一种四旋翼飞行器转动惯量测量方法与流程

本发明涉及工程测量领域，特别是一种四旋翼飞行器转动惯量测量方法。

背景技术：

四旋翼飞行器凭借其体积小、机动性强、可垂直起降的特点，能够执行投弹攻击、大气探测、物品运载等飞行任务。

然而由于大气扰动、陀螺效应等作用，其极易出现侧偏、炸桨等运动稳定性问题，尤其在起飞、着陆以及偏航阶段，因受近地面复杂气流的影响，运动失稳导致飞行事故的几率大大增高，这类事故占总事故率的比例高达60％～75％。

四旋翼飞行器携带设备成本较高且事故发生对地面危险较大，因此，研究其四旋翼飞行器稳定性和可靠性显得尤为重要。

在对四旋翼飞行器的稳定性进行研究时，搭建完成的系统模型中存在着很多未知的参数。这些未知参数，有的可以查找工具书获知，但还有些重要系数需要通过实验来测量。需要实验进行测量的重要系数主要包括转动惯量，升力系数、扭矩系数等。

公开号为cn204128560u的中国实用新型专利申请，公开了一种四旋翼飞行器惯量测量系统，其包括三轴角速度陀螺仪、三轴加速度传感器、磁阻传感器和模数转换器，三轴角速度陀螺仪、三轴加速度传感器、磁阻传感器分别通过所述模数转换器与所述数据处理模块连接；所述电源模块提供惯性测量模块和数据处理模块所需稳压电源。分别实时测量飞行器角速率、加速度和水平地磁场分量，测量信号经模数转换器转换成数字信号后传递给数据处理模块进行处理。

上述专利申请，其采用实验测量计算得到。然而，由于实验测试周期长、成本高、测试误差大以及可重复性低，因而给以后系统的数值分析、仿真以及控制器设计带来了极大的不便。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种四旋翼飞行器转动惯量测量方法，该四旋翼飞行器转动惯量测量方法转动惯量计算方便快捷，成本低，测试精度高，数据测试准确、可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种四旋翼飞行器转动惯量测量方法，其中，四旋翼飞行器包括中心载荷、四根悬臂、四个电机和四个螺旋桨；四根悬臂均为相同尺寸及相同重量的均质长方体杆，四根悬臂均布在中心载荷的四周，相邻两根悬臂的夹角呈直角；每根悬臂的尾端各设置一个竖直的电机和一个螺旋桨，电机能驱动螺旋桨转动；四个电机均为相同尺寸及相同重量的圆柱体；中心载荷也为竖直设置的圆柱体。

转动惯量测量方法，包括如下步骤。

步骤1，惯性测量坐标系建立：以中心载荷的中心轴线为z轴，以四根悬臂所在平面为xy面，相邻两根悬臂的中心轴线分别为x轴和y轴，以x、y和z轴的交点为原点建立惯性测量坐标系。

步骤2，计算绕x轴转动的总转动惯量jx：四旋翼飞行器绕x轴的总转动惯量jx计算方法，包括如下步骤。

步骤21，位于y轴上的两个电机以半径rm绕x轴转动的转动惯量jx1为：

步骤22，位于y轴上的两根悬臂以半径rl绕x轴转动的转动惯量jx2为：

步骤23，位于x轴上的两个电机和中心载荷绕x轴转动的转动惯量jx3为：

步骤24，位于x轴上的两根悬臂以dl/2为半径绕x轴转动的转动惯量jx4为：

步骤25，联合步骤21到步骤24得到四旋翼飞行器绕x轴转动的总转动惯量jx为：

步骤3，计算绕y轴转动的总转动惯量jy：四旋翼飞行器绕y轴的总转动惯量与步骤25计算得出的绕x轴转动的总转动惯量相等，也即jy＝jx。

步骤4，计算绕z轴转动的总转动惯量jz：四旋翼飞行器绕z轴的总转动惯量jz计算方法包括如下步骤。

步骤41，四个电机以半径rm绕z轴转动的转动惯量jz1为：

步骤42，四根悬臂以半径rl绕z轴转动的转动惯量jz2为：

步骤43，中心载荷圆柱绕z轴转动的转动惯量jz3为：

步骤44，联合步骤41到步骤43得到四旋翼飞行器绕z轴的总转动惯量jz为：

步骤1至步骤4中，ml为悬臂质量，l为悬臂长度，dl为悬臂宽度，rl为悬臂质心至中心载荷中心轴线的距离；mm为电机质量，ρm为电机截面半径，hm为电机高度，rm为电机质心矩；m0为中心载荷质量，r0为中心载荷截面半径，h0为中心载荷高度。

所述中心载荷包括飞行控制器和机体中间负载。

位于x轴上的两个电机转动方向相同，位于y轴上的两个电机转动方向也相同，但x轴上电机的转动方向与y轴上电机的转动方向相反。

四个电机的型号相同，四个螺旋桨的型号也相同。

本发明采用上述方法后，考虑电机、中心载荷和悬臂来计算转动惯量进而提高四旋翼飞行器数值模型参数化的精度，对于提高四旋翼飞行器的系统数值分析、仿真以及控制器设计带来了极大的便处。进而，转动惯量计算方便快捷，成本低，测试精度高，数据测试准确、可靠。

附图说明

图1显示了本发明一种四旋翼飞行器的结构示意图。

图2显示了本发明建立的惯性测量坐标系示意图。

其中有：1.中心载荷；2.第一悬臂；3.第二悬臂；4.第三悬臂；5.第四悬臂；6.第一电机；7.第二电机；8.第三电机；9.第四电机；10.第一螺旋桨；11.第二螺旋桨；12.第三螺旋桨；13.第四螺旋桨。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所涉及的四旋翼飞行器包括中心载荷1、四根悬臂、四个电机和四个螺旋桨。

中心载荷1包括飞行控制器和机体中间负载，中心载荷为四旋翼飞行器的核心单元。中心载荷竖直设置，能够等效为一个标准的圆柱体。

如图2所示，中心载荷1的参数为：m0为中心载荷质量，r0为中心载荷截面半径，h0为中心载荷高度。

四根悬臂均为相同尺寸及相同重量的均质长方体杆，每根悬臂的截面均优选为正方形。

如图2所示，每根悬臂的参数为：ml为悬臂质量，l为悬臂长度，dl为悬臂宽度，rl为悬臂质心至中心载荷中心轴线的距离。

四根悬臂均布在中心载荷的四周，并位于同一个平面，则相邻两根悬臂的夹角呈直角。

如图1所示，四根悬臂按逆时针方向，依次为第一悬臂2、第二悬臂3、第三悬臂4和第四悬臂5。

每根悬臂的尾端各设置一个竖直的电机和一个螺旋桨，电机能驱动螺旋桨转动。

四个电机均为相同尺寸及相同重量的圆柱体；四个电机的型号优选相同，四个螺旋桨的型号也优选相同。

如图2所示，每个电机的参数为：mm为电机质量，ρm为电机截面半径，hm为电机高度，rm为电机质心矩。

四个电机按逆时针方向，依次为第一电机6、第二电机7、第三电机8和第四电机9。

四个螺旋桨按逆时针方向，依次为第一螺旋桨10、第二螺旋桨11、第三螺旋桨12和第四螺旋桨14。其中，第一电机6设置在第一悬臂2的尾端，第一电机6驱动第一螺旋桨10转动；依次类推。

另外，第一电机6和第三电机8组成一队，转动方向相同；第二电机7和第四电机9组成一队，转动方向相同。但第一电机6和第二电机7的转动方向相反。

一种四旋翼飞行器转动惯量测量方法，包括如下步骤。

步骤1，惯性测量坐标系建立：以中心载荷的中心轴线为z轴，以四根悬臂所在平面为xy面，相邻两根悬臂的中心轴线分别为x轴和y轴，以x、y和z轴的交点为原点建立如图2所示的惯性测量坐标系。

步骤2，计算绕x轴转动的总转动惯量jx：四旋翼飞行器绕x轴的总转动惯量jx计算方法，包括如下步骤。

步骤21，位于y轴上的两个电机以半径rm绕x轴转动的转动惯量jx1为：

步骤22，位于y轴上的两根悬臂以半径rl绕x轴转动的转动惯量jx2为：

步骤23，位于x轴上的两个电机和中心载荷绕x轴转动的转动惯量jx3为：

步骤24，位于x轴上的两根悬臂以dl/2为半径绕x轴转动的转动惯量jx4为：

步骤25，联合步骤21到步骤24得到四旋翼飞行器绕x轴转动的总转动惯量jx为：

步骤3，计算绕y轴转动的总转动惯量jy：四旋翼飞行器绕y轴的总转动惯量与步骤25计算得出的绕x轴转动的总转动惯量相等，也即jy＝jx。

步骤4，计算绕z轴转动的总转动惯量jz：四旋翼飞行器绕z轴的总转动惯量jz计算方法包括如下步骤。

步骤41，四个电机以半径rm绕z轴转动的转动惯量jz1为：

步骤42，四根悬臂以半径rl绕z轴转动的转动惯量jz2为：

步骤43，中心载荷圆柱绕z轴转动的转动惯量jz3为：

步骤44，联合步骤41到步骤43得到四旋翼飞行器绕z轴的总转动惯量jz为：

下面以一个具体实例为例，对上述计算方法，进一步进行详细说明。

假设电机、中心载荷和悬臂的具体参数设置如下。

电机：电机质量mm＝0.055kg，电机截面半径ρm＝0.015m，电机高度hm＝0.025m，电机质心矩rm＝0.223m。

中心载荷：中心载荷质量m0＝0.337kg，中心载荷截面半径r0＝0.062m，中心载荷高度h0＝0.038m。

悬臂：悬臂质量ml＝0.054kg，悬臂长度l＝0.21m，悬臂宽度dl＝0.025m，悬臂质心至中心载荷中心轴线的距离rl＝0.134m。

则按照步骤25或步骤3，计算得到四旋翼飞行器绕x轴转动的总转动惯量为：

jx＝jy＝0.00864608kg·m^2。

按照步骤44，计算得到四旋翼飞行器绕z轴转动的总转动惯量为：

jz＝0.01600092kg·m^2。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。