CN111896175A - 一种用于测量飞机动态重心的系统、方法和可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量飞机动态重心的系统、方法和可读存储介质，属于无人机领域，可以实现发射瞬间飞机动态重心的精确测量，其中系统包括水平吊杆、倾角仪、第一称重传感器、第二称重传感器和设于飞机油箱的泻油口，水平吊杆悬置，水瓶吊杆安装倾角仪，水平吊杆两端分别安装第一称重传感器和第二称重传感器，第一称重传感器用于连接飞机的前吊点，第二称重传感器用于连接飞机的后吊点。

Description

一种用于测量飞机动态重心的系统、方法和可读存储介质

技术领域

本发明属于无人机领域，具体的，涉及一种用于测量飞机动态重心的系统、方法和可读存储介质。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前无人机重心测量的方法主要有千斤顶法和机轮法。千斤顶法即将飞机放置三种姿态：水平姿态，抬头姿态和低头姿态进行称重，然后利用解析法计算得到飞机重心的坐标值。但千斤顶法随着飞机姿态角的增加，测量误差逐渐增大，不适用发射时抬头姿态大于4°的无人机重心测量。机轮法即将飞机放置三种不同的姿态：水平姿态、两个抬头姿态，将测得的重量数据通过利用向量法得到的公式进行计算，得到重心坐标值。

发明人认为，对于火箭助推零长发射的无人机系统而言，由于其在地面准备发射阶段会消耗部分的燃油，发射瞬间的重心与满油状态的重心坐标值不同。由于油箱具体的设计结构，发射瞬间与长时间静置情况下，燃油在油箱内的分布有较大差异，所以能够精确测得发射瞬间的重心坐标值显得尤其重要，不精确的测量可能导致无人机发射失败。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于测量飞机动态重心的系统、方法和可读存储介质，可以实现发射瞬间飞机动态重心的精确测量。

本发明的第一目的，是提供一种用于测量飞机动态重心的系统。

本发明的第二目的，是提供一种用于测量飞机动态重心的方法。

本发明的第三目的，是提供一种用于测量飞机动态重心的可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现的：

第一方面，本发明的技术方案提供了一种用于测量飞机动态重心的系统，包括水平吊杆、倾角仪、第一称重传感器、第二称重传感器和设于飞机油箱的泻油口，水平吊杆悬置，水瓶吊杆安装倾角仪，水平吊杆两端分别安装第一称重传感器和第二称重传感器，第一称重传感器用于连接飞机的前吊点，第二称重传感器用于连接飞机的后吊点。

第二方面，本发明的技术方案提供了一种用于测量飞机动态重心的方法，使用如第一方面所述的一种用于测量飞机动态重心的系统，将飞机放置水平，读取水平吊杆的倾角仪读数；倾角仪示数为0时，读取前后吊点的称重传感器读数；根据力矩平衡原理，计算飞机满油状态下重心坐标值；

以恒定速率泻油，记录第一称重传感器和第二称重传感器的示数变化及其同步倾角仪示数的变化；计算各个瞬间飞机重心的坐标值及其在X轴方向的变化趋势。

第三方面，本发明的技术方案还提供了一种可读存储介质，所述介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述方法的步骤。

上述本发明的技术方案的有益效果如下：

1)本发明公开的方法，计算方式简便，将复杂的计算方式与实际运用结合，推算出一种计算简单的重心测量方法，避免了机轮法中测量因素过多引起的误差，同时也能够适应于计算大倾角的情况。

2)本发明公开的方法，可测量瞬间重心，无须在同一总重下进行两次抬头姿态测量，通过泻油即可完成测量，便于测量发射瞬间燃油分布不均情况下的重心。

3)本发明公开的方法，测量方便，计算只需用到前后吊点的重量值及倾角值，测量过程简单。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的系统构成示意图，

图2是本发明根据一个或多个实施方式的测量要素示意图。

图中：1、航吊，2、水平吊杆，3、倾角仪，4、第二称重传感器，5、第一称重传感器，6、前吊点，7、后吊点，8、泻油口，9、油泵，10、油桶。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于测量飞机动态重心的系统、方法和可读存储介质，该装置可以实现发射瞬间飞机动态重心的精确测量。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，实施例1公开了一种用于测量飞机动态重心的系统，包括航吊1、水平吊杆2、倾角仪3、第二称重传感器4、第一称重传感器5、前吊点6、后吊点7、泻油口8和油桶10，其具体连接关系为，水平吊杆2顶侧连接航吊1，水瓶吊杆顶侧还设有倾角仪3，水平吊杆2前侧连接第一称重传感器5，第一称重传感器5连接飞机的前吊点6，水瓶吊杆的后侧连接第二称重传感器4，第二称重传感器4连接飞机的后吊点7；飞机的油箱开设有泻油口8，飞机底侧设有油桶10，从泻油口8中泻出的油流至油桶10。

本实施例还包括服务器，服务器能够与第一称重传感器5和第二称重传感器4通信，以获得第一称重传感器5和第二称重传感器4的测量数据；服务器还能够与倾角仪3通信，以获得倾角仪3的测量数据。

为了便于快速测量，泻油口8通过管件连通油桶10，且管件上设有油泵9，以加快飞机油箱内燃料油的流出速度。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，一种用于测量飞机动态重心的方法，使用如实施例1所述的系统，包括如下步骤：

将燃油注入燃油箱内，至满油状态；

利用千斤顶法或者机轮法测得无人机满油状态下重心坐标值，其中包含X,Y,Z值；

将无人机用2个吊点水平吊起，在吊点放置重量测量仪器，也即所述第一称重传感器5和第二称重传感器4，将油箱的泻油口接一个油泵，利用油泵控制泻油速度，控制泻油速率及泻油量；

在吊杆放置倾角仪，监测飞机倾角；

调整油泵，使得泻油口的泻油速率与流量与无人机发射时状态一致。打开油泵开关，开始泻油；

记录各个吊点的重量值，并记录。

无人机飞行试验前的重心测量对无人机的成功发射具有重大意义，是无人机首飞及交付前的一项重要地面试验内容，其测量原理是利用静力学的作用与反作用定律、力和力矩平衡原理。千斤顶法或者机轮法的基本过程是在无人机机体起落架处或者设置的吊点处放置重量测量仪器，根据各处测得的重量值及其至力矩平衡点处的距离值，根据静力学的作用与反作用定律、力和力矩平衡原理进行计算，得到重心的坐标值。

本实施例部分使用了机轮法进行计算，机轮法是将飞机的机轮放置在三个电子秤平台上(分别对应前、主三个机轮)，一般将飞机放置三种不同姿态：停机/水平姿态以及两个抬头姿态，重量通过传感器测出，重心根据力矩平衡原理采用解析法求出。由于机轮为圆形,而与之接触的秤平面为水平面，所以理论上机轮作用于秤平面的压力垂直向下，安装于秤平面下的传感器可以完全测到(轴向力)，因此不论飞机是抬头还是低头，由于机轮作用于秤平面的压力一直向下，没有水平方向的分力，所以理论上各姿态传感器测得的飞机重量都相同。将机轮放置在三个电子秤平台上(分别对应前主三个机轮)，然后将前轮拾至两个不同高度(HI、H2)后，可以理解的是，前轮两个不同高度可以分别得到倾角θ₁和θ₂，进行重量测定及相关距离参数的测量，便可计算出飞机沿纵轴方向和横轴方向的坐标值。

在计算时，首先对无人机满油状态下重心坐标值X′、Y′进行表示，采用机轮法的计算方法，将X′、Y′与飞机重量、前后吊点距离、前后吊点重量值、前后吊点距离水平面高度、前后吊点距离在水平面的投影长度之间的关系；使用获得的倾角数据，将无人机满油状态下中心坐标值X′、Y′表示为与倾角数据、前后吊点距离、前后吊点重量值、前后吊点距离在水平面的投影长度之间的关系；

联立以上两种表示方法，假设起飞时的飞机重心点坐标值分别为X″、Y″，实际应用过程中，燃油的消耗对Y轴方向的重心坐标值影响不大，其主要影响在X轴方向，则可假设满油状态下测得的Y轴方向的重心坐标值与满油状态下测得的Y轴方向的重心坐标值相同，并假设第一次抬头的角度为0°；通过机轮法公式计算，使用前后吊点之间的距离、第二次抬头时前吊点重量值、飞机总重、第二次抬头倾角、满油状态下测得的Y轴方向的重心坐标值得到起飞时的X轴方向的飞机重心点坐标值。

因此，本实施例的计算过程中，测得满油水平状态下的重心值，然后匀速放油，记录前后吊点的重量值及倾角值，即可求得发射瞬间重心的坐标值。相对于机轮法，增加了匀速放油的过程，改变了测量的倾角，减轻了多次多点测量的误差带来的不确定性。

关于具体的计算过程，如下所述，请参考图1，图1示出了飞机坐标系，以X′、Y′分别表示满油状态下飞机在图1中的重心坐标值，由机轮计算公式可得：

其中：

H1表示前吊点第一次抬高时，前吊点离水平面的高度；

H2表示前吊点第二次抬高时，前吊点离水平面的高度；

h1表示前吊点第一次抬高时，后吊点离水平面的高度；

h2表示前吊点第二次抬高时，后吊点离水平面的高度；

B1表示前吊点第一次抬高时，前、后吊点之距在水平面的投影；

B2表示前吊点第二次抬高时，前、后吊点之距在水平面的投影；

PH1表示前吊点第一次抬高时，前吊点重量值；

PH2表示前吊点第二次抬高时，前吊点重量值；

G表示飞机总重；

L表示前后吊点之间的距离；

由以上两式可知：

其中:

θ₁表示第一次抬头时，前后吊点的连线与水平面之间的夹角；

θ₂表示第二次抬头时，前后吊点的连线与水平面之间的夹角；

实际应用过程中，燃油的消耗对Y轴方向的重心坐标值影响不大，其主要影响在X轴方向。则可假设满油状态下测得的Y轴方向的重心坐标值(Y₀)。

设θ₁＝0°，将tanθ₁＝0、代入上述公式，经推导可知：

Y”＝Y₀ (4)

其中：

Y₀表示满油状态下测得的Y轴方向的重心坐标值。

由公式(3)和公式(4)可知，测得满油时水平状态下的重心值，然后匀速放油，记录前后吊点的重量值及倾角值，即可求得发射瞬间重心的坐标值。

打开油泵，以一定泻油速率泻油时，记录前后吊点称重传感器的示数变化及其同步倾角仪示数的变化。通过公式(3)计算各个瞬间飞机重心的坐标值及其在X轴方向的变化趋势。

实施例3

本发明的一种典型的实施方式中，实施例3公开了一种可读存储介质，存储有实施实施例1所述计算的方法的计算机程序。具体的存储介质可以是U盘、光盘、硬盘等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测量飞机动态重心的系统，其特征在于，包括水平吊杆、倾角仪、第一称重传感器、第二称重传感器和设于飞机油箱的泻油口，水平吊杆悬置，水瓶吊杆安装倾角仪，水平吊杆两端分别安装第一称重传感器和第二称重传感器，第一称重传感器用于连接飞机的前吊点，第二称重传感器用于连接飞机的后吊点。

2.如权利要求1所述的一种用于测量飞机动态重心的系统，其特征在于，所述水平吊杆的顶侧还设有航吊，所述水平吊杆的顶侧连接航吊。

3.如权利要求1所述的一种用于测量飞机动态重心的系统，其特征在于，所述泻油口的底侧还设有用于承接的从泻油口中泻出的燃油的油桶。

4.如权利要求2所述的一种用于测量飞机动态重心的系统，其特征在于，所述泻油口与所述油桶之间设有管件，管件的顶端连通泻油口，管件还设有油泵。

5.如权利要求1所述的一种用于测量飞机动态重心的系统，其特征在于，所述第一称重传感器、第二称重传感器和倾角仪还能够与服务器通信，服务器用于记录所述第一称重传感器、第二称重传感器和倾角仪的测量数据。

6.一种用于测量飞机动态重心的方法，其特征在于，使用如权利要求1～5任意一项所述的一种用于测量飞机动态重心的系统，将飞机放置水平，读取水平吊杆的倾角仪读数；倾角仪示数为0时，读取前后吊点的称重传感器读数；根据力矩平衡原理，计算飞机满油状态下重心坐标值；

以恒定速率泻油，记录第一称重传感器和第二称重传感器的示数变化及其同步倾角仪示数的变化；计算各个瞬间飞机重心的坐标值及其在X轴方向的变化趋势。

7.如权利要求6所述的一种用于测量飞机动态重心的方法，其特征在于，各个瞬间飞机重心的坐标值包括起飞瞬间飞机重心的坐标值。

8.如权利要求7所述的一种用于测量飞机动态重心的方法，其特征在于，计算起飞瞬间飞机重心的坐标值，包括以下步骤：

对无人机满油状态下重心坐标值X′、Y′进行表示，采用机轮法的计算方法，将X′、Y′与飞机重量、前后吊点距离、前后吊点重量值、前后吊点距离水平面高度、前后吊点距离在水平面的投影长度之间的关系；使用获得的倾角数据，将无人机满油状态下中心坐标值X′、Y′表示为与倾角数据、前后吊点距离、前后吊点重量值、前后吊点距离在水平面的投影长度之间的关系；

设起飞时的飞机重心点坐标值分别为X″、Y″，设Y″与满油状态下测得的Y轴方向的重心坐标值相同，并假设第一次抬头的角度为0°；

通过机轮法公式计算，使用前后吊点之间的距离、第二次抬头时前吊点重量值、飞机总重、第二次抬头倾角、满油状态下测得的Y轴方向的重心坐标值得到起飞时的X轴方向的飞机重心点坐标值。

9.如权利要求6所述的一种用于测量飞机动态重心的方法，其特征在于，根据力矩平衡原理，计算飞机满油状态下重心坐标值时，采用机轮法。

10.一种可读存储介质，所述介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6-9中任一项所述方法的步骤。

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