CN115639807A - 一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统 - Google Patents

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赵又群
虞志浩
黄宇昂
张桂玉
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Abstract

本发明公开了一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，属于陆空两栖车辆技术领域。首先，根据空中飞行与地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型，得到空中飞行与地面行驶模式和陆空两栖车辆的位姿间的关系；然后，设计飞行与地面行驶自由切换的控制系统，该控制系统包括：位姿与模式判断模块、模式转换预警模块、转换执行模块和位姿反馈模块；最后，对地面行驶系统与空中飞行控制系统相应的输入输出参数进行控制，实现陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换。本发明迅速完成输入信号的采集与处理工作,结构简单，成本低，并且能实时控制整车系统的运行,并确保飞行与地面行驶模式自由切换。

Description

一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统
技术领域
本发明属于陆空两栖车辆技术领域，尤其涉及一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统。
背景技术
野外环境十分恶劣,极端天气、颠簸的路面、以及高山河流往往成为重型车辆行驶的阻碍。陆空两栖车辆是一种新型智能机动平台,既能保证地面行驶,又能满足短时间的空中飞行。路面和空中的两栖运行模式，让车辆对于行驶环境的适应性大大提升。
陆空两栖车辆的控制系统相对于普通车辆更加复杂，目前还难以做到迅速完成输入信号的采集与处理工作,实时控制整车系统的运行,并确保陆空两栖车辆飞行与地面行驶模式能自由切换。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，包括如下步骤：
4)建立空中飞行与地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型，得到空中飞行与地面行驶模式和陆空两栖车辆的位姿间的关系；
5)构建飞行与地面行驶自由切换的控制系统，所述控制系统包括：位置与模式判断模块、模式转换预警模块、转换执行模块；
6)对地面行驶系统与空中飞行控制系统相应的输入输出信号进行控制，实现陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换。
优选的，步骤1)中空中飞行的陆空两栖车辆的运动模型为：
Figure BDA0003780037750000011
Figure BDA0003780037750000012
Figure BDA0003780037750000021
其中
Figure BDA0003780037750000022
分别为陆空两栖车辆在地面坐标系下x、y、z轴上的加速度；F为旋翼受到拉力，X为叶端损失系数，KT为拉力修正系数，σ为旋翼实度，C为旋桨的升力系数，
Figure BDA0003780037750000023
分别为横滚角、俯仰角和偏航角的导数，p、q和r为陆空两栖车辆绕x、y和z轴的角速度，m为陆空两栖车辆整体的质量，g为重力系数；
在地面坐标系上以陆空两栖车辆的质心为原点建立车体坐标系，车体坐标系原点在地面坐标系上的坐标为(X,Y)，地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型为：
Figure BDA0003780037750000024
其中(X0,Y0)为陆空两栖车辆在地面坐标系下的坐标，
Figure BDA0003780037750000025
为陆空两栖车辆运行状态下的偏角，
Figure BDA0003780037750000026
为偏航角，
Figure BDA0003780037750000027
为坐标系转换的角度，L为陆空两栖车辆的轴距，v0为陆空两栖车辆行驶速度。
优选的，所述位置与模式判断模块包括气压计与加速度计，判断陆空两栖车辆当前所处位置及模式；模式转换预警模块包括多方位超声波传感器，在探测到需要进行飞行与地面模式转换的信号后，向转换执行机构发出转换预警信号；转换执行模块包括空中飞行的旋翼和地面行驶的车轮，在未接收到转换预警信号时保障陆空两栖车辆的驱动运行，在接受到转换预警信号后完成飞行或地面行驶的模式切换。
优选的，步骤2)中：对于位置与模式判断模块：
位置判断：通过绝对压强与海拔高度的转换关系得到陆空两栖车辆当前所处的海拔高度H：
Figure BDA0003780037750000028
式中：P为气压计采集当前位置的大气压值，P0为标准的大气压值；
位置判断中得到海拔高度H后对其进行校正，步骤为：
求解N次海拔高度值的总和H_sum：
Figure BDA0003780037750000031
其中N为海拔高度值个数，H(i)为第i次海拔高度值；
求解N次海拔高度值的平均值H_average：
H_average＝H_sum/N
求解陆空两栖车辆相对于初始位置的相对高度值relative_H：
relative_H＝H-H_average；
relative_H即为陆空两栖车辆当前所处位置；
模式判断：通过加速度计采集三轴加速度，并通过三轴加速度的矢量和提取运动特征，
计算三轴加速度矢量和：
Figure BDA0003780037750000032
式中A_XYZ表示三轴加速度矢量和，A_X表示X轴方向上的加速度值，A_Y表示Y轴方向上的加速度值，A_Z表示Z轴方向上的加速度值；
LA＞A
其中A为判断陆空两栖车辆是否处于空中飞行模式的阈值，且A＞0，LA为三轴加速度矢量和A_XYZ低通滤波之后得到的值，如果LA＞A,则陆空两栖车辆处于空中飞行模式，否则，陆空两栖车辆为地面行驶模式。
优选的，根据气压计、陀螺仪、加速度计和多方位超声波传感器的信号输出构建控制表，用1代表有信号变化输出，0代表无信号变化输出，F表示空中模式，G表示地面模式；步骤2)中对于模式转换预警模块，信号为(1,1,1,1)时，表示陆空两栖车辆正处于空中飞行模式，并多方位超声波传感器探测到需要进行模式转变的信号时，模式转换预警模块发出信号，陆空两栖车辆落回地面；信号为(0,0,0,0)时，表示陆空两栖车辆已完成陆地模式下的避障，模式转换预警模块发出信号，指挥陆空两栖车辆再次进行起飞，其他状态均为陆空两栖车辆运行过程中的位姿调整姿态。
本发明提供了一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，能迅速完成输入信号的采集与处理工作,结构简单，成本低，并且能实时控制整车系统的运行,并确保飞行与地面行驶模式自由切换。
附图说明
图1是本发明一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的框图；
图2是本发明一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的原理图；
图3是本发明一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的位置与模式判断模块示意图；
图4是本发明一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的模式转换控制模型
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
步骤1，本控制系统在空中飞行过程中，其运动有6个自由度:前后(进退运动)；上下(升降运动)；左右(侧向移动)；俯仰运动；偏航运动；滚转运动。前三个反映了系统的中心运动,即线运动；后三个反映了系统绕重心的运动，即角运动。
根据旋翼的叶素理论，高度方向上可将受力简化为除重力和升力外不受其他力,同时不考虑翼型的影响，旋翼受到拉力F为
Figure BDA0003780037750000041
式(1)中，X为叶端损失系数；KT为拉力修正系数；σ为旋翼实度；C为旋桨的升力系数。
将单旋翼模型的绝对速度v按机体坐标系分解，建立模型在x、y、z三轴下的线运动方程，即
Figure BDA0003780037750000051
式(2)中，u、v、ω分别为单旋翼模型空速在x、y和z轴上的投影；p、q和r为系统绕x、y和z轴的角速度；m为系统整体的质量。
为了描述系统相对于地面的运动，还需要对系统在空中运行的三种姿态：俯仰、横滚、偏航运动进行分析，并得到各运动与系统间的角运动方程为
Figure BDA0003780037750000052
式(3)中，θ、
Figure BDA0003780037750000053
ψ分别为横滚角、俯仰角和偏航角。
通过空地坐标系转换，得到地面坐标系下，系统空中运动控制公式为
Figure BDA0003780037750000054
式(4)中，
Figure BDA0003780037750000055
分别为处于空中飞行模式时飞行与地面行驶自由切换的控制系统地面坐标系下x、y、z轴上的加速度；g为重力系数。
步骤2，地面运行状态下，在地面坐标系上以车体质心为原点建立车体坐标系，车体坐标系原点在地面坐标系上的坐标为(X,Y)。二自由度车体运动学模型公式为
Figure BDA0003780037750000061
式(5)中，
Figure BDA0003780037750000062
分别为车体在x轴上的速度、y轴上的速度、以及航向角速度；v0为系统行驶速度；
Figure BDA0003780037750000063
为系统运行状态下的偏角；
Figure BDA0003780037750000064
为偏航角；L为车体轴距。
经坐标转换计算得到系统的陆地运动控制方程为
Figure BDA0003780037750000065
式(6)中，(X0,Y0)为车体在地面坐标系下的坐标，
Figure BDA0003780037750000066
为坐标系转换的角度。
根据陆空两栖车辆在空中飞行与地面行驶的运动模型，得到陆空两栖车辆在空中飞行与地面行驶模式与位姿间的关系，通过陆空两栖车辆运动与姿态控制量关系完成控制部分的研究与设计。
步骤3，如图1、图2所示，陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统包括：位姿与模式判断模块、模式转换预警模块、转换执行模块和系统位姿反馈模块。
位姿与模式判断模块由气压计与加速度计组成，判断系统当前所处的陆空模式及计算得到系统所处位置；气压计是用于测量气体的绝对压强的一种仪器，其所处海拔高度值发生变化时，采集到的压强值相应发生变化，因此通过压强与海拔高度的转换关系，通过压强值即可计算出相应的海拔高度值，转换公式如下。
Figure BDA0003780037750000067
式中：H表示海拔高度，单位为m，P为气压传感器采集当前位置的大气压值，P0为标准的大气压值。
为了将其输出的海拔高度值从零开始记录，先对其转换后的海拔高度值进行校正，校正公式如下：
Figure BDA0003780037750000071
上式为初始化情况下的静止状态中前N次海拔高度值H的求和公式，其中N为海拔高度值个数，H_sum为N次海拔高度值的总和。
H_average＝H_sum/N
上式为N次初始数据求平均值的公式，其中H_average为平均值。
relative_H＝Height-H_average
上式为校正后的相对高度值公式，其中relative_H为载体相对于初始位置的相对高度值。
加速度计传感器对于待测物加速度具有较高的灵敏度，能较好的识别传感器的运动特性，本文主要针对于传感器上下运动特征提取。
加速度传感器由于安装角度不一样，传感器采集到的X、Y、Z三轴加速度值不同，为了解决这一问题，本文采用三轴加速度矢量和的值提取运动特征，三轴合加速度受安装角度影响不大。三轴加速度矢量和的计算如下：
Figure BDA0003780037750000072
式中A_XYZ表示三轴加速度矢量和的值，A_X表示X轴方向上的加速度值，A_Y表示Y轴方向上的加速度值，A_Z表示Z轴方向上的加速度值；
气压计与加速度计信息协同融合结构如图3所示.
其中，P为气压计采集到的压强值，H为海拔高度，LH为海拔高度H低通滤波过后得到的值；A_XYZ为加速度计采集到的三轴加速度矢量和的值，LA为A_XYZ低通滤波之后得到的值，D_XYZ为三轴加速度矢量和的斜率值的绝对值；A为判断载体是否处于空中飞行模式的阈值，且A＞0，如果LA＞A,则载体处于空中飞行模式，否则，载体为地面行驶状态。
模式转换预警模块由多方位超声波传感器组成，在探测到诸如遇到障碍物等需要进行飞行与地面模式转换的信号后，向转换执行机构发出转换预警信号；转换执行模块由空中系统的旋翼和地面系统的车轮组成，在未接收到转换预警信号时保障整体系统的驱动运行，在接受到转换预警信号后完成飞行或地面行驶的模式切换；系统位姿反馈模块由系统运行时的外部空间状态组成，由多传感器采集处理反馈到整体系统，实现系统的完整闭环控制。
步骤4，对地面行驶系统与空中飞行控制系统相应的输入输出参数进行控制，如图3所示，通过多传感器信号融合后的结果，判断系统当前模式，并根据超声波传感器探测的信号发出指令进行模式切换。信号为(1,1,1,1)时，表示系统正处于空中模式，并探测到需要进行模式转变如遇到障碍物的信号，模式转换预警模块发出信号，控制系统落回地面；信号为(0,0,0,0)时，表示系统已完成陆地模式下的避障，模式转换预警模块发出信号，指挥系统再次进行起飞，其他状态均为系统运行过程中的位姿调整姿态。
如下表所示：
Figure BDA0003780037750000081
如图4所示，根据系统模式控制表，建立模式转换控制模型Transform，其中：Gap、Height、Switch、Stop分别为障碍物信号、高度控制信号、模式转换预警信号和停止信号；Begin、Fly、Hover、Run、Locate、Stop分别为启动、空中模式、悬停模式、地面模式、降落模式、停止；fly、run分别为空地运行信号。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

Claims (5)

1.一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立空中飞行与地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型，得到空中飞行与地面行驶模式和陆空两栖车辆的位姿间的关系；
2)构建飞行与地面行驶自由切换的控制系统，所述控制系统包括：位置与模式判断模块、模式转换预警模块、转换执行模块；
3)对地面行驶系统与空中飞行控制系统相应的输入输出信号进行控制，实现陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换。
2.如权利要求1所述的一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，步骤1)中空中飞行的陆空两栖车辆的运动模型为：
Figure FDA0003780037740000011
Figure FDA0003780037740000012
Figure FDA0003780037740000013
其中
Figure FDA0003780037740000014
分别为陆空两栖车辆在地面坐标系下x、y、z轴上的加速度；F为旋翼受到拉力，X为叶端损失系数，KT为拉力修正系数，σ为旋翼实度，C为旋桨的升力系数，
Figure FDA0003780037740000015
分别为横滚角、俯仰角和偏航角的导数，p、q和r为陆空两栖车辆绕x、y和z轴的角速度，m为陆空两栖车辆整体的质量，g为重力系数；
在地面坐标系上以陆空两栖车辆的质心为原点建立车体坐标系，车体坐标系原点在地面坐标系上的坐标为(X,Y)，地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型为：
Figure FDA0003780037740000021
其中(X0,Y0)为陆空两栖车辆在地面坐标系下的坐标，
Figure FDA0003780037740000022
为陆空两栖车辆运行状态下的偏角，
Figure FDA0003780037740000023
为偏航角，
Figure FDA0003780037740000024
为坐标系转换的角度，L为陆空两栖车辆的轴距，v0为陆空两栖车辆行驶速度。
3.如权利要求2所述的一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，所述位置与模式判断模块包括气压计与加速度计，判断陆空两栖车辆当前所处位置及模式；模式转换预警模块包括多方位超声波传感器，在探测到需要进行飞行与地面模式转换的信号后，向转换执行机构发出转换预警信号；转换执行模块包括空中飞行的旋翼和地面行驶的车轮，在未接收到转换预警信号时保障陆空两栖车辆的驱动运行，在接受到转换预警信号后完成飞行或地面行驶的模式切换。
4.如权利要求3所述的一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，步骤2)中：对于位置与模式判断模块：
位置判断：通过绝对压强与海拔高度的转换关系得到陆空两栖车辆当前所处的海拔高度H：
Figure FDA0003780037740000025
式中：P为气压计采集当前位置的大气压值，P0为标准的大气压值；
位置判断中得到海拔高度H后对其进行校正，步骤为：
求解N次海拔高度值的总和H_sum：
Figure FDA0003780037740000026
其中N为海拔高度值个数，H(i)为第i次海拔高度值；
求解N次海拔高度值的平均值H_average：
H_average＝H_sum/N
求解陆空两栖车辆相对于初始位置的相对高度值relative_H：
relative_H＝H-H_average；
relative_H即为陆空两栖车辆当前所处位置；
模式判断：通过加速度计采集三轴加速度，并通过三轴加速度的矢量和提取运动特征，
计算三轴加速度矢量和：
Figure FDA0003780037740000031
式中A_XYZ表示三轴加速度矢量和，A_X表示X轴方向上的加速度值，A_Y表示Y轴方向上的加速度值，A_Z表示Z轴方向上的加速度值；
LA＞A
其中A为判断陆空两栖车辆是否处于空中飞行模式的阈值，且A＞0，LA为三轴加速度矢量和A_XYZ低通滤波之后得到的值，如果LA＞A,则陆空两栖车辆处于空中飞行模式，否则，陆空两栖车辆为地面行驶模式。
5.如权利要求3所述的一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，根据气压计、陀螺仪、加速度计和多方位超声波传感器的信号输出构建控制表，用1代表有信号变化输出，0代表无信号变化输出，F表示空中模式，G表示地面模式；步骤2)中对于模式转换预警模块，信号为(1,1,1,1)时，表示陆空两栖车辆正处于空中飞行模式，并多方位超声波传感器探测到需要进行模式转变的信号时，模式转换预警模块发出信号，陆空两栖车辆落回地面；信号为(0,0,0,0)时，表示陆空两栖车辆已完成陆地模式下的避障，模式转换预警模块发出信号，指挥陆空两栖车辆再次进行起飞，其他状态均为陆空两栖车辆运行过程中的位姿调整姿态。
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CN117227372A (zh) * 2023-11-10 2023-12-15 青岛海洋地质研究所 一种空海两栖航行器的水面航行切换系统

Cited By (2)

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