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一種無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度在線(xiàn)測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置，包括：前輪、前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、左主輪、后主輪、裝置骨架、側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元、發(fā)動(dòng)機(jī)和槳單元、前輪操縱舵機(jī)、配重；其用于無(wú)人機(jī)滑跑過(guò)程中的輪胎側(cè)偏剛度實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量，依次通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)獲取、側(cè)偏剛度計(jì)算、遙控指令接收、前輪操縱指令發(fā)送、數(shù)傳電臺(tái)指令接收與狀態(tài)發(fā)送等環(huán)節(jié)，形成無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)測(cè)量、運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)反饋，模擬實(shí)際無(wú)人機(jī)滑跑過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)綜合各種傳感器信息，進(jìn)行輪胎側(cè)偏剛度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)計(jì)算。這種裝置有利地支持了無(wú)人機(jī)在多種路面滑跑過(guò)程中側(cè)偏剛度測(cè)量能力，對(duì)于發(fā)展無(wú)人機(jī)自主起降建模與控制技術(shù)具有重要的意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度在線(xiàn)測(cè)量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信號(hào)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種無(wú)人機(jī)自主起降過(guò)程輪胎側(cè)偏剛度
測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)人機(jī)的發(fā)射和回收階段是整個(gè)飛行過(guò)程中的關(guān)鍵階段，對(duì)發(fā)射、回收階段有效安全的控制是無(wú)人機(jī)控制的關(guān)鍵內(nèi)容之一。目前無(wú)人機(jī)的發(fā)射方式主要包括軌道發(fā)射(橡筋繩彈射、氣動(dòng)發(fā)射、液壓/氣動(dòng)發(fā)射和旋轉(zhuǎn)發(fā)射)、零長(zhǎng)發(fā)射(火箭助推發(fā)射、手拋發(fā)射、車(chē)載發(fā)射和飛輪發(fā)射)及輪式發(fā)射；回收方式主要包括輪式滑停回收、攔阻網(wǎng)回收、空中打撈回收和傘降回收。
[0003]長(zhǎng)航時(shí)等大型無(wú)人機(jī)一般具有較大的重量，飛機(jī)本身價(jià)格昂貴，在回收階段需要對(duì)機(jī)體提供高度的保護(hù)。對(duì)這類(lèi)飛機(jī)，宜采用輪式發(fā)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(jī)結(jié)構(gòu)不可避免地存在不對(duì)稱(chēng)性，機(jī)場(chǎng)跑道存在凸凹，機(jī)場(chǎng)存在各種風(fēng)擾動(dòng)，飛機(jī)著陸觸地時(shí)相對(duì)于跑道一般都存在偏航角和側(cè)向偏移。所有這些因素將導(dǎo)致飛機(jī)在起飛或著陸滑跑中出現(xiàn)相對(duì)于跑道的側(cè)向偏差。若不及時(shí)對(duì)側(cè)偏距進(jìn)行糾正，飛機(jī)可能側(cè)偏出跑道，造成嚴(yán)重事故?？梢哉J(rèn)為，滑跑糾偏控制是飛機(jī)起飛著陸主要控制任務(wù)之一，而輪胎建模是糾偏控制前提條件。
[0004]目前輪胎側(cè)偏剛度是反應(yīng)輪胎側(cè)偏角與輪胎側(cè)向力的關(guān)系參數(shù)，是輪胎建模的關(guān)鍵參數(shù)。但側(cè)偏剛度隨著輪胎壓力、地面附著系數(shù)等實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響，離線(xiàn)測(cè)量的輪胎側(cè)偏剛度往往與實(shí)際值差別很大，因此對(duì)于無(wú)人機(jī)自主起降需要一種新的在線(xiàn)的側(cè)偏剛度的測(cè)量方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種面向無(wú)人機(jī)自主起降輪胎建模的輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置，給出測(cè)量機(jī)構(gòu)及測(cè)量計(jì)算方法。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明提供了一種無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置，其包括:前輪、前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、左主輪、后主輪、裝置骨架、側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元、發(fā)動(dòng)機(jī)和槳單元、前輪操縱舵機(jī)、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(guò)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)和槳單元安裝于裝置骨架上，用于驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)；配重的位置和質(zhì)量可調(diào)節(jié)，使得無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的重心與實(shí)際無(wú)人機(jī)的重心位置一致；側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元通過(guò)不同的傳感器測(cè)量獲得無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)計(jì)算得到輪胎側(cè)偏剛度；側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元還根據(jù)地面遙控指令或根據(jù)所述側(cè)偏剛度通過(guò)糾偏獲得的自動(dòng)駕駛指令向前輪操縱舵機(jī)輸出控制指令；操縱前輪操縱舵機(jī)，用于根據(jù)側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元的控制指令操縱前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使得前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0011](三)有益效果
[0012]本發(fā)明提供的面向無(wú)人機(jī)自主起降輪胎建模的輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置，依次通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)獲取、側(cè)偏剛度計(jì)算、遙控指令接收、前輪操縱指令發(fā)送、數(shù)傳電臺(tái)指令接收與狀態(tài)發(fā)送等環(huán)節(jié)，形成無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)測(cè)量、運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)反饋，模擬實(shí)際無(wú)人機(jī)滑跑過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)綜合各種傳感器信息，進(jìn)行輪胎側(cè)偏剛度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)計(jì)算。這種裝置有利地支持了無(wú)人機(jī)在多種路面、滑跑過(guò)程中側(cè)偏剛度測(cè)量能力，進(jìn)而可以設(shè)計(jì)新的實(shí)時(shí)在線(xiàn)的側(cè)向糾偏控制方法，對(duì)于發(fā)展無(wú)人機(jī)自主起降控制技術(shù)具有重要的意義。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明中無(wú)人機(jī)地面滑跑動(dòng)力學(xué)建模結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明中無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明中前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖4是本發(fā)明中側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖5是本發(fā)明中側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]圖1示出了本發(fā)明中無(wú)人機(jī)地面滑跑動(dòng)力學(xué)建模結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所建立的坐標(biāo)系如下:
[0020]地面坐標(biāo)系(ogxgygzg):原點(diǎn)取地面某一點(diǎn)og, OgXg處于地平面內(nèi)并指向跑道中心線(xiàn)方向，ogyg也在地平面內(nèi)且垂直于OgXg指向右方，OgZg垂直地面指向地心。
[0021]機(jī)體坐標(biāo)系0XfyfZf:原點(diǎn)位于無(wú)人機(jī)質(zhì)心O處，OXf軸處于飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)并與機(jī)身設(shè)計(jì)軸線(xiàn)平行，oyf垂直飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面指向右方，Ozf軸在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面內(nèi)且垂直于Oxf軸指向下方。
[0022]氣流坐標(biāo)系oxayaZa(有些文獻(xiàn)也稱(chēng)氣流坐標(biāo)系為“速度坐標(biāo)系”):原點(diǎn)在飛機(jī)質(zhì)心O，OXa軸與飛行速度方向一致，OZa軸位于飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面內(nèi)且垂直于OXa軸指向機(jī)腹，Oya垂直于XaOZa平面指向右方。
[0023]穩(wěn)定坐標(biāo)系oxsyszs:原點(diǎn)在飛機(jī)質(zhì)心，oxs與飛行速度在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面內(nèi)的投影方向一致，OZs在飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面內(nèi)垂直于OXs, oys軸垂直于XsOZs平面指向右方。
[0024]三輪滑跑時(shí)無(wú)人機(jī)受到的力有:重力，發(fā)動(dòng)機(jī)推力，空氣動(dòng)力(包括升力、阻力、側(cè)力)，地面對(duì)機(jī)輪產(chǎn)生的支撐力、側(cè)偏力以及摩擦阻力，以上各力還會(huì)產(chǎn)生圍繞重心的三軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。
[0025]無(wú)人機(jī)在滑跑過(guò)程中，因非直線(xiàn)行駛、路面?zhèn)认騼A斜或側(cè)風(fēng)造成的離心力等原因，機(jī)輪中心沿軸方向?qū)⒆饔糜袀?cè)向力，此時(shí)，在地面上將產(chǎn)生相應(yīng)的地面?zhèn)认蚍醋饔昧?，也稱(chēng)為側(cè)偏力，側(cè)偏力方向垂直于機(jī)輪面，沿機(jī)體坐標(biāo)系oyf軸為正。定義機(jī)輪軌跡線(xiàn)方向與機(jī)輪平面之間的夾角為側(cè)偏角，軌跡線(xiàn)位于機(jī)輪平面右邊時(shí)側(cè)偏角為正。側(cè)偏力F與機(jī)輪側(cè)偏角β。的關(guān)系是一個(gè)非線(xiàn)性超越函數(shù)，函數(shù)的參數(shù)確定十分復(fù)雜。但當(dāng)側(cè)偏角較小，一般小于5°時(shí)，可以認(rèn)為側(cè)偏力與側(cè)偏角近似為線(xiàn)性關(guān)系:
[0026]F=-K0 β。(I)
[0027]其中:β。為機(jī)輪有效側(cè)偏角，為機(jī)輪軌跡線(xiàn)方向與機(jī)輪平面之間的夾角，軌跡線(xiàn)位于機(jī)輪平面右邊時(shí)側(cè)偏角為正。Ke為機(jī)輪的側(cè)偏剛度。
[0028]為了求得側(cè)偏力，首先需要求得當(dāng)前狀態(tài)下無(wú)人機(jī)各個(gè)機(jī)輪(前輪、左主輪、右主輪)的側(cè)偏角。無(wú)人機(jī)三輪滑跑時(shí)地面對(duì)無(wú)人機(jī)的側(cè)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(cè)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(duì)前輪、左主輪和右主輪的側(cè)偏力；Qn、Qml和Q?分別為地面對(duì)前輪、左主輪和右主輪的摩擦力；Θ L為機(jī)輪平面與無(wú)人機(jī)對(duì)稱(chēng)平面的夾角，即前輪轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角，機(jī)輪平面位于無(wú)人機(jī)對(duì)稱(chēng)平面右方時(shí)Θ L為正。
[0029]使用機(jī)體坐標(biāo)系，將地速G = [v, V7 VzJ沿機(jī)體坐標(biāo)系三軸分解，得無(wú)人機(jī)在機(jī)
體坐標(biāo)系中的速度
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置，其包括:前輪、前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、左主輪、后主輪、裝置骨架、側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元、發(fā)動(dòng)機(jī)和槳單元、前輪操縱舵機(jī)、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(guò)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)和槳單元安裝于裝置骨架上，用于驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)；配重的位置和質(zhì)量可調(diào)節(jié)，使得無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的重心與實(shí)際無(wú)人機(jī)的重心位置一致；側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元通過(guò)不同的傳感器測(cè)量獲得無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)傳感數(shù)據(jù)計(jì)算得到輪胎側(cè)偏剛度；側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元還根據(jù)地面遙控指令或根據(jù)所述側(cè)偏剛度通過(guò)糾偏獲得的自動(dòng)駕駛指令向前輪操縱舵機(jī)輸出控制指令；操縱前輪操縱舵機(jī)，用于根據(jù)側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元的控制指令操縱前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使得前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括筒形管、壓力傳感器、前輪轉(zhuǎn)向角傳感器、輪叉、支耳、輪叉軸、滾動(dòng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)兩端輪軸上，輪叉軸位于輪叉上部，其頂端與滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)子部分連接；滾動(dòng)軸承的定子部分與前輪轉(zhuǎn)向角傳感器連接；支耳位于輪叉軸和輪叉的連接點(diǎn)處，并橫向向外延伸，其延伸部分與前輪操縱舵機(jī)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述前輪轉(zhuǎn)向角傳感器由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成；前輪轉(zhuǎn)向角傳感器的定子部分呈中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部呈圓柱型空腔，滾動(dòng)軸承的定子部分位于圓柱型空腔內(nèi)部，并且與圓柱型空腔形成緊配合安裝。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其還包括遙控接收機(jī)和數(shù)傳電臺(tái)，其中所述遙控接收機(jī)接收地面遙控指令，并將其輸出至側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元；數(shù)傳電臺(tái)用于輸出側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元計(jì)算得到的輪胎側(cè)偏剛度和/或無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的狀態(tài)信息。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元包括DSP、RAM、FLASH、電源、慣性測(cè)量單元、第一 RS232 口、第二 RS232 口 157、AD 端口、，PWM IN 口、PWM OUT 口 ；其中， 側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元通過(guò)第一 RS232 口與前輪轉(zhuǎn)向角傳感器連接，以接收前輪轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角；通過(guò)第二 RS232 口與數(shù)傳電臺(tái)，以接收地面控制站的控制指令，并返回測(cè)試數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置I的狀態(tài)信息；通過(guò)AD端口，與壓力傳感器連接，以獲取前輪地面支反力；通過(guò)PWM IN 口與遙控接收機(jī)，以接收遙控控制指令信號(hào)；通過(guò)PWM OUT 口與前輪操縱舵機(jī)連接，以驅(qū)動(dòng)前輪；慣性測(cè)量單元用于獲取無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置的3軸加速度、3軸磁場(chǎng)強(qiáng)度、3軸角速率、3軸歐拉角、3軸速度矢量。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，無(wú)人機(jī)輪胎側(cè)偏剛度測(cè)量裝置具有遙控狀態(tài)和自動(dòng)駕駛兩種狀態(tài)，遙控狀態(tài)下所述側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元從遙控接收機(jī)獲取遙控指令并將其轉(zhuǎn)化成控制指令輸出至前輪操縱舵機(jī)；自動(dòng)駕駛狀態(tài)下所述側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元根據(jù)計(jì)算得到的側(cè)偏剛度得到糾偏控制指令輸出至前輪操縱舵機(jī)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元根據(jù)下式，并采用遞推最小二乘方法，可以獲得輪胎側(cè)偏剛度:
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，
9.如權(quán)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(cè)量得到，加速度ay、偏航角速率r、機(jī)體坐標(biāo)系中的速度值Vfx，Vfy由側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元中的慣性測(cè)量單元測(cè)量獲得；前輪轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角Θ ^由側(cè)偏剛度傳感計(jì)算單元中的前輪轉(zhuǎn)向角傳感器測(cè)量獲得。
10.如權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)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(hào)】G01M99/00GK103728152SQ201410035963
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】范國(guó)梁, 袁如意, 常紅星, 易建強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所