CN106933238B - 一种对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法，包括步骤：(1)无人机静止，采集旋翼面几何中心位置信息，得到几何中心位置图形方程；(2)人机起飞任意飞行，利用图形方程得到无人机重心位置信息，以动态矢量空间坐标点形式记录；(3)采集无人机各旋翼转速和空间姿态位置信息，提取二者数据特征，得到无人机飞行轨迹方程和空间姿态方程；(4)利用空间姿态方程结合几何中心位置图形方程，得到无人机动态受力中心位置方程；(5)将重心的动态空间矢量坐标和动态受力中心位置的动态空间矢量坐标进行实时比较，得到二者的动态变化关系；(6)飞行控制系统实时处理比对二者动态关系，协助无人机进行姿态调整。

Description

一种对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法
技术领域
本发明涉及飞行器参数采集研究领域，具体涉及一种对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法。
背景技术
近年来，随着计算机技术、自动控制技术和高性能传感器技术的发展，无人机在农业、民用、工业和军事领域受到普遍关注并得到了大力的发展。目前，无人机种类繁多，有固定翼、单旋翼、多旋翼、无人飞艇、无人伞翼机等，其中多旋翼无人机从结构角度细分，可分为对称布局和非对称布局两种，对称布局的多旋翼无人机因其便于操作上手又最为常见。
同时，随着对称布局的多旋翼无人机的普及，对称布局的多旋翼无人机飞行的安全稳定性越来越得到重视，作为无人机的“大脑”，飞行控制系统也愈发的凸显出其重要性。飞行控制系统能够实时采集各传感器测量的飞行状态数据、接收命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，同时将无人机的状态数据及工作状态参数实时送回地面测控站。飞行控制系统是保证无人机飞行稳定的关键，因此得到对称布局的多旋翼无人机飞行状态的准确数据，便显得尤为重要。
对称布局的多旋翼无人机的动态受力中心是对称布局的多旋翼无人机所有旋翼升力的合力作用在无人机机体上的一个作用点，受力中心的位置随着无人机飞行参数及姿态的改变不断动态变化着，对于对称布局的多旋翼无人机的稳定性影响极其显著。现有飞行控制系统测得的对称布局的多旋翼无人机飞行状态数据种类较少，大多集中在旋翼转速、控制电流、地磁角度等层面，并未从每架对称布局的多旋翼无人机自身独特的结构特点出发，缺乏动态受力中心位置研究，同样对于对称布局的多旋翼无人机重心和动态受力中心二者动态关系的研究较少。以上原因导致飞行控制系统和对称布局的多旋翼无人机不能完美的契合在一起，对称布局的多旋翼无人机的飞行还总是存在给种各样的小问题。那么设计一种对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法便具有显著的科学意义。
发明内容
本发明为了克服目前现有技术存在的不足，针对对称布局的多旋翼无人机动态变化中的稳定性问题，提供了一种对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法。能够准确得到对称布局的多旋翼无人机的动态受力中心位置，以辅助飞行控制系统更好操控对称布局的多旋翼无人机飞行状态。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对称布局的多旋翼无人机静止，采集无人机旋翼面几何中心位置信息，得到具体旋翼面区域内几何中心位置图形方程；
(2)对称布局的多旋翼无人机起飞任意飞行，利用几何中心位置图形方程得到无人机重心位置信息，以动态矢量空间坐标点形式记录；
(3)利用传感器实时采集无人机各旋翼转速和空间姿态位置信息，提取二者数据特征，得到无人机飞行轨迹方程和空间姿态方程；
(4)利用得到的空间姿态方程结合旋翼面区域内几何中心位置图形方程，得到无人机动态受力中心位置方程，并将动态受力中心位置转换为动态矢量空间坐标点形式记录；
(5)将重心的动态空间矢量坐标和动态受力中心位置的动态空间矢量坐标进行实时比较，得到二者的动态变化关系；
(6)飞行控制系统实时处理比对二者动态关系，协助无人机进行姿态调整，以保证飞行稳定性。
具体的，所述无人机为对称布局结构多旋翼无人机，所有旋翼在同一平面内对称布置，且旋翼桨叶形状大小一致。
优选的，所述对称布局的多旋翼无人机形状可为圆形、方形等。
具体的，所述步骤(1)中，对称布局的多旋翼无人机旋翼面区域内几何中心位置图形方程为Pj＝f1(x1，x2，x3.....x2m)，其中2m为旋翼总数，m为任意正整数。
具体的，所述步骤(2)中，对称布局的多旋翼无人机重心位置动态矢量空间坐标点为G(gx，gy，gz)，其中x、y、z为空间坐标三个方向分量。
优选的，所述步骤(2)中，所述重心位置与步骤(1)采集的几何中心位置关系为G(gx，gy，gz)＝RjgPj，其中Rjg为位置关系转化系数，依据每架无人机自身独特的结构特性而定。
优选的，所述步骤(3)中，所述对称布局的多旋翼无人机各旋翼转速自无人机前进方向顺时针起分别为n1、n2.......n2m；所述空间姿态位置信息由传感器测定，包括飞行速度v、飞行高度h、飞行用时t、俯仰角α、翻滚角β、航向角γ及地理坐标信息。
具体的，所述空间姿态信息还包括无人机的飞行速度变化均匀程度以及飞行高度变化情况。
具体的，所述步骤(3)中，所述对称布局的多旋翼无人机飞行轨迹方程为L＝f2(v，h，t)；
具体的，所述步骤(3)中，所述对称布局的多旋翼无人机空间姿态方程为Kz＝f5[Lf3(α，β，γ)]f4(n1、n2.....n2m)，其中f4(n)为旋翼转速方程。
优选的，所述步骤(4)中，所述对称布局的多旋翼无人机动态受力中心位置方程为Dz＝f6(PjKz)，转换为动态矢量空间坐标点形式为D(dx，dy，dz)，转换方程为D(dx，dy，dz)＝f7(z)Dz，其中其中x、y、z为空间坐标三个方向分量，f7(z)为动态矢量空间坐标点转换方程。
具体的，所述步骤(5)中，所述重心的动态空间矢量坐标和动态受力中心位置的动态空间矢量坐标二者的关系方程为D＝f8(k)G，其中f8(k)为动态空间矢量关系转换方程。
优选的，所述步骤(6)中，各传感器将采集到的相关信息通过通信模块实时传送给飞行控制系统，飞行控制系统实时分析比对重心和动态受力中心二者动态关系，经计算处理，输出控制指令给执行机构，增强飞行稳定性，同时将采集到的各种数据返回给地面站。
优选的，所述通信模块为无线传输模式。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明能够准确得到对称布局的多旋翼无人机的动态受力中心位置，以辅助无人机飞行控制系统更好操控对称布局的多旋翼无人机飞行状态，使飞行更加平稳，大大增加了安全性和可靠性。
2、本发明通过对重心的动态空间矢量坐标和动态受力中心位置的动态空间矢量坐标进行实时比较，得到二者的动态变化关系，从一个全新的角度阐释了无人机飞行的原理，具有极强的创新性和前瞻性。
3、本发明适用于各旋翼数、各类型的对称布局的多旋翼无人机，对各类型的对称布局无人机的稳定性增强均有效，针对性强、应用性强。
4、本发明可将对称布局的多旋翼无人机调节至最佳飞行状态，能够提高无人机能源利用率，增长滞空时间，提高工作效率，减少不必要的损耗，具有绿色高效的特点。
附图说明
图1是本发明的对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法的流程图。
图2是本发明的对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法中对称布局的无人机重心位置动态矢量空间坐标点形式的转化方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1和图2，本发明的对称布局多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法包括以下步骤：
(1)对称布局的多旋翼无人机静止，采集无人机旋翼面几何中心位置信息，得到具体旋翼面区域内几何中心位置图形方程；
(2)对称布局的多旋翼无人机起飞任意飞行，利用几何中心位置图形方程得到无人机重心位置信息，以动态矢量空间坐标点形式记录；
(3)利用传感器实时采集无人机各旋翼转速和空间姿态位置信息，提取二者数据特征，得到无人机飞行轨迹方程和空间姿态方程；
(4)利用得到的空间姿态方程结合旋翼面区域内几何中心位置图形方程，得到无人机动态受力中心位置方程，并将动态受力中心位置转换为动态矢量空间坐标点形式记录；
(5)将重心的动态空间矢量坐标和动态受力中心位置的动态空间矢量坐标进行实时比较，得到二者的动态变化关系；
(6)飞行控制系统实时处理比对二者动态关系，协助无人机进行姿态调整，以保证飞行稳定性。
所述无人机为对称布局结构多旋翼无人机，所有旋翼在同一平面内对称布置，且旋翼桨叶形状大小一致。
所述对称布局的多旋翼无人机形状可为圆形、方形等。
所述步骤(1)中，对称布局的多旋翼无人机旋翼面区域内几何中心位置图形方程为Pj＝f1(x1，x2，x3.....x2m)，其中2m为旋翼总数，m为任意正整数，该方程以无人机各旋翼位置为基础图形参数，对无人机旋翼面区域内几何中心位置进行限定。
具体的，通过MATLAB进行积分计算，将运算结果再次利用MATLAB生成二维几何图像，得到旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程。
所述步骤(2)中，对称布局的多旋翼无人机重心位置动态矢量空间坐标点为G(gx，gy，gz)，其中x、y、z为空间坐标三个方向分量。
所述步骤(2)中，所述重心位置与步骤(1)采集的几何中心位置关系为G(gx，gy，gz)＝RjgPj，其中Rjg为位置关系转化系数，依据每架无人机自身独特的结构特性而定。
具体的，采用Isight软件进行数据交换，实现动态矢量空间坐标点转换。
所述步骤(3)中，所述对称布局的多旋翼无人机各旋翼转速自无人机前进方向顺时针起分别为n1、n2.......n2m；所述空间姿态位置信息由传感器结合北斗导航定位系统测定，包括飞行速度v、飞行高度h、飞行用时t、俯仰角α、翻滚角β、航向角γ及地理坐标信息。
所述空间姿态信息还包括无人机的飞行速度变化均匀程度以及飞行高度变化情况。
所述步骤(3)中，所述对称布局的多旋翼无人机飞行轨迹方程为L＝f2(v，h，t)；
具体的，由北斗导航定位系统测得，利用MATLAB对数据进行优化处理，得到飞行轨迹方程。
所述步骤(3)中，所述对称布局的多旋翼无人机空间姿态方程为Kz＝f5[Lf3(α，β，γ)]f4(n1、n2.....n2m)，其中f4(n)为旋翼转速方程。
具体的，建立无人机的数学模型，采用LPV法则将其线性化。结合PID算法和位置控制器，对无人机旋翼机动效果进行仿真比较，得到旋翼转速方程。
利用遗传算法寻优，获得无人机姿态信息参数最佳值，通过对最佳控制参数的回归分析，得到不规则布局的多旋翼无人机的空间姿态方程。
所述步骤(4)中，所述对称布局的多旋翼无人机动态受力中心位置方程为Dz＝f6(PjKz)，转换为动态矢量空间坐标点形式为D(dx，dy，dz)，转换方程为D(dx，dy，dz)＝f7(z)Dz，其中其中x、y、z为空间坐标三个方向分量，f7(z)为动态矢量空间坐标点转换方程。
具体的，对无人机进行三维建模，使用通用有限元分析软件ABAQUS对无人机受载情况下应力应变及稳定性进行分析，利用耦合解法，部分变量全场联立，得到无人机动态受力中心位置方程。采用Isight软件进行数据交换，实现动态矢量空间坐标点转换。
所述步骤(5)中，所述重心的动态空间矢量坐标和动态受力中心位置的动态空间矢量坐标二者的关系方程为D＝f8(k)G，其中f8(k)为动态空间矢量关系转换方程。
具体的，同样采用Isight软件进行数据交换，实现动态矢量空间坐标点转换。
所述步骤(6)中，各传感器将采集到的相关信息通过通信模块实时传送给飞行控制系统，飞行控制系统实时分析比对重心和动态受力中心二者动态关系，经计算处理，输出控制指令给执行机构，增强飞行稳定性，同时将采集到的各种数据返回给地面站。
所述通信模块为无线传输模式。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种对称布局的多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对称布局的多旋翼无人机静止，采集无人机旋翼面几何中心位置信息，得到具体旋翼面区域内几何中心位置图形方程；
(2)对称布局的多旋翼无人机起飞任意飞行，利用几何中心位置图形方程得到无人机重心位置信息，以动态矢量空间坐标点形式记录；
(3)利用传感器实时采集无人机各旋翼转速和空间姿态位置信息，提取二者数据特征，得到无人机飞行轨迹方程和空间姿态方程；
(4)利用得到的空间姿态方程结合旋翼面区域内几何中心位置图形方程，得到无人机动态受力中心位置方程，并将动态受力中心位置转换为动态矢量空间坐标点形式记录；
(5)将重心的动态空间矢量坐标和动态受力中心位置的动态空间矢量坐标进行实时比较，得到二者的动态变化关系；
(6)飞行控制系统实时处理比对二者动态关系，协助无人机进行姿态调整，以保证飞行稳定性。
2.根据权利要求1所述的对称布局的多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法，其特征在于，所述无人机为对称布局结构多旋翼无人机，所有旋翼在同一平面内对称布置，且旋翼桨叶形状大小一致。
3.根据权利要求2所述的对称布局的多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法，其特征在于，所述对称布局的多旋翼无人机形状可为圆形或方形。
4.根据权利要求1所述的对称布局的多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述对称布局的多旋翼无人机各旋翼转速自无人机前进方向顺时针起分别为n1、n2.......n2m；所述空间姿态位置信息由传感器测定，包括飞行速度v、飞行高度h、飞行用时t、俯仰角α、翻滚角β、航向角γ及地理坐标信息。
5.根据权利要求1所述的对称布局的多旋翼无人机动态受力中心位置的检测方法，其特征在于，所述步骤(6)中，各传感器将采集到的相关信息通过通信模块实时传送给飞行控制系统，飞行控制系统实时分析比对重心和动态受力中心二者动态关系，经计算处理，输出控制指令给执行机构，增强飞行稳定性，同时将采集到的各种数据返回给地面站。
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