包含旋翼机、万向平台以及电脑装置。旋翼机具有至少一个马达感测模块，用以提供旋翼机的马达信息。万向平台是用以支撑旋翼机，并将旋翼机的飞行动作局限于预设空间内。万向平台包含平台支架、第一自由度旋转支架、第二自由度旋转支架、第三自由度旋转支架以及多个旋转感测模块。第一自由度旋转支架是枢接于平台支架。第二自由度旋转支架是枢接于第一自由度旋转支架。第三自由度旋转支架是枢接于第二自由度旋转支架，其中旋翼机固设于第三自由度旋转支架上。旋转感测模块是设置于平台支架、第一自由度旋转支架以及第二自由度旋转支架上，以感测第一自由度旋转支架、第二自由度旋转支架以及第三自由度旋转支架的多个旋转动作，并相应地输出多个旋转信息。电脑装置是用以进行虚实整合飞行模拟操作。在此虚实整合飞行模拟操作中，首先根据旋翼机的马达信息以及旋转信息来计算旋翼机的飞行姿态与飞行轨迹。然后，建构虚拟环境以及虚拟旋翼机，并根据旋翼机的飞行轨迹和飞行姿态来控制虚拟旋翼机于虚拟环境中的飞行动作。
依据本发明的一实施例，其中第三自由度旋转支架包含第一支撑杆、第一咬合结构、第二支撑杆以及第二咬合结构。第一支撑杆具有第一端以及相对第一端的第二端，其中第一端是枢接于第二自由度旋转支架。第一咬合结构是用以将第一支撑杆的第二端固设于旋翼机上。第二支撑杆具有第三端以及相对第三端的第四端，其中第三端是枢接于第二自由度旋转支架。第二咬合结构是用以将第二支撑杆的第四端固设于旋翼机上。
依据本发明的一实施例，其中第一咬合结构包含两第一夹持板和多颗第一螺丝。第一夹持板是夹持第一支撑杆的第二端以及旋翼机的第一端部。第一螺丝是穿设于第一夹持板中，以固定第一夹持板。
依据本发明的一实施例，其中第二咬合结构包含两第二夹持板和多颗第二螺丝。第二夹持板是夹持第二支撑杆的第四端以及该旋翼机的一第二端部。第二螺丝是穿设于第二夹持板中，以固定第二夹持板。
依据本发明的一实施例，其中旋翼机的第二端部相对于旋翼机的第一端部。
依据本发明的一实施例，其中旋转感测模块包含第一自由度感测模块、第二自由度感测模块以及第三自由度感测模块。第一自由度感测模块是设置于第一自由度旋转支架与平台支架的枢接处。第二自由度感测模块是设置于第二自由度旋转支架与第一自由度旋转支架的枢接处。第三自由度感测模块是设置于第三自由度旋转支架与第二自由度旋转支架的枢接处。
依据本发明的一实施例，其中第一自由度感测模块是用以感测第一自由度旋转支的旋转角度。第二自由度感测模块是用以感测第二自由度旋转支的旋转角度。该第三自由度感测模块是用以感测第三自由度旋转支的旋转角度。
依据本发明的一实施例，其中第一自由度感测模块更用以感测第一自由度旋转支的旋转速度。第二自由度感测模块更用以感测第二自由度旋转支的旋转速度。第三自由度感测模块是用以感测第三自由度旋转支的旋转速度。
依据本发明的一实施例，其中第一自由度旋转支架以及第二自由度旋转支架为环状。
本发明的另一态样在于提供一种旋翼机模拟飞行方法。在此旋翼机模拟飞行方法中，首先建构虚拟环境以及虚拟旋翼机。然后，提供万向平台，以感测旋翼机于多个自由度的旋转动作，并相应地输出多个旋转信息。接着，根据旋翼机的马达信息以及旋转信息来计算旋翼机的飞行姿态与飞行轨迹。然后，根据旋翼机的飞行轨迹和飞行姿态来控制虚拟旋翼机于虚拟环境中的飞行动作。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下：
图1是绘示根据本发明实施例的旋翼机模拟飞行系统的结构示意图；
图2是绘示根据本发明实施例的旋翼机的简单结构示意图；
图3是绘示根据本发明实施例的万向平台的结构爆炸图；以及
图4是绘示根据本发明实施例的旋翼机模拟飞行方法的流程示意图。
具体实施方式
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指次序或顺位的意思，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
请参照图1，其是绘示根据本发明实施例的旋翼机模拟飞行系统100的结构示意图。旋翼机模拟飞行系统100包含旋翼机110、万向平台120以及电脑装置130。旋翼机110具有多个马达感测模块(未绘示)，用以提供旋翼机的马达信息至电脑装置130。在本实施例中，马达感测模块是用以感测旋翼机的马达转速，并透过无线传输技术(例如wifi)来将马达转速的信息传送至电脑装置130。然而，本发明的实施例并不受限于此。万向平台120是用以支撑旋翼机110，并将旋翼机110的飞行动作局限于预设空间内。在本实施例中，万向平台120是感测旋翼机110在三个自由度上的旋转动作，并透过无线传输模块来将旋翼机的旋转信息传送至电脑装置130。电脑装置130是用以建构虚拟环境以及虚拟旋翼机，并将其显示于屏幕上。当电脑装置130收到翼机110的马达信息以及万向平台120提供的旋翼机旋转信息后，电脑装置130会相应地控制虚拟旋翼机于虚拟环境中的飞行动作。如此，实体旋翼机110的飞行操作整合于电脑装置130的虚拟旋翼机，达到虚实整合的效果。
请参照图2，其是绘示根据本发明实施例的旋翼机110的简单结构示意图。在本实施例中，旋翼机110为x型四轴旋翼机。四轴旋翼机为一个欠驱动系统，其拥有六个自由度变化，包括三个移动自由度(前后、左右与上下)以及三个转动自由度(横滚、俯仰与偏航)。使用者可控制四个螺旋桨112、114、116、118的马达来操作旋翼机110，以使旋翼机110做出各种飞行动作。针对上述三个移动自由度，电脑装置130可透过旋翼机110所传送的马达信息，来获得旋翼机110在前后、左右与上下三个自由度上的移动信息。针对上述三个转动自由度，万向平台120可感测旋翼机110于三个转动自由度的旋转动作，并相应地提供旋翼机110的旋转信息至电脑装置130。当电脑装置130获得旋翼机110在三个移动自由度以及三个转动自由度的信息后，便可控制虚拟旋翼机来做出与实体旋翼机110相同的飞行动作。
请回到图1，万向平台120包含平台支架121、第一自由度旋转支架122、第二自由度旋转支架123、第三自由度旋转支架124以及多个旋转感测模块125～127。第一自由度旋转支架122是枢接于平台支架121上，以根据枢接结构p1来旋转。第二自由度旋转支架123是枢接于第一自由度旋转支架122上，以根据枢接结构p2来旋转。第三自由度旋转支架124是枢接于第二自由度旋转支架123上，以根据枢接结构p3来旋转。旋翼机110是固设于第三自由度旋转支架124上，当旋翼机110在三个转动自由度上展现飞行动作时，第一自由度旋转支架122、第二自由度旋转支架123以及第三自由度旋转支架124会被旋翼机110带动而跟着旋转。旋转感测模块125～127是分别对应第一自由度旋转支架122、第二自由度旋转支架123以及第三自由度旋转支架124来设置，以感测第一自由度旋转支架122、第二自由度旋转支架123以及第三自由度旋转支架124的旋转动作。例如，旋转感测模块125是设置于第一自由度旋转支架122与平台支架121的枢接处，以感测第一自由度旋转支架122的旋转动作。又例如，旋转感测模块126是设置于第二自由度旋转支架123与第一自由度旋转支架122的枢接处，以感测第二自由度旋转支架123的旋转动作。再例如，旋转感测模块127是设置于第三自由度旋转支架124与第二自由度旋转支架123的枢接处，以感测第三自由度旋转支架124的旋转动作。
请参照图3，其是绘示根据本发明实施例的万向平台120的结构爆炸图。平台支架121包含多个子支架121a以及底部固定元件121b。子支架121a是用以组成具有方框外型的平台支架121，而底部固定元件121b则用以使平台支架121固定于地面上。前述的枢接结构p1包含第一光滑元件p1a以及孔状枢接结构p1b。孔状枢接结构p1b是设置于平台支架121的子支架121a中。第一光滑元件p1a的一端是穿设于孔状枢接结构p1b，而另一端则连接至第一自由度旋转支架122，以使第一自由度旋转支架122枢接于平台支架121。电子模块310是透过固定元件320来设置于枢接结构p1上，以感测第一自由度旋转支架122的旋转角度，并将其传送至电脑装置130。在本实施例中，电子模块310包含前述的旋转感测模块125以及无线传输模块，但本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其他实施例中，电子模块310可还包含其他电子装置，例如转速感测器，以提供更多的感测信息至电脑装置130。
另外，本实施例的旋转感测模块125为磁角感测模块，且具有磁铁ma1。磁铁ma1是固设于第一光滑元件p1a的一端上。如此，旋转感测模块125可透过测量磁铁ma1旋转时的磁场变化量来获得第一自由度旋转支架122的旋转角度。
前述的枢接结构p2包含第二光滑元件p2a、孔状枢接结构p2b和p2c。孔状枢接结构p2b是设置于第一自由度旋转支架122中，孔状枢接结构p2c是设置于第二自由度旋转支架123中。第二光滑元件p2a的一端是穿设于孔状枢接结构p2b，而第二光滑元件p2a的另一端则穿设于孔状枢接结构p2c，以使第二自由度旋转支架123枢接于第一自由度旋转支架122。电子模块330是透过固定元件340来设置于枢接结构p2上，以感测第二自由度旋转支架123的旋转角度，并将其传送至电脑装置130。在本实施例中，电子模块330包含前述的旋转感测模块126以及无线传输模块，但本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其他实施例中，电子模块330可还包含其他电子装置，例如转速感测器，以提供更多的感测信息至电脑装置130。
另外，本实施例的旋转感测模块126为磁角感测模块，且具有磁铁ma2。磁铁ma2是固设于第二光滑元件p2a的一端上。如此，旋转感测模块126可透过测量磁铁ma2旋转时的磁场变化量来获得第二自由度旋转支架123的旋转角度。
前述的枢接结构p3包含第三光滑元件p3a以及孔状枢接结构p3b。孔状枢接结构p3b是设置于第二自由度旋转支架123中。第三光滑元件p3a的一端是穿设于孔状枢接结构p3b，而另一端则连接至第三自由度旋转支架124的第一支撑杆124a和第二支撑杆124b，以使第三自由度旋转支架124枢接于第二自由度旋转支架123。在本实施例中，第三自由度旋转支架124包含前述的第一支撑杆124a和第二支撑杆124b以及用以固定旋翼机110的第一咬合结构和第二咬合结构，其中第一咬合结构包含两第一夹持板clp1和多个锁固元件；第二咬合结构包含两第二夹持板clp2和多个锁固元件。
第一支撑杆124a的一端是固设于第三光滑元件p3a，而第一支撑杆124a的另一端则透过第一咬合结构来固定于旋翼机110上。具体而言，第一夹持板clp1是夹持第一支撑杆124a的一端以及旋翼机110的一端，而锁固元件是穿设于第一夹持板clp1中，以将第一夹持板clp1互相锁固，使得第一支撑杆124a固定于旋翼机110上。
第二支撑杆124b的一端是固设于第三光滑元件p3a，而第一支撑杆124a的另一端则透过第二咬合结构来固定于旋翼机110上。具体而言，第二夹持板clp2是夹持第二支撑杆124b的一端以及旋翼机110的一端，而锁固元件是穿设于第二夹持板clp2中，以将第二夹持板clp2互相锁固，使得第二支撑杆124b固定于旋翼机110上。
在本实施例中，锁固元件为螺丝，其是穿设于第一夹持板clp1和第二夹持板clp2中，但本发明的实施例并不受限于此。另外，本实施例中的第一支撑杆124a和第二支撑杆124b是分别固定设于旋翼机110的两相对端部上，如此可有利于支撑旋翼机110并量测旋翼机110的旋转信息。
电子模块350是透过固定元件360来设置于枢接结构p3上，以感测第三自由度旋转支架124的旋转角度，并将其传送至电脑装置130。在本实施例中，电子模块310包含前述的旋转感测模块127以及无线传输模块，但本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其他实施例中，电子模块350可还包含其他电子装置，例如转速感测器，以提供更多的感测信息至电脑装置130。
另外，本实施例的旋转感测模块127为磁角感测模块，且具有磁铁ma3。磁铁ma3是固设于第三光滑元件p3a的一端上。如此，旋转感测模块127可透过测量磁铁ma3旋转时的磁场变化量来获得第三自由度旋转支架124的旋转角度。
请参照图4，其是绘示根据本发明实施例的旋翼机模拟飞行方法400的流程示意图。在旋翼机模拟飞行方法400中，首先进行步骤410，以建构虚拟环境以及虚拟旋翼机。在步骤410中，电脑装置130是利用unity3d模拟系统来建立虚拟环境以及虚拟旋翼机，但本发明的实施例并不受限于此。在步骤420中，提供前述的万向平台120，以感测旋翼机110于多个自由度的旋转动作，并相应地输出多个旋转信息至电脑装置130。具体而言，当使用者操作旋翼机110进行飞行时，万向平台120的旋转感测模块125～127可分别输出第一自由度旋转支架122、第二自由度旋转支架123以及第三自由度旋转支架124的旋转信息至电脑装置130。另外，当使用者操作旋翼机110进行飞行时，旋翼机110的四个马达亦会分别输出马达信息至电脑装置130。在步骤430中，电脑装置130是根据旋翼机110的马达信息以及旋转信息来计算旋翼机的飞行姿态与飞行轨迹。在步骤440中，电脑装置130是根据旋翼机的飞行轨迹和飞行姿态来控制虚拟旋翼机于虚拟环境中的飞行动作。借此，使用者便可透过电脑屏幕上的虚拟旋翼机来了解目前旋翼机110的飞行状况。
由以上说明可知，本发明的实施例是利用万向平台来限缩实体旋翼机住三个移动自由度的平移运动，而实体旋翼机仍保留三个完整转动自由度的旋转运动，且三个转动自由度都设计有摩擦力极小的机构(例如前述的枢接结构)，再搭配磁角感测模块来感测旋转角度，如此可以透过无线的方式将旋翼机在万向平台上的姿态变化回传至电脑装置，使电脑虚拟环境的虚拟旋翼机投影出跟实体旋翼机相同的姿态，达到虚实整合的飞行模拟操作的效果。
虽然本发明已以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中任何具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
1.一种旋翼机模拟飞行系统，其特征在于，包含：
一旋翼机，具有多个马达感测模块，用以提供该旋翼机的一马达信息；
一万向平台，用以支撑该旋翼机，并将该旋翼机的飞行动作局限于一预设空间内，其中该万向平台包含：
一平台支架；
一第一自由度旋转支架，枢接于该平台支架；
一第二自由度旋转支架，枢接于该第一自由度旋转支架；以及
一第三自由度旋转支架，枢接于该第二自由度旋转支架，其中该旋翼机固设于该第三自由度旋转支架上；
多个旋转感测模块，设置于该平台支架、该第一自由度旋转支架以及该第二自由度旋转支架上，用以感测该第一自由度旋转支架、该第二自由度旋转支架以及该第三自由度旋转支架的多个旋转动作，并相应地输出多个旋转信息；以及
一电脑装置，用以进行一虚实整合飞行模拟操作，其中该虚实整合飞行模拟操作包含：
根据该旋翼机的该马达信息以及所述多个旋转信息来计算该旋翼机的一飞行姿态与一飞行轨迹；以及
建构一虚拟环境以及一虚拟旋翼机，并根据该旋翼机的该飞行轨迹和该飞行姿态来控制该虚拟旋翼机于该虚拟环境中的飞行动作。
2.根据权利要求1所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于，该第三自由度旋转支架包含：
一第一支撑杆，具有一第一端以及相对该第一端的一第二端，其中该第一端是枢接于该第二自由度旋转支架；
一第一咬合结构，用以将该第一支撑杆的该第二端固设于该旋翼机上；
一第二支撑杆，具有一第三端以及相对该第三端的一第四端，其中该第三端是枢接于该第二自由度旋转支架；以及
一第二咬合结构，用以将该第二支撑杆的该第四端固设于该旋翼机上。
3.根据权利要求2所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于，该第一咬合结构包含两第一夹持板和多颗第一螺丝，该两第一夹持板是夹持该第一支撑杆的该第二端以及该旋翼机的一第一端部，所述多颗第一螺丝是穿设于该两第一夹持板中，以固定该两第一夹持板。
4.根据权利要求3所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于，该第二咬合结构包含两第二夹持板和多颗第二螺丝，该两第二夹持板是夹持该第二支撑杆的该第四端以及该旋翼机的一第二端部，所述多颗第二螺丝是穿设于该两第二夹持板中，以固定该两第二夹持板。
5.根据权利要求4所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于，该旋翼机的该第二端部相对于该旋翼机的该第一端部。
6.根据权利要求1所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于，所述多个旋转感测模块包含：
一第一自由度感测模块，设置于该第一自由度旋转支架与该平台支架的枢接处；
一第二自由度感测模块，设置于该第二自由度旋转支架与该第一自由度旋转支架的枢接处；以及
一第三自由度感测模块，设置于该第三自由度旋转支架与该第二自由度旋转支架的枢接处。
7.根据权利要求6所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于：
该第一自由度感测模块是用以感测该第一自由度旋转支的旋转角度；
该第二自由度感测模块是用以感测该第二自由度旋转支的旋转角度；
该第三自由度感测模块是用以感测该第三自由度旋转支的旋转角度。
8.根据权利要求6所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于：
该第一自由度感测模块更用以感测该第一自由度旋转支的旋转速度；
该第二自由度感测模块更用以感测该第二自由度旋转支的旋转速度；
该第三自由度感测模块是用以感测该第三自由度旋转支的旋转速度。
9.根据权利要求1所述的旋翼机模拟飞行系统，其特征在于，该第一自由度旋转支架以及该第二自由度旋转支架为环状。
10.一种旋翼机模拟飞行方法，其特征在于，包含：
建构一虚拟环境以及一虚拟旋翼机；
提供一万向平台，以感测一旋翼机于多个自由度的旋转动作，并相应地输出多个旋转信息；
根据该旋翼机的一马达信息以及所述多个旋转信息来计算该旋翼机的一飞行姿态与一飞行轨迹；以及
根据该旋翼机的该飞行轨迹和该飞行姿态来控制该虚拟旋翼机于该虚拟环境中的飞行动作。
技术总结