一种无人机轮胎侧偏刚度在线测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种无人机轮胎侧偏刚度测量装置，包括：前轮、前轮转向机构、左主轮、后主轮、装置骨架、侧偏刚度传感计算单元、发动机和桨单元、前轮操纵舵机、配重；其用于无人机滑跑过程中的轮胎侧偏刚度实时在线测量，依次通过传感器数据获取、侧偏刚度计算、遥控指令接收、前轮操纵指令发送、数传电台指令接收与状态发送等环节，形成无人机轮胎侧偏刚度测量装置的数据测量、运动控制和状态反馈，模拟实际无人机滑跑过程中运动状态。通过综合各种传感器信息，进行轮胎侧偏刚度的实时在线计算。这种装置有利地支持了无人机在多种路面滑跑过程中侧偏刚度测量能力，对于发展无人机自主起降建模与控制技术具有重要的意义。
【专利说明】一种无人机轮胎侧偏刚度在线测量装置
【技术领域】
[0001]本发明属于信号测量【技术领域】，特别涉及一种无人机自主起降过程轮胎侧偏刚度
测量装置。
【背景技术】
[0002]无人机的发射和回收阶段是整个飞行过程中的关键阶段，对发射、回收阶段有效安全的控制是无人机控制的关键内容之一。目前无人机的发射方式主要包括轨道发射(橡筋绳弹射、气动发射、液压/气动发射和旋转发射)、零长发射(火箭助推发射、手抛发射、车载发射和飞轮发射)及轮式发射；回收方式主要包括轮式滑停回收、拦阻网回收、空中打捞回收和伞降回收。
[0003]长航时等大型无人机一般具有较大的重量，飞机本身价格昂贵，在回收阶段需要对机体提供高度的保护。对这类飞机，宜采用轮式发射和回收方式，即轮式起降。轮式起降中的滑跑纠偏控制是轮式起降中的重要方面。飞机结构不可避免地存在不对称性，机场跑道存在凸凹，机场存在各种风扰动，飞机着陆触地时相对于跑道一般都存在偏航角和侧向偏移。所有这些因素将导致飞机在起飞或着陆滑跑中出现相对于跑道的侧向偏差。若不及时对侧偏距进行纠正，飞机可能侧偏出跑道，造成严重事故。可以认为，滑跑纠偏控制是飞机起飞着陆主要控制任务之一，而轮胎建模是纠偏控制前提条件。
[0004]目前轮胎侧偏刚度是反应轮胎侧偏角与轮胎侧向力的关系参数，是轮胎建模的关键参数。但侧偏刚度随着轮胎压力、地面附着系数等实际运动参数影响，离线测量的轮胎侧偏刚度往往与实际值差别很大，因此对于无人机自主起降需要一种新的在线的侧偏刚度的测量方式。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种面向无人机自主起降轮胎建模的轮胎侧偏刚度测量装置，给出测量机构及测量计算方法。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]本发明提供了一种无人机轮胎侧偏刚度测量装置，其包括:前轮、前轮转向机构、左主轮、后主轮、装置骨架、侧偏刚度传感计算单元、发动机和桨单元、前轮操纵舵机、配重；
[0009]其中，装置骨架呈丁字形，由纵梁和横梁组成；纵梁的一端通过前轮转向机构与前轮连接，纵梁的另一端与横梁的中部连接；横梁的一端与左主轮连接，另一端与右主轮连接;
[0010]发动机和桨单元安装于装置骨架上，用于驱动无人机轮胎侧偏刚度测量装置运动；配重的位置和质量可调节，使得无人机轮胎侧偏刚度测量装置的重心与实际无人机的重心位置一致；侧偏刚度传感计算单元通过不同的传感器测量获得无人机轮胎侧偏刚度测量装置的运动传感数据，并根据所述运动传感数据计算得到轮胎侧偏刚度；侧偏刚度传感计算单元还根据地面遥控指令或根据所述侧偏刚度通过纠偏获得的自动驾驶指令向前轮操纵舵机输出控制指令；操纵前轮操纵舵机，用于根据侧偏刚度传感计算单元的控制指令操纵前轮转向机构使得前轮进行转动。
[0011](三)有益效果
[0012]本发明提供的面向无人机自主起降轮胎建模的轮胎侧偏刚度测量装置，依次通过传感器数据获取、侧偏刚度计算、遥控指令接收、前轮操纵指令发送、数传电台指令接收与状态发送等环节，形成无人机轮胎侧偏刚度测量装置的数据测量、运动控制和状态反馈，模拟实际无人机滑跑过程中运动状态。通过综合各种传感器信息，进行轮胎侧偏刚度的实时在线计算。这种装置有利地支持了无人机在多种路面、滑跑过程中侧偏刚度测量能力，进而可以设计新的实时在线的侧向纠偏控制方法，对于发展无人机自主起降控制技术具有重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明中无人机地面滑跑动力学建模结构示意图；
[0014]图2是本发明中无人机轮胎侧偏刚度测量装置的结构示意图；
[0015]图3是本发明中前轮转向机构结构图；
[0016]图4是本发明中侧偏刚度传感计算单元结构图；
[0017]图5是本发明中侧偏刚度传感计算单元的工作流程图。
【具体实施方式】
[0018]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0019]图1示出了本发明中无人机地面滑跑动力学建模结构示意图。如图1所示，所建立的坐标系如下:
[0020]地面坐标系(ogxgygzg):原点取地面某一点og, OgXg处于地平面内并指向跑道中心线方向，ogyg也在地平面内且垂直于OgXg指向右方，OgZg垂直地面指向地心。
[0021]机体坐标系0XfyfZf:原点位于无人机质心O处，OXf轴处于飞机对称平面内并与机身设计轴线平行，oyf垂直飞机对称平面指向右方，Ozf轴在飞机对称面内且垂直于Oxf轴指向下方。
[0022]气流坐标系oxayaZa(有些文献也称气流坐标系为“速度坐标系”):原点在飞机质心O，OXa轴与飞行速度方向一致，OZa轴位于飞机对称面内且垂直于OXa轴指向机腹，Oya垂直于XaOZa平面指向右方。
[0023]稳定坐标系oxsyszs:原点在飞机质心，oxs与飞行速度在飞机对称面内的投影方向一致，OZs在飞机对称面内垂直于OXs, oys轴垂直于XsOZs平面指向右方。
[0024]三轮滑跑时无人机受到的力有:重力，发动机推力，空气动力(包括升力、阻力、侧力)，地面对机轮产生的支撑力、侧偏力以及摩擦阻力，以上各力还会产生围绕重心的三轴转动力矩。
[0025]无人机在滑跑过程中，因非直线行驶、路面侧向倾斜或侧风造成的离心力等原因，机轮中心沿轴方向将作用有侧向力，此时，在地面上将产生相应的地面侧向反作用力，也称为侧偏力，侧偏力方向垂直于机轮面，沿机体坐标系oyf轴为正。定义机轮轨迹线方向与机轮平面之间的夹角为侧偏角，轨迹线位于机轮平面右边时侧偏角为正。侧偏力F与机轮侧偏角β。的关系是一个非线性超越函数，函数的参数确定十分复杂。但当侧偏角较小，一般小于5°时，可以认为侧偏力与侧偏角近似为线性关系:
[0026]F=-K0 β。(I)
[0027]其中:β。为机轮有效侧偏角，为机轮轨迹线方向与机轮平面之间的夹角，轨迹线位于机轮平面右边时侧偏角为正。Ke为机轮的侧偏刚度。
[0028]为了求得侧偏力，首先需要求得当前状态下无人机各个机轮(前轮、左主轮、右主轮)的侧偏角。无人机三轮滑跑时地面对无人机的侧偏力和摩擦力如图1所示，其中βη、β ml和β ?分别为前轮、左主轮和右主轮的侧偏角；vn、vml和分别为前轮、左主轮和右主轮的速度；Fn、Fml和F?分别为地面对前轮、左主轮和右主轮的侧偏力；Qn、Qml和Q?分别为地面对前轮、左主轮和右主轮的摩擦力；Θ L为机轮平面与无人机对称平面的夹角，即前轮转向偏转角，机轮平面位于无人机对称平面右方时Θ L为正。
[0029]使用机体坐标系，将地速G = [v, V7 VzJ沿机体坐标系三轴分解，得无人机在机
体坐标系中的速度
【权利要求】
1.一种无人机轮胎侧偏刚度测量装置，其包括:前轮、前轮转向机构、左主轮、后主轮、装置骨架、侧偏刚度传感计算单元、发动机和桨单元、前轮操纵舵机、配重； 其中，装置骨架呈丁字形，由纵梁和横梁组成；纵梁的一端通过前轮转向机构与前轮连接，纵梁的另一端与横梁的中部连接；横梁的一端与左主轮连接，另一端与右主轮连接； 发动机和桨单元安装于装置骨架上，用于驱动无人机轮胎侧偏刚度测量装置运动；配重的位置和质量可调节，使得无人机轮胎侧偏刚度测量装置的重心与实际无人机的重心位置一致；侧偏刚度传感计算单元通过不同的传感器测量获得无人机轮胎侧偏刚度测量装置的运动传感数据，并根据所述运动传感数据计算得到轮胎侧偏刚度；侧偏刚度传感计算单元还根据地面遥控指令或根据所述侧偏刚度通过纠偏获得的自动驾驶指令向前轮操纵舵机输出控制指令；操纵前轮操纵舵机，用于根据侧偏刚度传感计算单元的控制指令操纵前轮转向机构使得前轮进行转动。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述前轮转向机构包括筒形管、压力传感器、前轮转向角传感器、轮叉、支耳、轮叉轴、滚动轴承；其中，筒形管的一端与纵梁的前端连接，另一端与压力传感器连接，筒形管竖直放置，压力传感器位于其下部；前轮转向角传感器位于压力传感器的下部，与压力传感器固连；前轮位于轮叉的叉形结构两端轮轴上，轮叉轴位于轮叉上部，其顶端与滚动轴承的转子部分连接；滚动轴承的定子部分与前轮转向角传感器连接；支耳位于轮叉轴和轮叉的连接点处，并横向向外延伸，其延伸部分与前轮操纵舵机连接。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述前轮转向角传感器由定子部分和转子部分组成；前轮转向角传感器的定子部分呈中空结构，其内部呈圆柱型空腔，滚动轴承的定子部分位于圆柱型空腔内部，并且与圆柱型空腔形成紧配合安装。
4.如权利要求1所述的装置，其还包括遥控接收机和数传电台，其中所述遥控接收机接收地面遥控指令，并将其输出至侧偏刚度传感计算单元；数传电台用于输出侧偏刚度传感计算单元计算得到的轮胎侧偏刚度和/或无人机轮胎侧偏刚度测量装置的状态信息。
5.如权利要求4所述的装置，其中，侧偏刚度传感计算单元包括DSP、RAM、FLASH、电源、惯性测量单元、第一 RS232 口、第二 RS232 口 157、AD 端口、，PWM IN 口、PWM OUT 口 ；其中， 侧偏刚度传感计算单元通过第一 RS232 口与前轮转向角传感器连接，以接收前轮转向偏转角；通过第二 RS232 口与数传电台，以接收地面控制站的控制指令，并返回测试数据和无人机轮胎侧偏刚度测量装置I的状态信息；通过AD端口，与压力传感器连接，以获取前轮地面支反力；通过PWM IN 口与遥控接收机，以接收遥控控制指令信号；通过PWM OUT 口与前轮操纵舵机连接，以驱动前轮；惯性测量单元用于获取无人机轮胎侧偏刚度测量装置的3轴加速度、3轴磁场强度、3轴角速率、3轴欧拉角、3轴速度矢量。
6.如权利要求4所述的装置，其中，无人机轮胎侧偏刚度测量装置具有遥控状态和自动驾驶两种状态，遥控状态下所述侧偏刚度传感计算单元从遥控接收机获取遥控指令并将其转化成控制指令输出至前轮操纵舵机；自动驾驶状态下所述侧偏刚度传感计算单元根据计算得到的侧偏刚度得到纠偏控制指令输出至前轮操纵舵机。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述侧偏刚度传感计算单元根据下式，并采用递推最小二乘方法，可以获得轮胎侧偏刚度:
8.如权利要求7所述的装置，其中，
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述地面支反力Pn是由压力传感器测量得到，加速度ay、偏航角速率r、机体坐标系中的速度值Vfx，Vfy由侧偏刚度传感计算单元中的惯性测量单元测量获得；前轮转向偏转角Θ ^由侧偏刚度传感计算单元中的前轮转向角传感器测量获得。
10.如权利要求7-9任一项所述的装置，其中，μn在干水泥路上、湿水泥路、干硬土草地、湿草地上取不同值，分别取0.02,0.03,0.035,0.06。
【文档编号】G01M99/00GK103728152SQ201410035963
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】范国梁, 袁如意, 常红星, 易建强 申请人:中国科学院自动化研究所