CN108204849B - 一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开的一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法，涉及轮式起降小型无人机用称重定重心技术，能够解决对于100kg～200kg的中等规模无人机重心难以测量的问题。水平姿态完成无人机重量，航向轴重心位置、展向轴重心位置的测量和计算，俯仰姿态在水平姿态的数据基础上通过组合计算完成无人机重量的复算和垂向重心位置的计算。该方法适用于最大起飞重量不大于200kg的轮式起降小型无人机。

Description

一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法

技术领域

本发明涉及轮式起降小型无人机用称重定重心技术领域，尤其涉及一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法。

背景技术

针对轮式起降小型无人机飞行控制对重量、重心位置的精度要求高，而机场准备库房或其它露天场地保障设备短缺，以及经费不足的实际情况，必须通过合理简便而又较为准确的办法测量无人机的重量、重心位置。对于传统飞机及大型无人机，一般采用定制的测量重量重心测量设备，集成无人机固定结构及测量传感器实现精确测量，而对于重量小于30kg的小型航模或小型无人机可以通过简单的人工悬吊获得较为精确的重心位置，但对于100kg～200kg的中等规模无人机，已不能通过人工悬吊去测量重心，而需要吊车去操作，往往机场准备库房或其它露天场地不具备上述保障条件，因此机需要一种较为简便且测量精度高的称重定重心方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法，能够解决对于100kg～200kg的中等规模无人机重心难以测量的问题。

本发明的技术解决方案：

一种用于轮式起降小型无人机用称重定重心方法，无人机放置在地秤3上，无人机俯仰角变化范围在0°到10°之间，该方法适用于最大起飞重量不大于200kg的轮式起降小型无人机，包括以下步骤：

采用机上自动驾驶仪惯导设备测量无人机俯仰角度，通过调节起落架气压值将无人机1俯仰角调节至0，以无人机机头为原点O建立第一坐标系，无人机航向的相反方向作为第一坐标系X轴正向，符号表示为OX_水平，在无人机纵向对称面内垂直于OX_水平且指向上作为第一坐标系Y轴正向，符号表示为OY_水平，无人机顺航向左侧作为第一坐标系Z轴正向，Z轴与X、Y轴符合右手准则，符号表示为OZ_水平；

获取地秤3采集的质量m_前、水平、m_后、水平，通过重锤、卷尺2测量距离数据l_前、水平、l_后、水平、m_前、水平是测量设备前支点传感器读数之和，单位千克，m_后、水平是测量设备后支点传感器读数之和，单位千克，l_前、水平是测量设备前支点传感器到水平姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米，l_后、水平是测量设备后支点传感器到水平姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米；

在第一坐标系下，按照计算公式

解算无人机m_水平、X_水平、Z_水平、其中，

m_水平--水平姿态下无人机总重，单位千克；

X_水平--水平姿态下无人机航向轴质心位置，单位毫米；

Z_水平--水平姿态下无人机展向轴质心位置，单位毫米；

将无人机1俯仰角调整至某一较小的角度，以无人机机头为原点O建立第二坐标系，沿水平地面向后作为第二坐标系X轴正向，符号表示为OX_俯仰，垂直于水平地面指向上作为第二坐标系Y轴正向，符号表示为OY_俯仰，Z轴通过右手准则确定，符号表示为OZ_俯仰；

获取地秤3采集的质量m_前、俯仰、m_后、俯仰，通过重锤、卷尺2测量距离数据1_前、俯仰、l_后、俯仰，m_前、俯仰是测量设备前支点传感器读数之和，单位千克，m_后、俯仰是测量设备后支点传感器读数之和，单位千克，l_前、俯仰是测量设备前支点传感器到俯仰姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米，l_后、俯仰是测量设备后支点传感器到俯仰姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米，并通过自动驾驶仪惯导设备确认俯仰角θ；

在第二坐标系下，按照计算公式

解算无人机m_俯仰、X_俯仰、Y_水平，其中，

m_俯仰--俯仰姿态下无人机总重，单位千克；

X_俯仰--俯仰姿态下无人机航向轴质心位置，单位毫米；

Y_水平--水平姿态下无人机垂向轴质心位置，单位毫米；

θ--俯仰角度，单位度；

X_水平、Y_水平、Z_水平即为无人机空机状态的重心位置。

本发明实施例提供的一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法，用于在无法使用悬吊称重方法的机场准备库房或其它露天场地利用地秤、重锤、卷尺和机上自动驾驶仪等简单设备对无人机空机重量、重心位置进行较为精确的测量，其中机上自动驾驶仪用于测量无人机的俯仰角度，重锤和卷尺测量地秤与机头坐标原点的距离，地秤用于支撑无人机并测量重量数据。称重过程中，通过小幅调节无人机俯仰姿态获得不同状态的数据，最终利用计算公式获得重量和重心位置。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例中无人机置于地秤上，俯仰角度为零时状态示意图；

图2为本发明实施例中无人机置于地秤上，俯仰角度不为零时状态示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明实施例提供一种用于轮式起降小型无人机用称重定重心方法，水平姿态完成无人机重量，航向轴重心位置、展向轴重心位置的测量和计算，俯仰姿态在水平姿态的数据基础上通过组合计算完成无人机重量的复算和垂向重心位置的计算。该方法适用于最大起飞重量不大于200kg的轮式起降小型无人机，称重定重心测量设备由地秤、重锤、卷尺、机上自动驾驶仪组成。同时需要垫块配合无人机俯仰角变化时垫升地秤。

该方法包括以下步骤：

1)首先，机上自动驾驶仪4上电，观察自动驾驶仪4测量的无人机1俯仰角度并通过调节起落架气压值将无人机1俯仰角调节至0，随后将起落架缓冲支柱用捆扎带固定。

2)地秤3回零，参见图1，随后将无人机1推上地秤；

3)地秤数据稳定后采集质量m_前、水平、m_后、水平；使用重锤、卷尺2测量距离数据l_前、水平、l_后、水平；

4)按照计算公式解算无人机m_水平、X_水平、Y_水平、Z_水平；

计算公式如下：

m_水平＝m_前、水平+m_后、水平

X_水平＝(m_前、水平·l_前、水平+m_后、水平·l_后、水平)/m_水平

Z_水平＝(m_左、水平·l_左、水平+m_右、水平·l_右、水平)/m_水平

其中

m_水平--水平姿态下无人机总重，kg；

X_水平--水平姿态下无人机航向轴质心位置，mm；

Z_水平--水平姿态下无人机展向轴质心位置，mm；

m_前、水平--测量设备前支点传感器读数之和，kg；

l_前、水平--测量设备前支点传感器到水平姿态坐标系原点的航向轴距离，mm；

m_后、水平--测量设备后支点传感器读数之和，kg；

l_后、水平--测量设备后支点传感器到水平姿态坐标系原点的航向轴距离，mm；

5)参见图2，通过地秤3将无人机1俯仰角调整至某一较小的角度(考虑安全不超过+5°)；

6)数据稳定后采集质量m_前、俯仰、m_后、俯仰；使用重锤、卷尺2测量距离数据l_前、俯仰、1_后、俯仰，并通过自动驾驶仪4确认俯仰角θ；

7)按照计算公式解算无人机m_俯仰、X_俯仰、Y_水平；

m_俯仰＝m_前、俯仰+m_后、俯仰

X_俯仰＝(m_前、俯仰·l_前、俯仰+m_后、俯仰·l_后、俯仰)/m_俯仰

Y_水平＝(X_俯仰-cosθ·X_水平)/sinθ

该公式只适用于刚体，其中

m_俯仰--俯仰姿态下无人机总重，kg；

X_俯仰--俯仰姿态下无人机航向轴质心位置，mm；

Y_水平--水平姿态下无人机垂向轴质心位置，mm；

m_前、俯仰--测量设备前支点传感器读数之和，kg；

l_前、俯仰--测量设备前支点传感器到俯仰姿态坐标系原点的航向轴距离，mm；

m_后、俯仰--测量设备后支点传感器读数之和，kg；

l_后、俯仰--测量设备后支点传感器到俯仰姿态坐标系原点的航向轴距离，mm；

θ--俯仰角度，°。

8)通过地秤3将无人机1调至水平状态；

9)将无人机1置于地面。

本发明实施例提供的一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法，用于在无法使用悬吊称重方法的机场准备库房或其它露天场地利用地秤、重锤、卷尺和机上自动驾驶仪等简单设备对无人机空机重量、重心位置进行较为精确的测量，其中机上自动驾驶仪用于测量无人机的俯仰角度，重锤和卷尺测量地秤与机头坐标原点的距离，地秤用于支撑无人机并测量重量数据。称重过程中，通过小幅调节无人机俯仰姿态获得不同状态的数据，最终利用计算公式获得重量和重心位置。

(1)可以对无人机垂向的重心位置进行较为精确的测量；

(2)测量主要使用机上自有设备及通用工具，装置简单，成本低、可靠性高；

(3)可以在较为简单的机场库房和露天跑道进行测量工作，对场地和保障条件要求低。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种用于轮式起降小型无人机用称重定重心方法，其特征在于，无人机放置在地秤3上，无人机俯仰角变化范围在0°到10°之间，该方法适用于最大起飞重量不大于200kg的轮式起降小型无人机，包括以下步骤：

采用机上自动驾驶仪惯导设备测量无人机俯仰角度，通过调节起落架气压值将无人机1俯仰角调节至0，以无人机机头为原点O建立第一坐标系，无人机航向的相反方向作为第一坐标系X轴正向，符号表示为OX_水平，在无人机纵向对称面内垂直于OX_水平且指向上作为第一坐标系Y轴正向，符号表示为OY_水平，无人机顺航向左侧作为第一坐标系Z轴正向，Z轴与X、Y轴符合右手准则，符号表示为OZ_水平；

获取地秤3采集的质量m_前、水平、m_后、水平，通过重锤、卷尺2测量距离数据l_前、水平、l_后、水平，m_前、水平是测量设备前支点传感器读数之和，单位千克，m_后、水平是测量设备后支点传感器读数之和，单位千克，l_前、水平是测量设备前支点传感器到水平姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米，l_后、水平是测量设备后支点传感器到水平姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米；

在第一坐标系下，按照计算公式

解算无人机m_水平、X_水平、Z_水平，其中，

m_水平--水平姿态下无人机总重，单位千克；

X_水平--水平姿态下无人机航向轴质心位置，单位毫米；

Z_水平--水平姿态下无人机展向轴质心位置，单位毫米；

将无人机1俯仰角调整至某一较小的角度，以无人机机头为原点O_#建立第二坐标系，沿水平地面向后作为第二坐标系X轴正向，符号表示为O_#X_俯仰，垂直于水平地面指向上作为第二坐标系Y轴正向，符号表示为O_#Y_俯仰，Z轴通过右手准则确定，符号表示为O_#Z_俯仰；

获取地秤3采集的质量m_前、俯仰、m_后、俯仰，通过重锤、卷尺2测量距离数据l_前、俯仰、l_后、俯仰，m_前、俯仰是测量设备前支点传感器读数之和，单位千克，m_后、俯仰是测量设备后支点传感器读数之和，单位千克，l_前、俯仰是测量设备前支点传感器到俯仰姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米，l_后、俯仰是测量设备后支点传感器到俯仰姿态坐标系原点的航向轴距离，单位毫米，并通过自动驾驶仪惯导设备确认俯仰角θ；

在第二坐标系下，按照计算公式

解算无人机m_俯仰、X_俯仰、Y_水平，其中，

m_俯仰--俯仰姿态下无人机总重，单位千克；

X_俯仰--俯仰姿态下无人机航向轴质心位置，单位毫米；

Y_水平--水平姿态下无人机垂向轴质心位置，单位毫米；

θ--俯仰角度，单位度；

X_水平、Y_水平、Z_水平即为无人机空机状态的重心位置。

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