一种无人机电磁刹车控制系统及方法与流程

本申请属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机电磁刹车控制系统及方法。

背景技术：

固定翼无人机在起降时需要通过起落架上的机轮在跑道上滑行。较大型的固定翼无人机需要在机轮上设置刹车装置，以便于飞机在需要的时候通过机轮迅速制动。良好的刹车装置能够缩短飞机降落时的滑跑距离，保证飞机的安全性。现有技术通常采用液压制动的方式，通过油缸内液压油的压力，推动作动活塞运动，进而推动刹车卡钳运动，将刹车片抱死，从而实现制动。但通过液压制动通常存在以下问题：1.整套系统比较笨重，包含刹车盘、刹车卡钳、作动活塞、油路、油缸、油泵等结构，因此使得该刹车装置重量重，效率低；2.飞机的左右机轮的刹车装置产生的制动力调节困难，难以平衡；3.刹车装置难以实现精确的控制，如左右机轮差动；4.无机轮状态反馈，因此不是一个闭环系统，调节好的刹车力度会随着时间、温度、气压的变化而变化。现有技术也有采用气动方式推动作动活塞运动，其它方式与液压方式类似。通过气缸内气体的压力，推动作动活塞运动，继而推动刹车卡钳运动，将刹车片抱死，从而实现制动。气动刹车系统的弹性要好于液压系统，能够较为准确地使刹车装置保持合适的压力，因此具有一定的自适应能力。但气动刹车系统还存在以下问题：1.整套系统同样比较笨重，包含刹车盘、刹车卡钳、作动活塞、气路、气缸、气泵、电磁阀等结构，因此刹车装置重量重，效率低；2.刹车系统操控方法单一，难以实现精确的控制，如左右机轮差动，进而使得无人机操控性能差、可靠性低。

技术实现要素：

本申请实施例通过提供一种无人机电磁刹车控制系统及方法，解决了现有技术中刹车系统难以实现精确的控制，而导致无人机操控性能差、可靠性低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种无人机电磁刹车控制系统，包括地面控制器、设置于无人机上的飞行控制器和电磁刹车机构；

所述地面控制器与所述飞行控制器通过无线网络连接；所述飞行控制器上设有gps模块；

所述电磁刹车机构包括左电磁刹车器、右电磁刹车器、用于检测左机轮的转速的左转速传感器、用于检测右机轮的转速的右转速传感器、以及刹车控制器；所述刹车控制器与所述飞行控制器电性连接；

所述左电磁刹车器设置在左机轮的轮轴上，所述左转速传感器设置在左起落架上；

所述右电磁刹车器设置在右机轮的轮轴上，所述右转速传感器设置在右起落架上；

所述左电磁刹车器、所述右电磁刹车器、所述左转速传感器和所述右转速传感器均与所述刹车控制器电性连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种无人机电磁刹车控制方法，采用上述的无人机电磁刹车控制系统，该方法包括防抱死刹车模式的操作方法；

所述防抱死刹车模式的操作方法包括以下步骤：

根据预设减速度值调节电磁刹车器：无人机降落并接地后，飞行控制器向刹车控制器发送预设减速度值a0，刹车控制器根据预设减速度值a0给左电磁刹车器和右电磁刹车器均以第一设定功率进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以所述第一设定功率进行刹车；

获取无人机的对地速度：刹车控制器通过飞行控制器上的gps模块获取无人机的第一对地速度vg0；

对无人机依次进行直线刹车校准和机轮打滑判断；

校准刹车力度：刹车控制器通过飞行控制器上的gps模块获取无人机的第二对地速度vg1，刹车控制器根据第一对地速度vg0和第二对地速度vg1计算无人机的实际减速度值ac；

若ac＜a0，则增大刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器的供电功率，以提高左电磁刹车器和右电磁刹车器的刹车力度；然后再次执行获取无人机的对地速度的步骤；

若ac＞a0，则减小刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器的供电功率，以降低左电磁刹车器和右电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行获取无人机的对地速度的步骤。

进一步地，所述直线刹车校准的步骤包括：

刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速wl和右机轮转速wr，并判断：

若wl＜wr，则减小刹车控制器给右电磁刹车器供电功率，以降低右电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行直线刹车校准的步骤；

若wl＞wr，则减小刹车控制器给左电磁刹车器供电功率，以降低左电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行直线刹车校准的步骤；

若wl=wr，则执行机轮打滑判断的步骤。

进一步地，所述机轮打滑判断的步骤包括：

计算机轮速度vl，机轮速度vl=wr×c，其中c为右机轮的周长；

若vl≠vg0，则减小刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器的供电功率，以降低左电磁刹车器和右电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行直线刹车校准的步骤；

若vl=vg0，则执行校准刹车力度的步骤。

进一步地，该方法还包括机轮抱死模式的操作方法，所述机轮抱死模式的操作方法包括以下步骤：

飞行控制器向刹车控制器发送机轮抱死模式命令；

刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器以额定功率的100%进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以最大刹车力度的100%进行刹车；

刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速和右机轮转速；

若左机轮转速和右机轮转速均为零，则电磁刹车机构实现抱死模式；

若左机轮转速和右机轮转速均不为零，则刹车控制器向飞行控制器发送机轮抱死失败信息。

进一步地，该方法还包括机轮自由模式的操作方法，所述机轮自由模式的操作方法包括以下步骤：

飞行控制器向刹车控制器发送机轮自由模式命令；

刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器以额定功率的0%进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以最大刹车力度的0%进行刹车，使左机轮和右机轮可自由转动；

刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速和右机轮转速，并将左机轮转速和右机轮转速发送至飞行控制器。

进一步地，该方法还包括机轮检测模式的操作方法，所述机轮检测模式的操作方法包括以下步骤：

无人机起飞后，飞行控制器向刹车控制器发送机轮检测模式命令；

刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器以第二设定功率进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以所述第二设定功率进行刹车，使左机轮和右机轮存在设定的转动阻力；

刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速和右机轮转速；

若左机轮转速和右机轮转速均为零，则无人机还在空中飞行；

若左机轮转速和右机轮转速从零增大至v，且v随时间逐渐减小，则无人机已经落地，并通过左机轮转速和右机轮转速计算无人机的速度。

进一步地，该方法还包括转向模式的操作方法，所述转向模式的操作方法包括以下步骤：

飞行控制器向刹车控制器发送机轮转向模式命令；转向模式命令包括转动方向和转动角度；

刹车控制器根据转向模式命令，对左电磁刹车器以第三设定功率进行供电以使左电磁刹车器以所述第三设定功率进行刹车，和/或对右电磁刹车器以第四设定功率进行供电以使右电磁刹车器以所述第四设定功率进行刹车，进而实现无人机的转向，其中，第三设定功率和第四设定功率不相等。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种无人机电磁刹车控制系统，该系统结构简单，比较轻便，易于调节，能够实现机轮的精准控制，例如左右机轮的差动控制，并且刹车效果好、效率高。

本发明实施例还提供了一种无人机电磁刹车控制方法，该方法中的防抱死刹车模式的操作方法，通过防抱死刹车模式的操作，能够保证无人机直线刹车，实现无人机的最大刹车能力，避免车轮打滑导致飞机侧滑失控、以及实际减速度值无法精准控制的问题，提高了无人机刹车时的可靠性和安全性；该方法中的机轮抱死模式的操作方法可应用于无人机待飞或者检修时的情况，该方法简便、快捷，并且效率高。该方法中的机轮自由模式的操作方法可应用于无人机在起飞滑跑、以及机场拖动时的情况。该方法中的机轮检测模式的操作方法可判断无人机是否在空中飞行、落地时间、以及接地后的速度等。该方法中的转向模式的操作方法可辅助部分不具备转向前轮或者后轮的无人机，通过两个主机轮的刹车差动实现飞机方向的控制，或者在跑道湿滑的情况下，前轮或者后轮转向不足时，也可以采用该方法作为辅助转向的方式。该方法设置合理，易于实现，能够提高无人机的操控性能、可靠性、以及安全性，便于推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的无人机电磁刹车控制系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的防抱死刹车模式的操作方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的无人机电磁刹车控制系统，包括地面控制器、设置于无人机上的飞行控制器和电磁刹车机构。

地面控制器与飞行控制器通过无线网络连接；飞行控制器上设有gps模块；电磁刹车机构包括左电磁刹车器、右电磁刹车器、用于检测左机轮的转速的左转速传感器、用于检测右机轮的转速的右转速传感器、以及刹车控制器；刹车控制器与飞行控制器电性连接；左电磁刹车器设置在左机轮的轮轴上，左转速传感器设置在左起落架上；右电磁刹车器设置在右机轮的轮轴上，右转速传感器设置在右起落架上；左电磁刹车器、右电磁刹车器、左转速传感器和右转速传感器均与刹车控制器电性连接。

工作人员通过地面控制器向无人机的飞行控制器发送控制指令，以实现无人机的远程控制。gps模块可对无人机进行定位，也可协助计算无人机对地速度。左电磁刹车器和右电磁刹车器结构相同，左电磁刹车器和右电磁刹车器利用电磁效应实现制动的刹车器，具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，使用可靠，易于实现远距离控制等优点。左电磁刹车器和右电磁刹车器安装方法为常规技术手段，本发明不再赘述。

本发明的无人机电磁刹车控制系统，结构简单，比较轻便，易于调节，能够实现机轮的精准控制，例如左右机轮的差动控制，并且刹车效果好、效率高。

本发明实施例还提供了一种无人机电磁刹车控制方法，采用上述的无人机电磁刹车控制系统，该方法包括防抱死刹车模式的操作方法、机轮抱死模式的操作方法、机轮自由模式的操作方法、机轮检测模式的操作方法、以及转向模式的操作方法。

如图2所示，防抱死刹车模式的操作方法包括以下步骤：

步骤一，根据预设减速度值调节电磁刹车器：无人机降落并接地后，飞行控制器向刹车控制器发送预设减速度值a0，刹车控制器根据预设减速度值a0给左电磁刹车器和右电磁刹车器均以第一设定功率进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以第一设定功率进行刹车；

步骤二，获取无人机的对地速度：刹车控制器通过飞行控制器上的gps模块获取无人机的第一对地速度vg0；根据gps模块计算出两点之间的距离、以及所用时间即可得出第一对地速度vg0。

步骤三，对无人机依次进行直线刹车校准和机轮打滑判断；

本实施例中，直线刹车校准的步骤包括：

步骤31，刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速wl和右机轮转速wr，并判断：

若wl＜wr，则减小刹车控制器给右电磁刹车器供电功率，以降低右电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行直线刹车校准的步骤，即再次执行步骤31；

若wl＞wr，则减小刹车控制器给左电磁刹车器供电功率，以降低左电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行直线刹车校准的步骤，即再次执行步骤31；

若wl=wr，则执行机轮打滑判断的步骤，即执行步骤32。

左机轮转速和右机轮转速不相等时，可能会发生刹车时转弯，而导致无人机侧滑的问题，从而影响刹车的效率，且安全性低，通过直线刹车校准的步骤能够使无人机刹车时保持直线运动状态。

本实施例中，机轮打滑判断的步骤包括：

步骤32，计算机轮速度vl，机轮速度vl=wr×c，其中c为右机轮的周长；

若vl≠vg0，则减小刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器的供电功率，以降低左电磁刹车器和右电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行直线刹车校准的步骤，即再次执行步骤31；以保证无人机刹车时保持直线运动状态。

若vl=vg0，则执行校准刹车力度的步骤，即执行步骤四。

机轮速度与无人机的对地速度不相等时，机轮与地面出现打滑的现象，也即刹车力度过大，通过减小刹车力度，能够保证机轮与地面不打滑，使机轮与地面形成静摩擦力，从而提高刹车的效率，保证无人机刹车时的安全性。

步骤四，校准刹车力度：刹车控制器通过飞行控制器上的gps模块获取无人机的第二对地速度vg1，刹车控制器根据第一对地速度vg0和第二对地速度vg1计算无人机的实际减速度值ac；

若ac＜a0，则增大刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器的供电功率，以提高左电磁刹车器和右电磁刹车器的刹车力度；然后再次执行获取无人机的对地速度的步骤，即再次执行步骤二；

若ac＞a0，则减小刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器的供电功率，以降低左电磁刹车器和右电磁刹车器的刹车力度，然后再次执行获取无人机的对地速度的步骤，即再次执行步骤二。

通常来说实际减速度值和预设减速度值偶尔会存在一定的偏差，通过校准刹车力度步骤能够减小实际减速度值和预设减速度值之间的差距，并进一步达到实际减速度值和预设减速度值相等的情况，进而保证无人机能够按设定的减速度值进行刹车，从而提高了无人机的操控性，避免实际减速度值和预设减速度值之间存在差距而导致操作失误的问题，进而提高了无人机的可靠性和安全性。

通过防抱死刹车模式的操作，能够保证无人机直线刹车，实现无人机的最大刹车能力，避免车轮打滑导致飞机侧滑失控、以及实际减速度值无法精准控制的问题，提高了无人机刹车时的可靠性和安全性。

机轮抱死模式的操作方法包括以下步骤：

步骤一，飞行控制器向刹车控制器发送机轮抱死模式命令；

步骤二，刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器以额定功率的100%进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以最大刹车力度的100%进行刹车；

步骤三，刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速和右机轮转速；

步骤四，若左机轮转速和右机轮转速均为零，则电磁刹车机构实现抱死模式；若左机轮转速和右机轮转速均不为零，则刹车控制器向飞行控制器发送机轮抱死失败信息。

抱死模式可应用于无人机待飞或者检修时的情况，该方法简便、快捷，并且效率高。

机轮自由模式的操作方法包括以下步骤：

步骤一，飞行控制器向刹车控制器发送机轮自由模式命令；

步骤二，刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器以额定功率的0%进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以最大刹车力度的0%进行刹车，使左机轮和右机轮可自由转动；

步骤三，刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速和右机轮转速，并将左机轮转速和右机轮转速发送至飞行控制器。

机轮自由模式可应用于无人机在起飞滑跑、以及机场拖动时的情况，获取的左机轮转速和右机轮转速能够用于检测无人机拖动时的速度，或者在起飞滑跑时判断无人机是否已经起飞并离开地面。

机轮检测模式的操作方法包括以下步骤：

步骤一，无人机起飞后，飞行控制器向刹车控制器发送机轮检测模式命令；

步骤二，刹车控制器给左电磁刹车器和右电磁刹车器以第二设定功率进行供电，左电磁刹车器和右电磁刹车器以第二设定功率进行刹车，使左机轮和右机轮存在设定的转动阻力；第二设定功率的大小根据实际情况确定，例如飞行环境、无人机性能等。

步骤三，刹车控制器通过左转速传感器和右转速传感器获取左机轮转速和右机轮转速；

若左机轮转速和右机轮转速均为零，则无人机还在空中飞行；

若左机轮转速和右机轮转速从零增大至v，且v随时间逐渐减小，则无人机已经落地，并通过左机轮转速和右机轮转速计算无人机的速度。本实施例中，无人机落地时，左机轮转速和右机轮转速会从零突然增大至v，然后v随时间逐渐减小。

通过机轮检测模式可判断无人机是否在空中飞行、落地时间、以及接地后的速度等。

转向模式的操作方法包括以下步骤：

步骤一，飞行控制器向刹车控制器发送机轮转向模式命令；转向模式命令包括转动方向和转动角度；

步骤二，刹车控制器根据转向模式命令，对左电磁刹车器以第三设定功率进行供电以使左电磁刹车器以所述第三设定功率进行刹车，和/或对右电磁刹车器以第四设定功率进行供电以使右电磁刹车器以所述第四设定功率进行刹车，进而实现无人机的转向，其中，第三设定功率和第四设定功率不相等，从而实现左右机轮的差动控制，实现无人机的转向。

例如，左电磁刹车器以最大刹车力度的100%进行刹车，右电磁刹车器以最大刹车力度的0%进行刹车，则无人机以最小转动角度向左转弯，反之同理。

左电磁刹车器以最大刹车力度的80%进行刹车，右电磁刹车器以最大刹车力度的30%进行刹车，则无人机以对应的角度向左转弯，具体角度可通过试验、计算获得，本实施例不对此进行进一步说明。转向模式可辅助部分不具备转向前轮或者后轮的无人机，通过两个主机轮的刹车差动实现飞机方向的控制，或者在跑道湿滑的情况下，前轮或者后轮转向不足时，也可以采用该方法作为辅助转向的方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。