一種無人機輪胎側偏剛度在線測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種無人機輪胎側偏剛度測量裝置，包括：前輪、前輪轉向機構、左主輪、后主輪、裝置骨架、側偏剛度傳感計算單元、發動機和槳單元、前輪操縱舵機、配重；其用于無人機滑跑過程中的輪胎側偏剛度實時在線測量，依次通過傳感器數據獲取、側偏剛度計算、遙控指令接收、前輪操縱指令發送、數傳電臺指令接收與狀態發送等環節，形成無人機輪胎側偏剛度測量裝置的數據測量、運動控制和狀態反饋，模擬實際無人機滑跑過程中運動狀態。通過綜合各種傳感器信息，進行輪胎側偏剛度的實時在線計算。這種裝置有利地支持了無人機在多種路面滑跑過程中側偏剛度測量能力，對于發展無人機自主起降建模與控制技術具有重要的意義。
【專利說明】一種無人機輪胎側偏剛度在線測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于信號測量【技術領域】，特別涉及一種無人機自主起降過程輪胎側偏剛度
測量裝置。
【背景技術】
[0002]無人機的發射和回收階段是整個飛行過程中的關鍵階段，對發射、回收階段有效安全的控制是無人機控制的關鍵內容之一。目前無人機的發射方式主要包括軌道發射(橡筋繩彈射、氣動發射、液壓/氣動發射和旋轉發射)、零長發射(火箭助推發射、手拋發射、車載發射和飛輪發射)及輪式發射；回收方式主要包括輪式滑停回收、攔阻網回收、空中打撈回收和傘降回收。
[0003]長航時等大型無人機一般具有較大的重量，飛機本身價格昂貴，在回收階段需要對機體提供高度的保護。對這類飛機，宜采用輪式發射和回收方式，即輪式起降。輪式起降中的滑跑糾偏控制是輪式起降中的重要方面。飛機結構不可避免地存在不對稱性，機場跑道存在凸凹，機場存在各種風擾動，飛機著陸觸地時相對于跑道一般都存在偏航角和側向偏移。所有這些因素將導致飛機在起飛或著陸滑跑中出現相對于跑道的側向偏差。若不及時對側偏距進行糾正，飛機可能側偏出跑道，造成嚴重事故。可以認為，滑跑糾偏控制是飛機起飛著陸主要控制任務之一，而輪胎建模是糾偏控制前提條件。
[0004]目前輪胎側偏剛度是反應輪胎側偏角與輪胎側向力的關系參數，是輪胎建模的關鍵參數。但側偏剛度隨著輪胎壓力、地面附著系數等實際運動參數影響，離線測量的輪胎側偏剛度往往與實際值差別很大，因此對于無人機自主起降需要一種新的在線的側偏剛度的測量方式。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種面向無人機自主起降輪胎建模的輪胎側偏剛度測量裝置，給出測量機構及測量計算方法。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]本發明提供了一種無人機輪胎側偏剛度測量裝置，其包括:前輪、前輪轉向機構、左主輪、后主輪、裝置骨架、側偏剛度傳感計算單元、發動機和槳單元、前輪操縱舵機、配重；
[0009]其中，裝置骨架呈丁字形，由縱梁和橫梁組成；縱梁的一端通過前輪轉向機構與前輪連接，縱梁的另一端與橫梁的中部連接；橫梁的一端與左主輪連接，另一端與右主輪連接;
[0010]發動機和槳單元安裝于裝置骨架上，用于驅動無人機輪胎側偏剛度測量裝置運動；配重的位置和質量可調節，使得無人機輪胎側偏剛度測量裝置的重心與實際無人機的重心位置一致；側偏剛度傳感計算單元通過不同的傳感器測量獲得無人機輪胎側偏剛度測量裝置的運動傳感數據，并根據所述運動傳感數據計算得到輪胎側偏剛度；側偏剛度傳感計算單元還根據地面遙控指令或根據所述側偏剛度通過糾偏獲得的自動駕駛指令向前輪操縱舵機輸出控制指令；操縱前輪操縱舵機，用于根據側偏剛度傳感計算單元的控制指令操縱前輪轉向機構使得前輪進行轉動。
[0011](三)有益效果
[0012]本發明提供的面向無人機自主起降輪胎建模的輪胎側偏剛度測量裝置，依次通過傳感器數據獲取、側偏剛度計算、遙控指令接收、前輪操縱指令發送、數傳電臺指令接收與狀態發送等環節，形成無人機輪胎側偏剛度測量裝置的數據測量、運動控制和狀態反饋，模擬實際無人機滑跑過程中運動狀態。通過綜合各種傳感器信息，進行輪胎側偏剛度的實時在線計算。這種裝置有利地支持了無人機在多種路面、滑跑過程中側偏剛度測量能力，進而可以設計新的實時在線的側向糾偏控制方法，對于發展無人機自主起降控制技術具有重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明中無人機地面滑跑動力學建模結構示意圖；
[0014]圖2是本發明中無人機輪胎側偏剛度測量裝置的結構示意圖；
[0015]圖3是本發明中前輪轉向機構結構圖；
[0016]圖4是本發明中側偏剛度傳感計算單元結構圖；
[0017]圖5是本發明中側偏剛度傳感計算單元的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0019]圖1示出了本發明中無人機地面滑跑動力學建模結構示意圖。如圖1所示，所建立的坐標系如下:
[0020]地面坐標系(ogxgygzg):原點取地面某一點og, OgXg處于地平面內并指向跑道中心線方向，ogyg也在地平面內且垂直于OgXg指向右方，OgZg垂直地面指向地心。
[0021]機體坐標系0XfyfZf:原點位于無人機質心O處，OXf軸處于飛機對稱平面內并與機身設計軸線平行，oyf垂直飛機對稱平面指向右方，Ozf軸在飛機對稱面內且垂直于Oxf軸指向下方。
[0022]氣流坐標系oxayaZa(有些文獻也稱氣流坐標系為“速度坐標系”):原點在飛機質心O，OXa軸與飛行速度方向一致，OZa軸位于飛機對稱面內且垂直于OXa軸指向機腹，Oya垂直于XaOZa平面指向右方。
[0023]穩定坐標系oxsyszs:原點在飛機質心，oxs與飛行速度在飛機對稱面內的投影方向一致，OZs在飛機對稱面內垂直于OXs, oys軸垂直于XsOZs平面指向右方。
[0024]三輪滑跑時無人機受到的力有:重力，發動機推力，空氣動力(包括升力、阻力、側力)，地面對機輪產生的支撐力、側偏力以及摩擦阻力，以上各力還會產生圍繞重心的三軸轉動力矩。
[0025]無人機在滑跑過程中，因非直線行駛、路面側向傾斜或側風造成的離心力等原因，機輪中心沿軸方向將作用有側向力，此時，在地面上將產生相應的地面側向反作用力，也稱為側偏力，側偏力方向垂直于機輪面，沿機體坐標系oyf軸為正。定義機輪軌跡線方向與機輪平面之間的夾角為側偏角，軌跡線位于機輪平面右邊時側偏角為正。側偏力F與機輪側偏角β。的關系是一個非線性超越函數，函數的參數確定十分復雜。但當側偏角較小，一般小于5°時，可以認為側偏力與側偏角近似為線性關系:
[0026]F=-K0 β。(I)
[0027]其中:β。為機輪有效側偏角，為機輪軌跡線方向與機輪平面之間的夾角，軌跡線位于機輪平面右邊時側偏角為正。Ke為機輪的側偏剛度。
[0028]為了求得側偏力，首先需要求得當前狀態下無人機各個機輪(前輪、左主輪、右主輪)的側偏角。無人機三輪滑跑時地面對無人機的側偏力和摩擦力如圖1所示，其中βη、β ml和β ?分別為前輪、左主輪和右主輪的側偏角；vn、vml和分別為前輪、左主輪和右主輪的速度；Fn、Fml和F?分別為地面對前輪、左主輪和右主輪的側偏力；Qn、Qml和Q?分別為地面對前輪、左主輪和右主輪的摩擦力；Θ L為機輪平面與無人機對稱平面的夾角，即前輪轉向偏轉角，機輪平面位于無人機對稱平面右方時Θ L為正。
[0029]使用機體坐標系，將地速G = [v, V7 VzJ沿機體坐標系三軸分解，得無人機在機
體坐標系中的速度
【權利要求】
1.一種無人機輪胎側偏剛度測量裝置，其包括:前輪、前輪轉向機構、左主輪、后主輪、裝置骨架、側偏剛度傳感計算單元、發動機和槳單元、前輪操縱舵機、配重； 其中，裝置骨架呈丁字形，由縱梁和橫梁組成；縱梁的一端通過前輪轉向機構與前輪連接，縱梁的另一端與橫梁的中部連接；橫梁的一端與左主輪連接，另一端與右主輪連接； 發動機和槳單元安裝于裝置骨架上，用于驅動無人機輪胎側偏剛度測量裝置運動；配重的位置和質量可調節，使得無人機輪胎側偏剛度測量裝置的重心與實際無人機的重心位置一致；側偏剛度傳感計算單元通過不同的傳感器測量獲得無人機輪胎側偏剛度測量裝置的運動傳感數據，并根據所述運動傳感數據計算得到輪胎側偏剛度；側偏剛度傳感計算單元還根據地面遙控指令或根據所述側偏剛度通過糾偏獲得的自動駕駛指令向前輪操縱舵機輸出控制指令；操縱前輪操縱舵機，用于根據側偏剛度傳感計算單元的控制指令操縱前輪轉向機構使得前輪進行轉動。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述前輪轉向機構包括筒形管、壓力傳感器、前輪轉向角傳感器、輪叉、支耳、輪叉軸、滾動軸承；其中，筒形管的一端與縱梁的前端連接，另一端與壓力傳感器連接，筒形管豎直放置，壓力傳感器位于其下部；前輪轉向角傳感器位于壓力傳感器的下部，與壓力傳感器固連；前輪位于輪叉的叉形結構兩端輪軸上，輪叉軸位于輪叉上部，其頂端與滾動軸承的轉子部分連接；滾動軸承的定子部分與前輪轉向角傳感器連接；支耳位于輪叉軸和輪叉的連接點處，并橫向向外延伸，其延伸部分與前輪操縱舵機連接。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述前輪轉向角傳感器由定子部分和轉子部分組成；前輪轉向角傳感器的定子部分呈中空結構，其內部呈圓柱型空腔，滾動軸承的定子部分位于圓柱型空腔內部，并且與圓柱型空腔形成緊配合安裝。
4.如權利要求1所述的裝置，其還包括遙控接收機和數傳電臺，其中所述遙控接收機接收地面遙控指令，并將其輸出至側偏剛度傳感計算單元；數傳電臺用于輸出側偏剛度傳感計算單元計算得到的輪胎側偏剛度和/或無人機輪胎側偏剛度測量裝置的狀態信息。
5.如權利要求4所述的裝置，其中，側偏剛度傳感計算單元包括DSP、RAM、FLASH、電源、慣性測量單元、第一 RS232 口、第二 RS232 口 157、AD 端口、，PWM IN 口、PWM OUT 口 ；其中， 側偏剛度傳感計算單元通過第一 RS232 口與前輪轉向角傳感器連接，以接收前輪轉向偏轉角；通過第二 RS232 口與數傳電臺，以接收地面控制站的控制指令，并返回測試數據和無人機輪胎側偏剛度測量裝置I的狀態信息；通過AD端口，與壓力傳感器連接，以獲取前輪地面支反力；通過PWM IN 口與遙控接收機，以接收遙控控制指令信號；通過PWM OUT 口與前輪操縱舵機連接，以驅動前輪；慣性測量單元用于獲取無人機輪胎側偏剛度測量裝置的3軸加速度、3軸磁場強度、3軸角速率、3軸歐拉角、3軸速度矢量。
6.如權利要求4所述的裝置，其中，無人機輪胎側偏剛度測量裝置具有遙控狀態和自動駕駛兩種狀態，遙控狀態下所述側偏剛度傳感計算單元從遙控接收機獲取遙控指令并將其轉化成控制指令輸出至前輪操縱舵機；自動駕駛狀態下所述側偏剛度傳感計算單元根據計算得到的側偏剛度得到糾偏控制指令輸出至前輪操縱舵機。
7.如權利要求1所述的裝置，其中，所述側偏剛度傳感計算單元根據下式，并采用遞推最小二乘方法，可以獲得輪胎側偏剛度:
8.如權利要求7所述的裝置，其中，
9.如權利要求8所述的裝置，其中，所述地面支反力Pn是由壓力傳感器測量得到，加速度ay、偏航角速率r、機體坐標系中的速度值Vfx，Vfy由側偏剛度傳感計算單元中的慣性測量單元測量獲得；前輪轉向偏轉角Θ ^由側偏剛度傳感計算單元中的前輪轉向角傳感器測量獲得。
10.如權利要求7-9任一項所述的裝置，其中，μn在干水泥路上、濕水泥路、干硬土草地、濕草地上取不同值，分別取0.02,0.03,0.035,0.06。
【文檔編號】G01M99/00GK103728152SQ201410035963
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】范國梁, 袁如意, 常紅星, 易建強 申請人:中國科學院自動化研究所
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