CN116901911B

CN116901911B - 一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法

Info

Publication number: CN116901911B
Application number: CN202311163398.6A
Authority: CN
Inventors: 熊仁和; 余清思; 卫海粟; 聂小然; 张万民; 郝文清; 成杰元
Original assignee: Sichuan Tengdun Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Tengdun Technology Co Ltd
Priority date: 2023-09-11
Filing date: 2023-09-11
Publication date: 2023-12-22
Anticipated expiration: 2043-09-11
Also published as: CN116901911A

Abstract

本发明公开了一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，涉及无人机刹车压力设计领域，包括：首先选取最大可用摩擦系数与无人机前进速度的对应关系；再计算刹车片之间的平均摩擦系数、最大刹车力矩；然后计算接地速度；进而计算可以开始刹车的最大速度；再计算刹车时对应的主轮载荷、最大可用刹车压力；最后计算不同重量、不同机场大气密度下的刹车与速度对应关系，结合无人机重量、使用限制，给定通用型自主刹车控制逻辑；本发明，可计算不同工况下的道面‑重量‑机场‑速度‑压力对应关系，根据无人机重量特性、使用限制，选取不同工况中的最小刹车压力，既能降低控制逻辑的复杂度，又能在保障安全着陆的同时实现高效刹车。

Description

一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法

技术领域

本发明涉及无人机刹车压力设计领域，具体涉及一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

飞机刹车装置系统是保障飞机顺利着陆最基本的系统，其中飞机防滑刹车控制是实现高效刹车的核心，而防滑刹车控制的关键是使刹车时的等效摩擦系数不大于地面可用摩擦系数。

为降低无人机制造成本，无人机可采用未装配防滑刹车系统的低成本刹车装置，通过自主压力控制逻辑使得无人机刹车时的等效摩擦系数低于地面可用摩擦系数，以达到防滑的目的。此外，低成本刹车装置的刹车能量有限，无人机应在着陆滑跑动能不大于刹车能量时开始刹车，以到达减缓机轮疲劳损伤、避免因刹车能量超限而引发安全事故的目的。

前三点式起落架由一个前轮和两个主轮组成，对于前三点式起落架飞机，在使用刹车后，主要控制主轮的刹车压力，在滑跑过程中，前轮载荷会随着主轮刹车压力、飞机升力、飞机前进推力的变化而改变，主轮载荷也因此变化，需根据刹车压力、主轮载荷和地面可用摩擦系数计算当前速度所对应的可用刹车压力。因此，需要设计一套既能防滑又能防止刹车能量超限，且考虑主轮载荷变化的自主逻辑来控制刹车压力进行减速滑跑控制。

无人机的刹车控制逻辑主要是通过判断飞机前进速度来给定刹车压力。对于不同的着陆滑跑道面，其最大可用摩擦系数不同，因此同一重量着陆，其最大可用刹车压力不同；对于不同的着陆重量，由于主轮载荷不同，最大可用刹车压力不同；对于同一重量在不同海拔高度着陆，由于大气密度不同引起升力不同再引起主轮载荷不同，最大可用刹车压力不同。因此需要考虑多个维度来控制刹车压力，使得既能安全着陆又能实现高效刹车。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中存在的问题，提供了一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，在低成本刹车装置无防滑刹车系统情况下，根据刹车装置试验数据，在防止刹车能量超限、防止前三点式无人机打滑的基础上，结合无人机重量、使用限制，设计出简单可靠的无人机自主刹车控制逻辑，从而解决了上述问题。

本发明的技术方案如下：

一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，包括：

步骤S1：根据轮胎特性、道面类型选取最大可用摩擦系数与无人机前进速度的对应关系；

步骤S2：根据刹车装置台架试验数据计算刹车片之间的平均摩擦系数、最大刹车力矩；

步骤S3：根据机场大气密度、着陆重量计算接地速度；

步骤S4：根据刹车最大能量和速度减少量计算可以开始刹车的最大速度；

步骤S5：结合刹车片之间的平均摩擦系数、最大刹车力矩，根据当前速度对应的最大可用摩擦系数计算刹车时对应的主轮载荷、最大可用刹车压力；

步骤S6：计算不同重量、不同机场大气密度下的刹车与速度对应关系，结合无人机重量、使用限制，给定通用型自主刹车控制逻辑。

进一步地，所述步骤S1，包括：

根据轮胎填充压力、轮胎纹路类型、着陆滑跑道面类型选取最大可用摩擦系数与无人机前进速度/>的对应关系。

进一步地，所述步骤S2，包括：

根据同一刹车压力对应的刹车力矩/>求取刹车片之间的平均摩擦系数/>；

根据最大刹车压力和平均摩擦系数/>计算最大刹车力矩/>。

进一步地，所述步骤S3，包括：

式中：

为接地速度；

为无人机着陆重量；

为重力加速度；

为着陆机场大气密度；

为机翼面积；

为无人机着陆接地时的升力系数；

令刹车前速度。

进一步地，所述步骤S4，包括：

步骤S41：计算可以开始刹车的最大速度；

步骤S42：根据可以开始刹车的最大速度和刹车前速度/>，计算刹车时速度/>。

进一步地，所述步骤S41，包括：

式中：

为刹车能量系数；

为可以开始刹车时的最大动能；

所述步骤S42，包括：

若，令/>，继续执行步骤S41，/>为速度减少量；

若，令刹车时速度/>，继续执行步骤S5。

进一步地，所述可以开始刹车时的最大动能通过如下公式计算：

式中：

为刹车最大能量；

为发动机推力；

为气动阻力；

为地面摩擦阻力。

进一步地，所述步骤S5，包括：

步骤S51：通过主轮载荷占总轮载荷的比例系数计算初始主轮载荷；

步骤S52：根据与/>的对应关系，确定刹车时速度/>对应的最大可用摩擦系数为/>；

步骤S53：基于初始主轮载荷和刹车时速度/>对应的最大可用摩擦系数，计算初始可用刹车力矩/>；其中，当初始可用刹车力矩/>大于最大刹车力矩/>时，令/>；

步骤S54：计算刹车时的前轮载荷；

步骤S55：计算刹车时的主轮载荷；

步骤S56：计算刹车时的最大可用力矩；

步骤S57：根据平均摩擦系数计算刹车时的最大可用刹车压力/>；其中，当时，令/>；

步骤S58：若，令/>，继续执行步骤S5；若/>，则执行步骤S6。

进一步地，所述步骤S51，包括：

式中：

为刹车时速度/>对应的升力；

为主轮载荷占总轮载荷的比例系数；

步骤S53，包括：

式中：

为轮胎滚动时的半径；

步骤S54，包括：

式中：

为无人机重心到刹车装置的垂线；

为前轮到重心前限的水平距离；

为主轮到重心前限的水平距离；

为无人机重心到发动机拉力线的垂线；

为滚动摩擦系数；

所述步骤S55，包括：

所述步骤S56，包括：

所述步骤S57，包括：

式中：

为摩擦面的数量；

为活塞数量；

为单个活塞面积；

为摩擦面大径；

为摩擦面小径；

为刹车压力损失量。

进一步地，所述刹车时速度对应的升力/>通过如下公式计算：

式中：

为滑跑时的升力系数。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，在综合考虑道面类型、不同着陆重量、不同着陆机场、刹车能量限制、主轮载荷变化因素条件下，计算无人机从着陆接地至刹停过程中任一速度对应的最大可用刹车压力；根据无人机重量特性、使用限制，选取不同工况中的最小刹车压力，既降低刹车控制逻辑的复杂度，又能在保障安全着陆的同时实现高效刹车。

2、一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，可计算不同工况下的道面-重量-机场-速度-压力对应关系，根据无人机重量特性、使用限制，选取不同工况中的最小刹车压力，既能降低控制逻辑的复杂度，又能在保障安全着陆的同时实现高效刹车。

附图说明

图1为一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法的流程图；

图2为实施例二中不同重量速度-刹车压力对应关系图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

请参阅图1，一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，具体包括：

步骤S3：根据机场大气密度、着陆重量计算接地速度；

步骤S6：计算不同重量、不同机场大气密度下的刹车与速度对应关系，结合无人机重量、使用限制，给定通用型自主刹车控制逻辑；即给定各重量下的速度-刹车压力对应关系。

在本实施例中，具体的，所述步骤S1，包括：

根据轮胎填充压力、轮胎纹路类型、着陆滑跑道面类型选取最大可用摩擦系数与无人机前进速度/>的对应关系；需要说明的是，地面最大可用摩擦系数/>与轮胎压力/>、道面类型及无人机前进速度/>有关，《飞机设计手册第14册起飞着陆系统设计》对此进行了说明，即根据刹车装置的轮胎压力/>、以及无人机常降机场的道面类型选取与/>的对应关系，为本领域技术人员应当知晓的，在此不再进行赘述。

在本实施例中，具体的，刹车装置在出厂前，会测试同一刹车压力对应的刹车力矩/>；

刹车压力与刹车力矩/>对应关系为：

其中，为刹车片之间的摩擦系数；/>为摩擦面的数量；/>为刹车压力损失量；/>为活塞数量；/>为单个活塞面积；/>为摩擦面大径；/>为摩擦面小径；

台架试验数据表明刹车压力一定时，刹车力矩/>会出现小范围波动，是因为刹车片之间的摩擦系数/>发生微小变化，因此需要根据同一刹车压力/>对应的刹车力矩求取刹车片之间的平均摩擦系数/>；并根据最大刹车压力/>和平均摩擦系数计算最大刹车力矩/>；

即在本实施例中，具体的，所述步骤S2，包括：

根据最大刹车压力和平均摩擦系数/>计算最大刹车力矩/>；需要说明的是，步骤S2中的计算过程属于本领域技术人员知晓的，在此不再进行赘述。

在本实施例中，具体的，所述步骤S3，包括：

式中：

为接地速度；

为无人机着陆重量；

为重力加速度；

为着陆机场大气密度；

为机翼面积；

为无人机着陆接地时的升力系数；

令刹车前速度。

在本实施例中，具体的，为避免刹车能量超限，在考虑发动机产生动能、气动阻力吸收动能、地面摩擦阻力吸收动能的情况下，无人机可以开始刹车时的最大动能为：

其中，为刹车最大能量、/>为发动机推力、/>为气动阻力、/>为地面摩擦阻力；

则无人机可以开始刹车的最大速度为：

其中，为刹车能量系数；

即在本实施例中，具体的，所述步骤S4，包括：

步骤S41：计算可以开始刹车的最大速度；

在本实施例中，具体的，所述步骤S41，包括：

式中：

为刹车能量系数；

为可以开始刹车时的最大动能；

所述步骤S42，包括：

若，令/>，继续执行步骤S41，/>为速度减少量；

若，令刹车时速度/>，继续执行步骤S5。

在本实施例中，具体的，对于前三点式起落架无人机，开始刹车后，前轮载荷会随着主轮刹车力矩、升力、发动机推力发生变化，主轮载荷随之变化；可先通过主轮载荷占总轮载荷的比例系数初步计算初始主轮载荷/>，得到初始可用刹车力矩/>；然后根据初始可用刹车力矩、升力和发动机推力计算刹车时的主轮载荷/>；再根据刹车时的主轮载荷、最大可用摩擦系数计算最大可用刹车压力；

即在本实施例中，具体的，所述步骤S5，包括：

步骤S54：计算刹车时的前轮载荷；

步骤S55：计算刹车时的主轮载荷；

步骤S56：计算刹车时的最大可用力矩；

步骤S58：若，令/>，继续执行步骤S5；若/>，则执行步骤S6。

在本实施例中，具体的，所述步骤S51，包括：

式中：

为刹车时速度/>对应的升力；

为主轮载荷占总轮载荷的比例系数；

步骤S53，包括：

式中：

为轮胎滚动时的半径；

步骤S54，包括：

式中：

为无人机重心到刹车装置的垂线；

为前轮到重心前限的水平距离；

为主轮到重心前限的水平距离；

为无人机重心到发动机拉力线的垂线；

为滚动摩擦系数；

所述步骤S55，包括：

所述步骤S56，包括：

所述步骤S57，包括：

式中：

为摩擦面的数量；

为活塞数量；

为单个活塞面积；

为摩擦面大径；

为摩擦面小径；

为刹车压力损失量。

在本实施例中，具体的，所述刹车时速度对应的升力/>通过如下公式计算：

式中：

为滑跑时的升力系数。

在本实施例中，具体的，所述步骤S6即可根据以上分析计算以及试飞验证，选取机场大气密度为海平面标准大气时的刹车压力小于选取高高原标准大气压力对应的刹车压力，即按照高原机场设计的刹车压力逻辑不适用于海平面机场，按照海平面机场设计的刹车压力逻辑适用于海平面以上机场。

干道面的最大可用摩擦系数大于湿道面，即基于湿道面设计的刹车压力适用于干道面、基于干道面设计的刹车压力不适用于湿道面。

根据以上方法，结合无人机最小着陆重量、最大着陆重量、着陆机场限制、滑跑道面限制，可给定通用型刹车控制逻辑，即各重量下的速度-刹车压力对应关系。

实施例二

实施例二是基于实施例一中提出的一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法的具体应用。

案例：

无人机最小着陆重量为重量一、最大着陆重量为重量四，该无人机常降海平面机场也会降落高高原机场、且会遇到湿跑道着陆情况。要求刹车控制逻辑简单通用、在保障安全着陆的同时实现高效刹车、且能保护刹车装置不受损坏。

分析方法：

根据刹车装置厂家提供的最大刹车能量、刹车压力与刹车力矩试验数据，基于海平面大气密度、湿跑道道面，根据以上方法，设计重量一、重量二、重量三、重量四（重量一<重量二<重量三<重量四）所对应的速度-刹车压力关系。

得到可以开始刹车的最大速度为170km/h，得到四个重量对应的速度-刹车压力对应关系见图2。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims

1.一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，其特征在于，包括：

步骤S3：根据机场大气密度、着陆重量计算接地速度；

步骤S6：计算不同重量、不同机场大气密度下的刹车与速度对应关系，结合无人机重量、使用限制，给定通用型自主刹车控制逻辑；

所述步骤S1，包括：

根据轮胎填充压力、轮胎纹路类型、着陆滑跑道面类型选取最大可用摩擦系数与无人机前进速度/>的对应关系；

所述步骤S2，包括：

根据最大刹车压力和平均摩擦系数/>计算最大刹车力矩/>；

所述步骤S3，包括：

式中：

为接地速度；

为无人机着陆重量；

为重力加速度；

为着陆机场大气密度；

为机翼面积；

为无人机着陆接地时的升力系数；

令刹车前速度；

所述步骤S4，包括：

步骤S41：计算可以开始刹车的最大速度；

步骤S42：根据可以开始刹车的最大速度和刹车前速度/>，计算刹车时速度/>；

所述步骤S41，包括：

式中：

为刹车能量系数；

为可以开始刹车时的最大动能；

所述步骤S42，包括：

若，令/>，继续执行步骤S41，/>为速度减少量；

若，令刹车时速度/>，继续执行步骤S5；

所述给定通用型自主刹车控制逻辑，包括：给定各重量下的速度-刹车压力对应关系。

2.根据权利要求1所述的一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，其特征在于，所述可以开始刹车时的最大动能通过如下公式计算：

式中：

为刹车最大能量；

为发动机推力；

为气动阻力；

为地面摩擦阻力。

3.根据权利要求2所述的一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，其特征在于，所述步骤S5，包括：

步骤S52：根据与/>的对应关系，确定刹车时速度/>对应的最大可用摩擦系数为；

步骤S53：基于初始主轮载荷和刹车时速度/>对应的最大可用摩擦系数/>，计算初始可用刹车力矩/>；其中，当初始可用刹车力矩/>大于最大刹车力矩时，令/>；

步骤S54：计算刹车时的前轮载荷；

步骤S55：计算刹车时的主轮载荷；

步骤S56：计算刹车时的最大可用力矩；

步骤S58：若，令/>，继续执行步骤S5；若/>，则执行步骤S6。

4.根据权利要求3所述的一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，其特征在于，所述步骤S51，包括：

式中：

为刹车时速度/>对应的升力；

为主轮载荷占总轮载荷的比例系数；

步骤S53，包括：

式中：

为轮胎滚动时的半径；

步骤S54，包括：

式中：

为无人机重心到刹车装置的垂线；

为前轮到重心前限的水平距离；

为主轮到重心前限的水平距离；

为无人机重心到发动机拉力线的垂线；

为滚动摩擦系数；

所述步骤S55，包括：

所述步骤S56，包括：

所述步骤S57，包括：

式中：

为摩擦面的数量；

为活塞数量；

为单个活塞面积；

为摩擦面大径；

为摩擦面小径；

为刹车压力损失量。

5.根据权利要求4所述的一种前三点式无人机刹车自主压力控制逻辑设计方法，其特征在于，所述刹车时速度对应的升力/>通过如下公式计算：

式中：

为滑跑时的升力系数。