一种无人机重量重心测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及无人机重心测量技术领域，具体涉及一种无人机重量重心测量装置及测量方法。


背景技术：

2.无人机重心的位置是重要参数，对于无人机的安全有非常重要的意义，重心的变化会影响无人机稳定性和操作性。而且，随着无人机及其设备越来越精密，在无人机研发生产后，对重心位置的测量工作显得非常重要。由于无人机沿机体轴并不是每个方向都是对称的，且内部的质量分布也不是很均匀，所以，根据无人机外形来准确计算重心的这种方法不可取。
3.目前对于无人机重心测量仪器比较少见，且测量精度偏低，所以需要采用更加精确的方法对无人机重心进行测量。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供了一种无人机重量重心测量装置及测量方法，该无人机重量重心测量装置及测量方法可提高无人机重量重心测量的精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种无人机重量重心测量装置，包括底座、悬吊架和可倾转托架，其中：
6.所述悬吊架包括两条平行的纵梁、以及垂直于所述纵梁的旋转轴，所述旋转轴通过转轴座与所述纵梁固定连接，所述可倾转托架与所述旋转轴连接，所述可倾转托架通过所述旋转轴实现在所述悬吊架上左右倾转，所述旋转轴的外侧安装有对所述可倾转托架的倾转角度进行测量的编码器；所述底座具有朝下且呈矩形分布设置的四根铰链，所述纵梁的两端各与一根所述铰链对应连接，每根所述铰链均安装有用于对铰链产生的拉力进行检测的拉力传感器；所述悬吊架上还设有限位销，所述限位销用于将倾转后的所述可倾转托架相对所述悬吊架固定。
7.作为本发明的进一步优选技术方案，所述纵梁上设有三角支撑架，所述转轴座固定连接在所述三角支撑架的顶部，两条所述纵梁上的所述三角支撑架相对设置并通过横向的连杆固定连接。
8.作为本发明的进一步优选技术方案，所述底座为矩形框架，其四角各竖立设有立柱，所述立柱的顶部设有横向部，每根所述立柱各对应一根所述铰链，所述铰链的上端与对应的所述立柱的横向部固定连接。
9.作为本发明的进一步优选技术方案，所述可倾转托架的两侧具有固定连接的并与所述旋转轴同轴的半圆形板，所述半圆形板上设有多个开孔，多个所述开孔以所述半圆形板的轴心为圆心等角度分布。
10.根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种无人机重量重心测试方法，其采用上述的无人机重量重心测量装置，具体包括以下步骤：
11.s1、对矩形分布的四个拉力传感器依次编号，分别为一号、二号、三号和四号传感器，其中，一号和三号传感器位于一根纵梁的两端，二号和四号传感器位于另一根纵梁的两端；
12.s2、建立空间坐标系，以过二号、四号传感器的铅垂面与旋转轴的轴线的交点为坐标原点，x轴为水平方向，y轴为旋转轴的轴线方向，z轴为铅垂方向；
13.s3、在可倾转托架处于空载状态下，记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
10
、p
20
、p
30
、p
40
；
14.s4、将无人机固定于可倾转托架上，同时将可倾转托架相对悬吊架固定，此时记录为状态1，同时记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
11
、p
21
、p
31
、p
41
，由力矩平衡和几何关系得到以下方程：
[0015][0016]
l
y11
p＝[(p
11-p
10
)+(p
31-p
30
)]l2；
[0017]
其中，p为无人机的重量，p＝p
11
+p
21
+p
31
+p
41-p
10-p
20-p
30-p
40
；r为重心投影到xoz平面下到坐标原点的距离；α为重心投影到xoz平面与坐标原点的连线再与z轴的夹角；θ为地面的倾斜角；l1为一号到三号传感器或二号到四号传感器的连线距离；l2为一号到二号传感器或三号到四号传感器的连线距离；l3为坐标原点到l1的垂直距离；l
y11
为状态1下重心到xoz平面的距离；
[0018]
s5、倾转可倾转托架，使无人机在状态1的基础上倾转的角度为β1，此时记录为状态2，同时记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
12
、p
22
、p
32
、p
42
，由力矩平衡和几何关系得到以下方程：
[0019][0020]
l
y12
p＝[(p
12-p
10
)+(p
32-p
30
)]l2；
[0021]
其中，l
y12
为状态2下重心到xoz平面的距离；
[0022]
s6、倾转可倾转托架，使无人机在状态1的基础上倾转的角度为β2，此时记录为状态3，同时记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
13
、p
23
、p
33
、p
43
，由力矩平衡和几何关系得到以下方程：
[0023][0024]
l
y13
p＝[(p
13-p
10
)+(p
33-p
30
)]l2；
[0025]
s7、通过步骤s4、s5、s6中的6个方程进行计算，对6个未知数θ、r、α、l
y11
、l
y12
、l
y13
进行求解，根据几何关系，求解出状态1时重心在x、y、z轴的位置l
x1
、l
y1
、l
z1
；
[0026]
l
x1
＝r sinα；
[0027][0028]
l
z1
＝rcosα；
[0029]
s8、重复步骤s5、s6，但改变的倾角不同，分别得到对应倾角下力矩平衡和几何关系的方程，再与步骤s4一起联立方程，求解出重心在x、y、z轴的位置l
x2
、l
y2
、l
z2
；
[0030]
s9、重复步骤s5、s6，但改变的倾角与之前不同，分别得到对应倾角下力矩平衡和几何关系的方程，再与步骤s4一起联立方程，求解出重心在x、y、z轴的位置l
x3
、l
y3
、l
z3
；
[0031]
s10、根据步骤s7、s8、s9求解出的重心坐标取平均值，并通过以下公式计算得到无人机的重心位置：
[0032]
无人机重心在x轴的位置为
[0033]
无人机重心在y轴的位置为
[0034]
无人机重心在z轴的位置为
[0035]
本发明的无人机重量重心测量装置及测量方法，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
[0036]
1)本发明的测量装置结构简单，方便组装，设备成本低，便于依据其结构特征构建空间坐标系；且其测量步骤简单，测量方法便于理解，能够快速准确测量出重心在三个轴上的位置，以及重量，可在工程领域广泛应用；
[0037]
2)本发明的测量装置设有编码器，可以更准确的测量出无人机的俯仰角，提高了无人机重心的测量精度；
[0038]
3)本发明的测量装置，在使用时不需要对进行调平处理，从而减少了人为误差；通过多次改变俯仰角度来准确测量重心在坐标系中的位置，然后对测量出的重心位置取平均值，这样可大大降低误差，从而提高测量精度。
附图说明
[0039]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0040]
图1为本发明无人机重量重心测量装置提供的一实施例的结构示意图；
[0041]
图2为本发明无人机重量重心测量装置上建立的空间坐标系的示意图；
[0042]
图3为存在倾角时测量重心过程图；
[0043]
图4为测量重心过程的原理图，给出四个拉力传感器、转动轴、坐标原点到无人机上的映射位置；
[0044]
图5为测量重心过程调节倾角的原理图。
[0045]
图中：1：一号传感器；2：二号传感器；3：三号传感器；4：四号传感器；5：底座；6：纵梁；7：编码器；8：半圆形板；9：可倾转托架；10：旋转轴；11：转轴座；12：三角支撑架，13：立柱；14：横向部；15：开孔。
[0046]
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0047]
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0048]
实施例1
[0049]
如图1所示，本发明提供了一种无人机重量重心测量装置，外形尺寸(长*宽*高
±
1％)：1.4m*1m*0.9m，其主要包括：底座5、悬吊架和可倾转托架9，悬吊架通过四点式悬吊结构安装于底座5上，可倾转托架9设置在悬吊架上并可左右倾转，待重量重心测量的无人机固定在可倾转托架9上，而且，无人机随可倾转托架9的倾转角度可测，通过多次倾转以改变无人机的俯仰角度来测量无人机的重心位置。
[0050]
所述悬吊架包括两条平行的纵梁6、以及垂直于所述纵梁6的旋转轴10，所述纵梁6上设有三角支撑架12，相对设置的两个三角支撑架12通过连杆固定连接成整体，所述三角支撑架12的顶部设有转轴座11；所述旋转轴10通过转轴座11与所述纵梁6固定连接，所述可倾转托架9与所述旋转轴10连接，所述可倾转托架9通过所述旋转轴10实现在所述悬吊架上左右倾转，所述旋转轴10的外侧安装有对所述可倾转托架9的倾转角度进行测量的编码器7，即无人机随可倾转托架9改变俯仰角可通过编码器7测得。编码器7的型号可采用esp50-8192,由于倾转时角度可能会有误差，该编码器7便可消除误差，从而准确地测量出无人机倾转角度。
[0051]
所述底座5为矩形框架，其四角各竖立设有立柱13，立柱13与铰链一一对应，所述立柱13的顶部设有横向部14，铰链的上端与对应的立柱13的横向部14固定连接，铰链的下端用于悬吊连接悬吊架，四根铰链呈矩形分布设置。所述纵梁6的两端各与一根所述铰链对应连接，每根所述铰链均安装有用于对铰链产生的拉力进行检测的拉力传感器。拉力传感器型号采用sbt650，量程为5-100kg，四个拉力传感器最大可测量400kg级的无人机。四个拉力传感器依次编号为一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4。这里需要说明的是，所提出的呈矩形分布，是指将四根铰链或四个拉力传感器看做点，四个点作为矩形的四个顶角进行分布。
[0052]
所述悬吊架上还设有限位销，所述限位销用于将倾转后的所述可倾转托架9相对所述悬吊架固定。所述可倾转托架9的两侧具有固定连接的并与所述旋转轴10同轴的半圆形板8，所述半圆形板8上设有多个开孔15，多个所述开孔15以所述半圆形板8的轴心为圆心等角度分布，通过限位销插入到半圆形板8上的开孔15，从而将可倾转托架9相对所述悬吊架固定。优选地，可倾转托架9最大可向左向右偏转30
°
，其中开孔15数量为7个，相邻开孔15间隔10
°
，对称分布。
[0053]
具体实施中，可倾转飞机托架采用铝合金焊接框架设计，铝合金强度高，质量轻。底座5采用45号钢型材焊接框架设计，以便形成承受载荷，材料都进行防锈处理，结构简单，安装定位方便。
[0054]
本发明无人机重量重心测量装置的工作原理如下：
[0055]
将无人机水平捆绑放置在可倾转托架9上，依据力矩平衡原理，并通过计算可以得出重心在纵轴和横轴上的坐标，再将可倾转托架9绕轴转动一定的角度来改变无人机的角度，即可算出重心在z轴上的坐标，编码器7可以准确测量出无人机的俯仰角度，改变角度多次测量可以得出重心在z轴上更准确的位置。而且，将无人机进行较大角度的倾转，可更精确的测量出无人机重心的位置；测量时，多次改变角度进行多次测量，也能够更精确地测量出重心位置。
[0056]
实施例2
[0057]
一种无人机重量重心测试方法，采用了实施例1的无人机重量重心测量装置，其中，测试方法具体包括以下步骤：
[0058]
s1、参阅图1至图5，对矩形分布(拉力传感器分布于矩形的四个顶角处)的四个拉力传感器依次编号，分别为一号、二号、三号和四号传感器，其中，一号和三号传感器位于一根纵梁的两端，二号和四号传感器位于另一根纵梁的两端；一号、二号、三号和四号传感器按图3和4中的位置设置，分别记作p1、p2、p3和p4；图中g为无人机的重心。
[0059]
s2、参阅图2，建立空间坐标系，以过二号、四号传感器的铅垂面与旋转轴的轴线的交点为坐标原点，x轴为水平方向，y轴为旋转轴的轴线方向，z轴为铅垂方向；
[0060]
s3、在可倾转托架处于空载状态下，记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
10
、p
20
、p
30
、p
40
，此时测得悬吊架和可倾转托架的总重量；
[0061]
s4、参阅图3-5，将无人机固定于可倾转托架上，同时将可倾转托架相对悬吊架固定，此时记录为状态1，同时记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
11
、p
21
、p
31
、p
41
，此时测得为悬吊架、可倾转托架和无人机的总重量，然后由力矩平衡和几何关系得到以下方程：
[0062][0063]
l
y11
p＝[(p
11-p
10
)+(p
31-p
30
)]l2；
[0064]
其中，p为无人机的重量，p＝p
11
+p
21
+p
31
+p
41-p
10-p
20-p
30-p
40
；r为重心投影到xoz平面下到坐标原点的距离；α为重心投影到xoz平面与坐标原点的连线再与z轴的夹角；θ为地面的倾斜角；l1为一号到三号传感器或二号到四号传感器的连线距离；l2为一号到二号传感器或三号到四号传感器的连线距离；l3为坐标原点到l1的垂直距离；l
y11
为状态1下重心到xoz平面的距离。
[0065]
s5、倾转可倾转托架，使无人机在状态1的基础上倾转的角度为β1，此时记录为状态2，同时记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
12
、p
22
、p
32
、p
42
，由力矩平衡和几何关系得到以下方程：
[0066][0067]
l
y12
p＝[(p
12-p
10
)+(p
32-p
30
)]l2；
[0068]
其中，l
y12
为状态2下重心到xoz平面的距离。
[0069]
s6、倾转可倾转托架，使无人机在状态1的基础上倾转的角度为β2，此时记录为状态3，同时记录一号、二号、三号和四号传感器的测量数据，分别记为p
13
、p
23
、p
33
、p
43
，由力矩平衡和几何关系得到以下方程：
[0070][0071]
l
y13
p＝[(p
13-p
10
)+(p
33-p
30
)]l2；
[0072]
其中，l
y13
为状态3下重心到xoz平面的距离。
[0073]
s7、通过步骤s4、s5、s6中的6个方程进行计算，对6个未知数θ、r、α、l
y11
、l
y12
、l
y13
进
行求解，根据几何关系，求解出状态1时重心在x、y、z轴的位置l
x1
、l
y1
、l
z1
；
[0074]
l
x1
＝r sinα；
[0075][0076]
l
z1
＝r cosα；
[0077]
其中，改变俯仰角，不会改变重心到xoz平面的距离，所以在不同俯仰状态下，可以直接取平均值进行计算。
[0078]
s8、重复步骤s5、s6，但改变的倾角与原步骤s5、s6均不同，分别得到对应倾角下力矩平衡和几何关系的方程，再与步骤s4一起联立方程，即采用了与步骤s7相同计算方法，求解出重心在x、y、z轴的位置l
x2
、l
y2
、l
z2
。
[0079]
s9、重复步骤s5、s6，改变的倾角与原步骤s5、s6及s8均不同，分别得到对应倾角下力矩平衡和几何关系的方程，再与步骤s4一起联立方程，即采用了与步骤s7相同计算方法，求解出重心在x、y、z轴的位置l
x3
、l
y3
、l
z3
。
[0080]
s10、根据步骤s7、s8、s9求解出的重心坐标取平均值，并通过以下公式计算得到无人机的重心位置：
[0081]
无人机重心在x轴的位置为
[0082]
无人机重心在y轴的位置为
[0083]
无人机重心在z轴的位置为
[0084]
在使用该无人机重心重量测量装置进行重心测量时，由于地面不平或者人为等因素，四个拉力传感器不在同一水平面上，无需对此进行调平，只需测量出整体装置在地面的倾斜角θ，再通过设定空间坐标系并建立多个不同受力状态下的方程进行求解，均可测量出无人机的重心位置。本实施例的测量方法中，仅给出了装置处于倾斜状态时(参阅图3至图5)进行测量，在具体实施中，若装置处于水平状态，仍然可参照本技术的上述测量方法，且测量结果相同，在此不做赘述。
[0085]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。