于龍岐 董禮港 于榮榮 王國欣 王曉陽 譚 旭 李 強(qiáng)

一種高精度無人機(jī)質(zhì)量特性集成測試方法研究

于龍岐 董禮港 于榮榮 王國欣 王曉陽 譚 旭 李 強(qiáng)

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190）

針對(duì)當(dāng)前無人機(jī)質(zhì)量特性測試方法智能化程度不高、集成測試程度低的問題，設(shè)計(jì)了一種高精度質(zhì)量特性測試方法。該方法對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行分段標(biāo)定，系統(tǒng)自動(dòng)匹配標(biāo)定系數(shù)，修正測量結(jié)果，從而消除非線性誤差；系統(tǒng)配備姿態(tài)調(diào)整裝置，匹配無人機(jī)多種接口形式，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)-10°～10°的俯仰和滾轉(zhuǎn)雙向姿態(tài)調(diào)整，并結(jié)合集成軟件算法，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的集成測試。試驗(yàn)測試結(jié)果標(biāo)明，設(shè)備的質(zhì)量測試精度可達(dá)0.03%，質(zhì)心測試精度不大于0.163kg?m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試精度高于0.25%。

無人機(jī)；高精度；質(zhì)量特性；測試方法

1 引言

無人機(jī)（UAV）是一種無人駕駛、自主控制的可重復(fù)使用飛行器[1]。無人機(jī)通常以無線電遙控或者自身程序的方式進(jìn)行控制，主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)身體積小、制造成本低、操作方便、具有較低的作戰(zhàn)環(huán)境要求和較強(qiáng)的戰(zhàn)場生存能力等。質(zhì)量特性參數(shù)是無人機(jī)的重要信息，直接影響通過地面站向操作人員反饋的飛行姿態(tài)、航向軌道等重要控制信息[2]。

質(zhì)量特性參數(shù)是產(chǎn)品的重要力學(xué)特性參數(shù)，主要含質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積，這些參數(shù)都是描述物體力學(xué)特性的基本固有特性參數(shù)。質(zhì)量特性是無人機(jī)設(shè)計(jì)和姿態(tài)調(diào)整及控制的重要參數(shù)，其合理性以及測量測試的準(zhǔn)確性直接影響無人機(jī)的總體設(shè)計(jì)[3～8]。

本文提出了一種基于系統(tǒng)多級(jí)標(biāo)定的質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的高精度集成測試方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)質(zhì)量特性參數(shù)的精確測量。

2 測試原理

2.1 質(zhì)量、質(zhì)心測試原理

采用三套測量單元進(jìn)行質(zhì)量質(zhì)心的測量，三組測量單元采用三點(diǎn)均布布置方式[9，10]。根據(jù)力平衡求解出無人機(jī)的質(zhì)量，并結(jié)合力矩平衡求解出無人機(jī)在測試設(shè)備坐標(biāo)系下的質(zhì)心坐標(biāo)值，質(zhì)量及質(zhì)心測試原理圖如圖1所示。

圖1 質(zhì)量及質(zhì)心測試原理圖

∑=a+b+c-=0 （1）

∑M=(c-b)×/2-×Y=0 （2）

∑M=(c+b)×(-)-×X=0 （3）

即：

a+b+c=（4）

Y=(c-b)×/2（5）

X=(c+b)×(-)/（6）

其中：a、b、c為三個(gè)傳感器測得的力值，為無人機(jī)重量，Y為無人機(jī)質(zhì)心在測試設(shè)備坐標(biāo)系下的向坐標(biāo)，X為無人機(jī)質(zhì)心在測試設(shè)備坐標(biāo)系下的向坐標(biāo)，為傳感器所在分布圓的半徑，為傳感器b和傳感器c之間的距離，為傳感器a到傳感器b和傳感器c連線的距離。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試原理

在測量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，設(shè)定設(shè)備扭擺部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，設(shè)備扭擺的彈簧剛度系數(shù)為，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為：

=×(1-2)×2/(2π)2（7）

其中：為空氣阻尼比，為阻尼振動(dòng)周期。

在忽略空氣阻尼的情況下，上式可簡化為：

=×2/(2π)2（8）

3 測試方案

3.1 質(zhì)量、質(zhì)心測量

質(zhì)量和質(zhì)心測試部分的測控硬件，主要由稱重傳感器、變送儀表、直流電源和計(jì)算機(jī)等組成。

質(zhì)量和質(zhì)心測試部分的測控系統(tǒng)硬件方案以計(jì)算機(jī)為控制核心，并選配稱重傳感器及變送儀表；供電電源設(shè)計(jì)采用交流220V、50Hz輸入；質(zhì)量和質(zhì)心測試部分測控系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 質(zhì)量和質(zhì)心測控系統(tǒng)原理圖

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試部分的測控硬件主要由接近開關(guān)、周期測量儀、氣動(dòng)電磁閥和計(jì)算機(jī)等組成。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試部分的測控系統(tǒng)硬件方案以計(jì)算機(jī)為控制核心，并以接近開關(guān)作為檢測元件，供電電源設(shè)計(jì)采用交流220V、50Hz輸入。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試部分測控系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測控系統(tǒng)原理圖

3.3 調(diào)姿裝置

圖4 調(diào)姿裝置及無人機(jī)裝配圖

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)三個(gè)方向的質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量，必須對(duì)無人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，通過解耦多個(gè)姿態(tài)無人機(jī)的參數(shù)變量，獲取無人機(jī)的全部質(zhì)量特性參數(shù)，如圖4所示。

調(diào)姿裝置用于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)滾轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)±10°、俯仰旋轉(zhuǎn)±10°，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將其構(gòu)造為兩層旋轉(zhuǎn)框架，每層框架獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可分別繞兩個(gè)相互垂直的軸旋轉(zhuǎn)，兩軸運(yùn)動(dòng)互不影響。因此，調(diào)姿裝置由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傾角傳感器及接近開關(guān)等組成，控制原理如圖5所示。

圖5 調(diào)姿裝置控制原理圖

上位機(jī)與嵌入式控制器通訊，設(shè)定滾轉(zhuǎn)或俯仰的角度，嵌入式控制器校驗(yàn)并解析數(shù)據(jù)，自動(dòng)輸出方向和一定頻率的脈沖信號(hào)，并實(shí)時(shí)讀取相應(yīng)傾角傳感器的數(shù)據(jù)，姿態(tài)調(diào)整到位后或檢測到接近開關(guān)信號(hào)后，停止發(fā)送脈沖信號(hào)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)安全性，設(shè)置有手持式急停按鈕，用于緊急情況下的系統(tǒng)斷電，停止姿態(tài)調(diào)整。

根據(jù)無人機(jī)的不同接口形式，滑撬類的無人機(jī)采用V型塊+壓板的定位方式，非滑撬類的無人機(jī)采用托盤支撐的定位方式。

4 系統(tǒng)標(biāo)定

4.1 質(zhì)量質(zhì)心標(biāo)定

質(zhì)量質(zhì)心測試精度主要取決于系統(tǒng)的測試精度。要提高系統(tǒng)的測試精度，必須進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定。

本設(shè)備對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行多級(jí)標(biāo)定，根據(jù)不同型號(hào)無人機(jī)的質(zhì)量分布特性，將設(shè)備劃分為多個(gè)承載區(qū)間，通過標(biāo)定砝碼進(jìn)行多級(jí)標(biāo)定，降低設(shè)備的非線性誤差。

在理想狀況下，設(shè)備的輸出與輸入完全一致，即二者對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6中的直線，但因非線性因素的影響，實(shí)際二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

=0+1+22+……ax（9）

其中：為設(shè)備輸入值，為設(shè)備輸出值，0為設(shè)備零點(diǎn)輸出值，1為設(shè)備靈敏度，2a為設(shè)備非線性項(xiàng)系數(shù)。

由于非線性項(xiàng)系數(shù)的影響，設(shè)備的輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6中曲線。為了降低系統(tǒng)非線性誤差，對(duì)設(shè)備進(jìn)行三級(jí)標(biāo)定，即將設(shè)備的承載區(qū)間區(qū)分為四段，將每相鄰兩段直線作為系統(tǒng)各分區(qū)間的輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此提高設(shè)備的測試精度。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三級(jí)標(biāo)定時(shí)，通過定位柱將標(biāo)定砝碼加載于設(shè)備的中心。標(biāo)定砝碼經(jīng)過計(jì)量院的質(zhì)量校準(zhǔn)，且經(jīng)過動(dòng)平衡校準(zhǔn)，確保砝碼質(zhì)量參數(shù)準(zhǔn)確且質(zhì)心在幾何中心附近。通過計(jì)算砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)值與系統(tǒng)測量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)三個(gè)量程區(qū)間系數(shù)的分段標(biāo)定。

如圖7所示，此處以設(shè)備第一級(jí)標(biāo)定為例，對(duì)設(shè)備的三級(jí)標(biāo)定算法進(jìn)行說明。

圖7 第一級(jí)標(biāo)定原理圖

對(duì)設(shè)備進(jìn)行分段標(biāo)定，可以有效降低安裝精度、安裝誤差及設(shè)備平面度等因素對(duì)測試精度的影響。因設(shè)備測得的重量與理論重量會(huì)不一致，所以，設(shè)備的標(biāo)定系數(shù)分別為：

a=a/a（10）

b=b/b（11）

K=c/c（12）

其中：a、b、c——傳感器a、傳感器b、傳感器c的標(biāo)定系數(shù)；a、b、c——在線標(biāo)定時(shí)，3處傳感器承載的理論重量；a、b、c——在線標(biāo)定時(shí)，3處傳感器承載的實(shí)際重量。

4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量標(biāo)定

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量標(biāo)定原理圖

因系統(tǒng)扭擺系數(shù)并非完全線性，為提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試精度，須對(duì)扭擺剛度系數(shù)進(jìn)行分段標(biāo)定，以降低扭擺機(jī)構(gòu)的非線性因素對(duì)測試精度的影響。如圖8所示，在此，用三級(jí)標(biāo)定的方式，利用不同量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗(yàn)，得到3個(gè)臨界點(diǎn)處的剛度系數(shù)。在測量過程中，根據(jù)被測量件的扭擺周期選擇相近扭擺周期的剛度系數(shù)，從而提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量精度。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量標(biāo)定方法與質(zhì)量質(zhì)心標(biāo)定方法類似，通過分段標(biāo)定，分別得到設(shè)備在不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量區(qū)間的標(biāo)定系數(shù)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

表1 質(zhì)量測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 質(zhì)心測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

設(shè)備裝配調(diào)試完成后，分別對(duì)質(zhì)量測試、質(zhì)心測試及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試進(jìn)行了驗(yàn)證，用經(jīng)過專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)的砝碼和轉(zhuǎn)子對(duì)設(shè)備的測試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,如表1～表3所示。并對(duì)設(shè)備進(jìn)行了質(zhì)量質(zhì)心測試系數(shù)標(biāo)定、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試系數(shù)標(biāo)定。設(shè)備在無人機(jī)質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試前，先進(jìn)行設(shè)備和調(diào)姿裝置的各狀態(tài)下質(zhì)量特性參數(shù)的測量，將測得的參數(shù)作為固有參數(shù)，然后無人機(jī)安裝到位，測得無人機(jī)和調(diào)姿裝置的合成質(zhì)量特性參數(shù)，通過軟件集成處理，最終得到無人機(jī)的質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性參數(shù)。

該方案集成化程度高，操作簡便?？赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的高精度一體化測試，質(zhì)量測量精度可達(dá)0.03%，質(zhì)心測量精度不大于0.163kg·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量精度高于0.25%。

6 結(jié)束語

針對(duì)無人機(jī)質(zhì)量特性參數(shù)測試，提出了一種高精度一體化質(zhì)量質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試方法，并通過測試試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備的性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)了無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整裝置，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)-10°～10°的俯仰和滾轉(zhuǎn)的姿態(tài)調(diào)整，并結(jié)合集成軟件算法，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的集成測試。通過標(biāo)定模塊，對(duì)質(zhì)量質(zhì)心測試系統(tǒng)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試系統(tǒng)進(jìn)行多級(jí)標(biāo)定，從而降低無人機(jī)質(zhì)量特性參數(shù)的測試誤差。系統(tǒng)的質(zhì)量測試精度可達(dá)0.03%，質(zhì)心測試精度不大于0.163kg·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試精度高于0.25%，配置無人機(jī)轉(zhuǎn)接工裝，可實(shí)現(xiàn)多種機(jī)型無人機(jī)的質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的高精度測量。

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Research on UAV High Precision Mass Properties Measurement

Yu Longqi Dong Ligang Yu Rongrong Wang Guoxin Wang Xiaoyang Tan Xu Li Qiang

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100190)

To solve the problem of low test intelligence and low integration measurement of traditional UAV mass properties measuring method, a high precision measuring method is designed in this paper. The method is sectional calibration in the measuring system, and it automatically selects calibration coefficients according to the different levels, correcting the measuring coefficients, in order to eliminate the nonlinear error of the system. The equipment has the attitude adjustment device, matches multiple interfaces of several UAV types, realizes UAV bidirectional attitude adjustment of pitching and rolling between -10° and 10°, at the same time by integrated algorithm, it can realize integrated solution of mass, center of gravity, and moment of inertia. By the actual tests, its mass measurement accuracy is better than 0.03%, its gravity measurement accuracy is better than 0.163kg?m, its moment of inertia measurement accuracy is better than 0.25%.

UAV；high measuring precision；mass properties；measuringmethod

于龍岐（1982），工程師，機(jī)械電子工程專業(yè)：研究方向：航天器非標(biāo)智能裝備設(shè)計(jì)。

2019-06-12