CN106081136A - 一种无人机滑跑侧偏检测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机滑跑侧偏检测方法与装置，包括中央处理电路、轮速传感器及将制动摩擦盘固定在轮毂上的若干均布的被感应螺栓；所述轮速传感器分左右两个，分别固定连接在无人机两侧的起落架上，与被感应螺栓相对保持一定间隔设置。通过本发明所述的方法可以快速准确的直接检测无人机在起飞降落过程中滑跑侧偏，并能够及时与无人机飞控系统进行实时通讯，使飞机滑跑姿态得到及时的修正，保证了无人机的运行安全。
Description
技术领域
本发明涉及检测装置领域，特别是涉及一种无人机滑跑侧偏检测方法与装置。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输，无人机可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆；无人机在的应用范围十分广泛，在军事方面虽然不是战场上执行空中人物的主力，但也成为不可或缺的重要组成部分。无人机在执行任务时具有工作时间长，可以进入危险环境，因而在民用领域的应用不断被开发。目前用于民用的无人机多有军用无人机改装而成。
无人机因没有驾驶员，在起飞、执行任务、降落的过程全部靠程序自动控制或者靠地勤人员手动控制，因此有非常高的几率出现飞行故障，其中飞机在起飞降落的过程中出现的滑跑侧滑现象就是其中之一。因此为了避免飞机在运行过程中出现的各种故障，无人机上安装了种类繁多的传感器来实现对飞机的全方位检测控制。由于无人机经常在有风的条件先起飞或者降落，风在无人机在起飞或者降落过程中的有着非常大的影响。如在风中滑行时，机轮的侧向摩擦力阻止飞机向侧方向滑动，而侧风时风速与飞机对称面不平行而形成侧滑。侧滑显现的存在轻则使无人机偏离起飞方向，造成起飞不稳定，重则会导致飞机冲出起飞跑到，造成飞机损坏。目前，用于专门用于检测无人机滑跑侧偏的方法非常少，专门的传感器也非常少见，因此寻找一种行之有效的检测方法就成了重中之重。
发明内容
针对上述需要解决的问题，本发明提出一种无人机滑跑侧偏检测方法及采用该方法检测无人机滑跑侧偏的装置，该装置能安装在无人机起落架上，通过感应装置检测左右两个轮子转速的方式，无损、快速的检测无人机滑跑侧偏状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种无人机滑跑侧偏检测装置包括中央处理电路、轮速传感器及将制动摩擦盘固定在轮毂上的若干均布的被感应螺栓；所述轮速传感器分左右两个，分别固定连接在无人机两侧的起落架上，与被感应螺栓相对保持一定间隔设置。
所述轮速传感器采用感应式轮速传感器，包括感应头、传感器处理电路、传感器外壳、固定螺母及电缆，可以在不接触无人机轮胎的情况下对无人机滑跑的速度进行测量，其主要原理是利用导电物体在接近传感器时，物体内部会产生电涡流，这个电涡流反作用到传感器后，传感器内部电路的参数将发生变化，这种变化被专用芯片接收后转化成0、1两种电平，以便为后续电路提供检测信号，当无人机处在滑行状态时，轮速传感器会连续感应到安装在刹车盘上的被感应螺栓，进而测得无人机的滑跑速度。
一种无人机滑跑侧偏检测方法主要是通过在无人机起落架上左右各装一个轮速传感器，无人机滑跑时运行速度将被传轮速传感器测得并将数据传到中央处理电路；中央处理电路在接收到轮速信号后对其进行处理分析比较，判断无人机是否在滑跑阶段出现侧滑现象，并将处理结果通过通讯总线发送无人机的飞控单元，由飞控单元对无人机滑跑姿态进行调整，以保障无人机的正常起飞降落，其主要包括如下步骤：
步骤一：在无人机起落架左右轮上各安装一个感应式轮速传感器以便测量左右轮的轮速，无人机在滑跑的过程中感应式轮速传感将检测到轮速以高低电平信号的形式传给中央处理电路；
步骤二：中央处理电路对轮速信号采集及处理；中央处理电路包括中央处理芯片、轮速信号接收模块、光电隔离电路、电源模块、通讯模块及I/O输出模块，中央处理电路在接收到轮速信号后，将信号进行比较处理，然后把处理的结果发送到无人机飞控系统，供飞控系统对无人机滑跑姿态进行控制，其详细叙述如下：
(1)安装在无人机起落架上的轮速传感器将轮速信号发送出来后，轮速信号接收模块接收轮速信号，由于传感器发送来的信号不适合直接处理，轮速信号接收模块会将轮速信号电压转换成适合中央处理芯片处理的电压信号；
(2)中央处理芯片自身具备高低电平的输入捕获功能，每当轮速传感器感应到无人机轮子上的被感应螺栓后，即刻给中央处理芯片发送轮速信号，中央处理芯片的输入捕获功能会捕捉到此时的高电平，并记录此时的时间T1，然后等待下次出现高电平的出现；当下一次高电平出现后，中央处理芯片再次捕获此次的高电平，将此次的时间T2与上次捕获高电平的时间T1进行差运算；
(3)中央处理芯片的工作时钟由外部晶振提供，外部晶振的频率为8Mhz，经过中央处理芯片的内部倍频后频率达到72Mhz，再经过预分频后能够得到计数器的计数频率，即每增加一个数，处理器所用的时间，在步骤(2)进行差运算得到的时间差与计数频率相乘，即可得到此刻此轮无人机滑跑的速度；
(4)中央处理芯片将采集的两路轮速传感器信号经行处理后，将处理的结果与预先设定的左右轮轮速差的阈值进行对比，如果处理的结果超出预设阈值则给无人机飞控系统发送无人机滑跑侧偏信息，由飞控系统对无人机滑跑姿态进行调整；如果所得结果符合要求，则给飞控系统发送飞机滑跑姿态正常的信息；
步骤三：重复步骤二，即可完成对无人机滑跑侧偏状态的实时监控，以保证无人机在起飞、降落滑跑过程中姿态正确。
所述中央处理电路的电源模块为各个模块提供不同的工作电压。
本发明的积极效果：
本发明所述的一种无人机滑跑侧偏检测方法与装置，可以快速准确的直接检测无人机在起飞降落过程中滑跑侧偏，并能够及时与无人机飞控系统进行实时通讯，使飞机滑跑姿态得到及时的修正，保证了无人机的运行安全。实际应用表明，该方法不仅可以快速、高效的完成对无人机轮速的测量，对滑跑姿态的实时监测，同时具有测量操作简单、设备维护成本低等优点，其主具体的有如下优点：
(1)简化对无人机滑跑侧偏的检测过程，减少测量过程所用时间，提高生产效率；
(2)降低对无人机滑跑侧偏的测量成本，包括设备费用、人工成本和设备维护成本；
(3)所用硬件组合系统性能稳定且实际测量效果好，非接触的测量方式不会出现硬件磨损修复问题；
(4)测量滑跑侧偏的装置直接安装在无人机起落架上，采用非接触式感应测量方式，避免对无人机的零件表面损伤和设备磨损；
(5)采用高性能的中央处理器来处理测量结果，使测量结果更精确；
附图说明
图1是无人机滑跑侧偏检测装置的安装结构示意图
图2是转速传感器的结构示意图
图3是中央处理电路的结构示意图
图中，1无人机起落架 2金属螺栓 3中央处理电路 4轮速传感器 5通讯总线 6制动摩擦盘 7传感器处理电路 8传感器外壳 9固定螺母 10电缆 11感应头
具体实施方式
现针对一种国产无人机滑跑侧偏的实际测量应用，结合说明书附图1至图3对本发明的技术方案作进一步的描述：
国产无人机具有如下特点：起落架上的轮胎的直径在有30cm左右，轮胎的轮毂是一体的，刹车盘用三个金属螺栓固定在轮毂上；无人机的翼展比较大，在滑行的过程中如果出现稍微大的侧风，无人机极易出现滑跑侧滑的现象，本实施例中无人机的起飞和降落的轮胎的临界速度为1800r/min-1900r/min之间，除此之外无人机的飞行速度并不高。
如图1所示，一种无人机滑跑侧偏检测装置包括两个可以直接测量无人机滑跑时轮胎转速的感应式轮速传感器，接收处理轮速传感器数据的中央处理电路；如图2所示，所用的两个轮速传感器直接安装在无人机起落架左、右两个轮子附近，轮速传感器的端部为感应头，轮速传感器还包括传感器处理电路、传感器外壳、固定螺母及电缆；其中，感应头能够感应到安装在无人机上的金属螺栓；传感器处理电路可以及时检测感应头的电磁变化，并将该变化转化为高低电平并将信号通过电缆传到中央处理电路；传感器外壳为轮速传感器的外壳，外壳具有螺纹，方便后续的安装；固定螺母为两个安装螺母，无人机起落架上有两个安装孔，该固定螺母可以将轮速传感器固定在安装孔上，由于传感器外壳上具有螺纹，因此安装位置可以自由调节；电缆为传感器的电源线和信号线，轮速传感器的电源由后续电路模块提供；两个轮子的轮毂上设置有三个金属螺栓，轮速传感器与金属螺栓之间的距离在5mm左右；当无人机滑跑时轮速传感器可以直接感应到上述的三个金属螺栓，并将感应到的轮速信息传送到后续的中央处理电路中。
考虑到无人机滑跑状态监测的实时性，后续信号处理的中央处理电路中的中央处理芯片采用高性能、低成本、低功耗的STM32单片机进行轮速数据的采集处理；本发明采用的STM32单片机具有多个输入捕获接口，非常优秀的中断处理机制，可以非常快速的把左右两路轮速传感器传输出来的轮速数据转换成STM32单片机可以直接处理的数字压力数据；STM32单片机将轮速数据进行处理后得到此时无人机的滑跑侧偏状态，并通过通讯总线上传到无人机飞控系统，由飞控系统来对无人机的滑跑状态经行控制调整。
信号采集处理的详细步骤如下：
a)用于信息处理的高性能STM32单片机的外部电路的晶振频率为8Mhz，晶振的频率经过STM32单片机内部倍频电路后工作频率达到F＝72Mhz，此频率即STM32单片机的工作频率。如图3所示，安装在起落架上的轮速传感器在感应到轮速信号后，通过信号输入接口电路进入后续信号处理的中央处理电路；由于轮速传感器发送的轮速信号电压为12V，STM32单片机的工作电为3.3V，因此需要采用光电隔离电路并进行电压转换后才能够被单片机接收；
b)用于信息处理的STM32单片机自身的定时器带有计数功能、输入捕获功能。STM32单片机的工作频率经过n＝3600预分频后，自带定时器的实数频率为
f1＝F/n＝72000000/3600＝20000(Hz)；
即计时器每秒能够计数个数为20000个。
c)STM32单片机的定时器输入捕获功能能够捕获轮速传感器的轮速信号。在捕获之前单片机先打开定时器的计数功能，等待轮速传感器的轮速信号，当有轮速信号是捕获功能立即捕捉这一信号，定时器立即记录下此时的计数个数num1并继续计数，当第二个的轮速信号到来时捕获功能再次捕获此时刻的信号，计时器再次记录下此时的计数个数num2；捕获完成后单片机会计算两次捕获所用的时间：
T＝(num2-num1)/f1(s)；
得到两次捕获的时间后，单片机会计算两次捕获时间内的轮子的转速：
N＝60/T(r/min)；
d)STM32单片机的两个定时器同时开启输入捕获功能，各自的定时器分别记录时间，重复上述a)、b)、c)的过程就可以进行无人机左右两个轮子的转速检测，得到两个轮的转速N左、N右。在得到左右两个轮子的轮速后，STM32单片机将对其进行滑跑侧偏计算处理，其计算公式如下
|N左-N右|≤A
注释：A为无人机滑跑侧偏允许的轮速差临界值；
e)STM单片机会连续采集并计算五次轮速差，以增加数据采集的正确性；处理好轮速信号后，会将处理结果通过通讯总线发送到上位机的飞控系统进行姿态调整。
将本发明中所述的感应式的轮速传感器安装于无人机起落架上，对无人机起飞和降落滑跑过程中的左、右轮胎进行转速检测，采用STM32单片机收集两路轮速传感器的轮速信号，并且将收集到的轮速信号进行运算处理后得到无人机的滑跑侧偏状态发送到无人机的飞控系统，通过飞控系统对无人机的滑跑姿态进行调整，最终实现了安全起飞降落的滑跑状态。采用感应式轮速传感器直接测量无人机起飞降滑跑时左右轮的轮速的方法，成功解决了无人机的起飞降落时产生滑跑侧偏在传统测量方式上的不足，并具有测量精度高、测量过程耗时短、测量效率高、测量成本低等优点。
以上所述的只是用图解说明本发明相关的一种无人机滑跑侧偏检测方法与装置的一种优选应用实例，由于对相同技术领域的技术人员来说很容易在此基础上进行若干的修改，因此本说明书并非要将本发明所述的一种无人机滑跑侧偏检测方法与装置局限在所示或者所述的具体机构及适用范围内，故凡是可能被利用的相应修改以及等同替换等，均属于本发明专利的保护范围。
Claims (3)
1.一种无人机滑跑侧偏检测方法，其特征在于：该方法是通过一种无人机滑跑侧偏检测装置来实现的，包括中央处理电路、轮速传感器及将制动摩擦盘固定在轮毂上的若干均布的被感应螺栓；所述轮速传感器分左右两个，分别固定连接在无人机两侧的起落架上，与被感应螺栓相对保持一定间隔设置；
所述无人机滑跑侧偏检测方法包括如下步骤：
步骤一：在无人机起落架左右轮上各安装一个感应式轮速传感器以便测量左右轮的轮速，无人机在滑跑的过程中感应式轮速传感将检测到轮速以高低电平信号的形式传给中央处理电路；
步骤二：中央处理电路对轮速信号采集及处理；中央处理电路包括中央处理芯片、轮速信号接收模块、光电隔离电路、电源模块、通讯模块及I/O输出模块，中央处理电路在接收到轮速信号后，将信号进行比较处理，然后把处理的结果发送到无人机飞控系统，供飞控系统对无人机滑跑姿态进行控制，其详细叙述如下：
(1)安装在无人机起落架上的轮速传感器将轮速信号发送出来后，轮速信号接收模块接收轮速信号，由于传感器发送来的信号不适合直接处理，轮速信号接收模块会将轮速信号电压转换成适合中央处理芯片处理的电压信号；
(2)中央处理芯片自身具备高低电平的输入捕获功能，每当轮速传感器感应到无人机轮子上的被感应螺栓后，即刻给中央处理芯片发送轮速信号，中央处理芯片的输入捕获功能会捕捉到此时的高电平，并记录此时的时间T1，然后等待下次出现高电平的出现；当下一次高电平出现后，中央处理芯片再次捕获此次的高电平，将此次的时间T2与上次捕获高电平的时间T1进行差运算；
(3)中央处理芯片的工作时钟由外部晶振提供，外部晶振的频率为8Mhz，经过中央处理芯片的内部倍频后频率达到72Mhz，再经过预分频后能够得到计数器的计数频率，即每增加一个数，处理器所用的时间，在步骤(2)进行差运算得到的时间差与计数频率相乘，即可得到此刻此轮无人机滑跑的速度；
(4)中央处理芯片将采集的两路轮速传感器信号经行处理后，将处理的结果与预先设定的左右轮轮速差的阈值进行对比，如果处理的结果超出预设阈值则给无人机飞控系统发送无人机滑跑侧偏信息，由飞控系统对无人机滑跑姿态进行调整；如果所得结果符合要求，则给飞控系统发送飞机滑跑姿态正常的信息；
步骤三：重复步骤二，即可完成对无人机滑跑侧偏状态的实时监控，以保证无人机在起飞、降落滑跑过程中姿态正确。
2.根据权利要求1所述的无人机滑跑侧偏检测方法，其特征在于：所述轮速传感器采用感应式轮速传感器，包括感应头、传感器处理电路、传感器外壳、固定螺母及电缆，可以在不接触无人机轮胎的情况下对无人机滑跑的速度进行测量，其主要原理是利用导电物体在接近传感器时，物体内部会产生电涡流，这个电涡流反作用到传感器后，传感器内部电路的参数将发生变化，这种变化被专用芯片接收后转化成0、1两种电平，以便为后续电路提供检测信号，当无人机处在滑行状态时，轮速传感器会连续感应到安装在刹车盘上的被感应螺栓，进而测得无人机的滑跑速度。
3.根据权利要求1所述的无人机滑跑侧偏检测方法，其特征在于：所述中央处理电路的电源模块为各个模块提供不同的工作电压。
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