一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法
【专利摘要】一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，首先利用基于合作目标的激光三维立体成像方法扫描得到螺旋翼的三维点云，然后利用螺旋翼的中心对称的特点，对其中一个叶片进行分析。首先将此叶片分成n等份，其次提取每一份的几何特征并计算升力系数和阻力力矩系数，再次将每一份的升力系数叠加，阻力力矩系数叠加，得到螺旋翼的升力系数和阻力力矩系数。最后带入根据空气阻力模型推导出的螺旋翼升力与角速度的关系式，和螺旋翼受到的阻力力矩与角速度的关系式，即可确定螺旋翼升力和阻力力矩。本方法可以对任意形状的螺旋翼进行扫描，并给出螺旋翼升力和其阻力力矩的与角速度的关系，具有广泛的适用性。
【专利说明】-种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，属于飞行器控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 旋翼飞行器，例如大到直升机小到四旋翼无人机，是飞行器中的一类，旋翼是主 要的推进装置，旋翼飞行器具有垂直起降、定点悬停和原地转向，机动灵活等其他飞行器所 不具有的优点，在一些地理环境复杂，空间狭小，和需要持续关注某一地区的情况下，旋翼 飞行器无疑是最合适的选择。在无人机方面，旋翼飞行器可W做到小型化，使其具有机动灵 活、隐蔽性好、操作简便，配置灵活，作业范围更广的优点。例如在军事上可用于侦察、单兵 作战；某些大范围的监测，如管线巡逻、农田病虫害监测，小型旋翼无人机能够更高效的完 成任务；在不适合人类生存的恶劣环境，如发生爆炸后的福岛核电站，需要具备自主控制的 无人机抵近勘察，甚至进入室内作业。所W研究旋翼飞行器是具有重大意义和应用前景的。 其中旋翼的空气动力学，是研究升力和转速的关系，目的是实现对无人机的精确控制，有助 于实现智能飞行器的研究。
[0003] 旋翼是通过自身的旋转，推动气体向旋翼下方流动，从而产生向上的反作用力。其 作用力的大小与转速成正比关系，螺旋翼的形状对其升力的大小有着直接的影响，但是螺 旋翼的形状并不是固定不变的，所W建立统一的数学模型成为一件非常困难的问题。目前 大多数的旋翼飞行器控制采用模糊控制的方法，此方法建模简单，但计算量大，在小型无人 机（如四旋翼飞行器）应用上必须与主机之间进行无线数据传输W实现对无人机的控制， 该样限制了飞行器的运动范围同时也限制了其用途。PID控制具有结构简单，稳定性好，鲁 椿性强的优点，是目前应用最广泛的控制方法。PID控制在飞行器控制中计算量小，可W实 现脱离主机，依靠自身的惯性器件实现自主导航，并且相比于模糊控制PID的控制精度要 高，但是其需要建立螺旋翼空气动力学的准确模型，W实现控制。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是；克服现有技术的不足，提供了一种螺旋翼升力和阻力 力矩的确定方法，提出了升力与螺旋翼的角速度关系和阻力力矩与螺旋翼角速度间的关 系，并且通过激光扫描的方法能精确的得出螺旋翼的几何形状，从而能更准确的计算出针 对被扫描的螺旋翼的升力系数和阻力力矩系数，使计算出的的升力更加精确。此方法既有 普适性又具有针对性。
[0005] 本发明的技术解决方案是：
[0006] 一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，计算步骤如下：
[0007] (1)根据基于合作目标的激光=维成像立体方法对螺旋翼进行激光扫描，得到螺 旋翼表面的点云；
[000引 （2)建立螺旋翼坐标系，将螺旋翼从螺旋翼中屯、到叶片末端等间隔的分成n个区 间；
[0009] (3)对步骤（1)中得到的螺旋翼表面的点云数据，按照步骤（2)中分成的区间进行 归类；
[0010] (4)提取每一个区间的几何特征并分别计算每一区间升力系数Vi和阻力力矩系数 恥
[0011] 妨将步骤（4)中计算得到的所有升力系数Vi相加，同时所有阻力力矩系数U湘 力口，即得到螺旋翼的升力系数V和阻力力矩系数U，进而确定螺旋翼的升力W及阻力力矩。
[0012] 所述步骤（1)根据基于合作目标的激光=维成像立体方法对螺旋翼进行激光扫 描，得到螺旋翼表面的点云，具体为：
[0013] (2. 1)将螺旋翼放于单轴转台上，将螺旋翼的其中一个叶片沿单轴转台的角速度 方向放置；
[0014] (2. 2)令单轴转台W角速度Q匀速旋转，W逆时针方向为正；
[0015] (2. 3)令激光扫描仪的角步长为a，对步骤化1)中所述一个叶片进行激光扫描， 并保存扫描数据；所述扫描数据包括；扫描仪中屯、到被扫描点之间的距离R、扫描时激光的 角度0、反射激光的强度4和扫描时间t ;
[0016] (2. 4)解算螺旋翼的S维立体模型：
[0017]
【权利要求】
1?一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，其特征在于步骤如下： (1) 根据基于合作目标的激光三维成像立体方法对螺旋翼进行激光扫描，得到螺旋翼 表面的点云； (2) 建立螺旋翼坐标系，将螺旋翼从螺旋翼中心到叶片末端等间隔的分成n个区间； (3) 对步骤（1)中得到的螺旋翼表面的点云数据，按照步骤（2)中分成的区间进行归 类； (4) 提取每一个区间的几何特征并分别计算每一区间升力系数\和阻力力矩系数Ui; (5) 将步骤（4)中计算得到的所有升力系数Vi相加，同时所有阻力力矩系数Ui相加， 即得到螺旋翼的升力系数V和阻力力矩系数U，进而确定螺旋翼的升力以及阻力力矩。
2. 根据权利要求1所述的一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，其特征在于：所述 步骤（1)根据基于合作目标的激光三维成像立体方法对螺旋翼进行激光扫描，得到螺旋翼 表面的点云，具体为： (2. 1)将螺旋翼放于单轴转台上，将螺旋翼的其中一个叶片沿单轴转台的角速度方向 放置； (2. 2)令单轴转台以角速度D匀速旋转，以逆时针方向为正； (2. 3)令激光扫描仪的角步长为a，对步骤（2. 1)中所述一个叶片进行激光扫描，并保 存扫描数据；所述扫描数据包括：扫描仪中心到被扫描点之间的距离R、扫描时激光的角度 Q、反射激光的强度巾和扫描时间t; (2. 4)解算螺旋翼的三维立体模型：
其中，x、y和z是扫描坐标系下扫描点的坐标，扫描坐标系是以单轴转台中心为原点， 垂直于单轴转台向上为Z轴，从单轴转台中心到激光扫描仪中心为y轴，X轴按照右手定则 确定，扫描仪中心点〇'到单轴转台中心〇的距离为1。
3. 根据权利要求1所述的一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，其特征在于：所述 步骤（2)建立螺旋翼坐标系，将螺旋翼从螺旋翼中心到叶片末端等间隔的分成n个区间，具 体为： 螺旋翼坐标系：螺旋翼的中心为坐标原点，螺旋翼角速度方向为Y轴，Z轴沿被扫描的 一个叶片的方向，X轴根据右手法则确定，并用平行于OXZ的平面将沿Y轴的叶片等间隔的 分割成n个区间，n为正整数。
4. 根据权利要求1所述的一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，其特征在于：所述 步骤（3)对步骤（1)中得到的螺旋翼表面的点云数据，按照步骤（2)中分成的区间进行归 类，具体为： (3. 1)画出点云图，找出螺旋翼中心位置，并标出在螺旋翼Y轴的两个点a: (xa，ya，za)、b: (xb，yb，zb)，其中Y轴方向是由b指向a，螺旋翼坐标系的Y轴与扫描坐标系的Y轴之间的 夹角9可以表示为：
(3. 2)将点云中的所有点，通过下面运算，使螺扫描坐标系中的点变换到螺旋翼坐标系 中：
式中，（X，Y，Z)是坐标旋转之后在螺旋翼坐标系中的点； (3. 3)将所有旋转之后的点（X，Y，Z)放在所对应的步骤（2)中分成的区间内，从而进行 归类。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，其特征在于：所述 步骤（4)提取每一个区间的几何特征并分别计算每一区间升力系数\和阻力力矩系数Ui, 具体为： (4. 1)筛选出螺旋翼下表面上的点，方法如下： (a) 将区间内的点根据X轴的值，由小到大进行排序； (b) 令X值最小的点为第一个螺旋翼下表面上的点； (c) 按照步骤（a)中已经排好的顺序，依次计算，直到找出一个点Ak的Y值与前一个点 的Y值之差的绝对值大于阈值； (d) 点Ak之前的所有点都属于下表面集合B中，点Ak归到上表面集合C中，集合B有 k_l个点，每个集合中的点按（a)中的顺序排序，每个集合中X值最大的点为该集合的最后 一个占. (e) 按照步骤（a)中已经排好的顺序，计算点Aj,j>k，的Y值与集合B中最后一个点的 Y值的差，以及点Aj与集合C中最后一个点的Y值的差，比较上述两个差值绝对值的大小， 并将所述点?归入到绝对值较小的集合中； (f) 所有的扫描点均归类之后，集合B中的点即为螺旋翼下表面上的点； (4.2)按照最小二乘法对步骤（4. 1)中得到的螺旋翼下表面上的点进行平面拟合，拟 合成的平面为z=Px+Qy+R，拟合成的平面的参数通过如下方式计算得到，m为集合B中的 元素个数；
(4. 3)通过公式K=AtS^2Sin2Acosa,计算升力系数Vi,通过公式 MI-A1S^siiry计算阻力力矩系数Ui,其中，ASi是微元的面积，通过步骤（4.2)中确定 的平面积分得到，A是距y轴的距离，a1是微元的倾角。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋翼升力和阻力力矩的确定方法，其特征在于：确定
【文档编号】G06F19/00GK104504255SQ201410765045
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】魏宗康, 吕腾, 赵龙, 郭子伟 申请人:北京航天控制仪器研究所