一种不规则多旋翼无人机悬停状态受力中心位置检测方法与流程

本发明涉及飞行器参数采集研究领域，具体涉及一种不规则布局的多旋翼无人机悬停状态受力中心位置的检测方法。

背景技术：

近年来，无人机在农业、航拍、环境监测和军事等领域受到普遍关注并得到了大力的发展，尤其是多旋翼无人机的研究逐渐成为无人机领域研究的热点。与固定翼无人机相比，多旋翼无人机具有结构简单、起降要求低、机动性强、成本低等优势，其中多旋翼无人机从结构角度细分，可分为对称布局和不规则布局两种，不规则布局的多旋翼无人机区别于传统的旋翼对称布局模式，多用于进行特殊用途，具有巨大的研究前景。

不规则布局的多旋翼无人机悬停状态受力中心是无人机处在悬停状态时，所有旋翼升力的合力作用在无人机机体上的一个作用点。受力中心的位置对于对称布局的多旋翼无人机的稳定性、旋翼惯性、有效负载具有很大影响。目前尚缺乏对于不规则布局的多旋翼无人机悬停状态受力中心的研究，常见的飞行控制系统大多从旋翼转速、旋翼尺寸、控制电流、地磁角度等层面对不规则布局的多旋翼无人机悬停稳定性进行研究，从结构受力设计角度的研究较少。那么设计一种不规则布局的多旋翼无人机悬停状态受力中心位置的检测方法便具有显著的科学意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不规则多旋翼无人机悬停状态受力中心位置检测方法，通过该方法能够准确得到不规则布局的多旋翼无人机的悬停状态受力中心位置，辅助飞行控制系统更好操控不规则布局的多旋翼无人机飞行状态，为其飞行策略提供参考。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种不规则多旋翼无人机悬停状态受力中心位置检测方法，其特征在于，包括步骤：

(1)无人机静止，确定不规则布局的多旋翼无人机旋翼面有效边界；

(2)依掘确定的旋翼面有效边界对无人机进行质量区域分割，得到无人机旋翼面有效边界区域受力分布方程；

(3)采集旋翼面有效边界区域内几何中心位置信息，得到具体旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程；

(4)无人机起飞悬停，利用传感器实时采集无人机各旋翼转速、空间位置信息及无人机姿态信息，得到无人机悬停状态下的空间姿态方程；

(5)利用得到的空间姿态方程结合旋翼面有效边界区域受力分布方程及旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程，得到无人机悬停状态受力中心位置方程，并将悬停状态下受力中心位置转换为矢量空间坐标点形式记录；

(6)飞行控制系统实时对悬停状态下受力中心位置信息进行处理分析，协助无人机进行姿态调整，以保证飞行稳定性。

具体的，所述无人机为不规则布局结构多旋翼无人机，所有旋翼在同一平面内布置，布局结构整体不对称，且旋翼桨叶形状大小一致。

优选的，所述无人机形状可为椭圆形、长方形、梯形等。

具体的，所述步骤(1)中，所述步骤(1)中，将无人机内各实体划分为由若干圆包围的区域，每个圆的直径为能够包围对应实体的最小直径；以能够包络位于最外围的所有圆的最短周长闭合曲线为不规则布局的多旋翼无人机旋翼面有效边界。

优选的，所述步骤(2)中，无人机旋翼面有效边界区域受力分布方程为F_l＝f₁(x1，x2，x3......xk)，其中k为旋翼面有效边界内分割的质量区域数。

优选的，所述步骤(3)中，旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程为P_j＝f₂(x1，x2，x3......xm)，其中m为旋翼总数，且m为任意正整数。

具体的，所述步骤(4)中，无人机悬停，整体受力平衡，各旋翼转速自无人机前进方向顺时针起分别为n1、n2.......nm。

优选的，所述步骤(4)中，所述空间位置信息为G(g_x，g_y，g_z)，其中x、y、z为空间坐标三个方向分量；所述无人机姿态信息由传感器测定，包括飞行高度h、飞行用时t、俯仰角α、翻滚角β及航向角γ等。

优选的，所述步骤(4)中，不规则布局的多旋翼无人机的空间姿态方程为K_z＝f₅[Gf₃(h，t，α，β，γ)f₄(n1、n2.....nm)]，其中f₄(n)为旋翼转速方程。

具体的，所述步骤(5)中，无人机悬停状态受力中心位置方程为D_z＝f₆(F_lP_jK_z)，转换为动态矢量空间坐标点形式为D(d_x，d_y，d_z)，转换方程为D(d_x，d_y，d_z)＝f₇(z)D_z，其中其中x、y、z为空间坐标三个方向分量，f₇(z)为动态矢量空间坐标点转换方程。

具体的，所述步骤(6)中，各传感器将采集到的相关信息通过通信模块实时传送给飞行控制系统，飞行控制系统实时对悬停状态下受力中心位置信息进行汇总，经计算处理，输出控制指令给执行机构，增强飞行稳定性，同时将采集到的各种数据返回给地面站。

优选的，所述通信模块为无线传输模式。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明从无人机整体结构受力设计角度出发，提供了一种不规则布局的多旋翼无人机悬停状态受力中心位置的检测方法，能够准确得到不规则布局的多旋翼无人机的悬停状态受力中心位置，以辅助无人机飞行控制系统更好操控无人机飞行状态。

2、本发明将不规则布局的多旋翼无人机悬停状态受力中心位置以动态空间矢量坐标形式进行了客观呈现，从一个全新的角度阐释了无人机飞行的原理，具有极强的创新性和前瞻性。

3、本发明适用于各旋翼数、各类型的不规则布局的多旋翼无人机，对各类型的对称布局无人机的稳定性增强均有效，针对性强、应用性强。

4、本发明可将不规则布局的多旋翼无人机调节至最佳飞行状态，使悬停更加平稳，大大增加了安全性和可靠性，为其飞行策略提供参考。同时还能够提高无人机能源利用率，增长滞空时间，提高工作效率，减少不必要的损耗，具有绿色高效的特点。

附图说明

图1是本发明的不规则多旋翼无人机悬停状态受力中心位置检测方法的流程图。

图2是本发明的不规则多旋翼无人机悬停状态受力中心位置检测方法中关于不规则布局的多旋翼无人机旋翼面有效边界确定的方法流程图。

图3为本发明的不规则多旋翼无人机悬停状态受力中心位置检测方法中关于不规则布局的多旋翼无人机旋翼面有效边界确定的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1和图2，本发明的不规则多旋翼无人机悬停状态受力中心位置检测方法，包括步骤：

(1)无人机静止，确定不规则布局的多旋翼无人机旋翼面有效边界；

(2)依据确定的旋翼面有效边界对无人机进行质量区域分割，得到无人机旋翼面有效边界区域受力分布方程；

(3)采集旋翼面有效边界区域内几何中心位置信息，得到具体旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程；

(4)无人机起飞悬停，利用传感器实时采集无人机各旋翼转速、空间位置信息及无人机姿态信息，得到无人机悬停状态下的空间姿态方程；

(5)利用得到的空间姿态方程结合旋翼面有效边界区域受力分布方程及旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程，得到无人机悬停状态受力中心位置方程，并将悬停状态下受力中心位置转换为矢量空间坐标点形式记录；

(6)飞行控制系统实时对悬停状态下受力中心位置信息进行处理分析，协助无人机进行姿态调整，以保证飞行稳定性。

具体的，所述无人机为不规则布局结构多旋翼无人机，所有旋翼在同一平面内布置，布局结构整体不对称，且旋翼桨叶形状大小一致。

所述无人机形状可为椭圆形、长方形、梯形等。

参见图2和图3，具体的，所述步骤(1)中，所述步骤(1)中，将无人机内各实体划分为由若干圆包围的区域，每个圆的直径为能够包围对应实体的最小直径；以能够包络位于最外围的所有圆的最短周长闭合曲线为不规则布局的多旋翼无人机旋翼面有效边界。

所述步骤(2)中，无人机旋翼面有效边界区域受力分布方程为F_l＝f₁(x1，x2，x3......xk)，其中k为旋翼面有效边界内分割的质量区域数，通过该方程能够获知所有分割区域的受力。

具体的，通过ICEM网格划分软件对有效边界受力区域进行网格节点划分，把单位面积作用旳力等效的移到节点上，按变分原理建立节点与位移的关系式，然后根据节点平衡条件，得到无人机旋翼面有效边界区域受力分布方程。

所述步骤(3)中，旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程为P_j＝f₂(x1，x2，x3......xm)，其中m为旋翼总数，且m为任意正整数，该方程以无人机各旋翼位置为基础图形参数，对无人机旋翼面区域内几何中心位置进行限定。

具体的，通过MATLAB进行积分计算，将运算结果再次利用MATLAB生成二维几何图像，得到旋翼面有效边界区域内几何中心位置的图形方程。

所述步骤(4)中，无人机悬停，整体受力平衡，各旋翼转速自无人机前进方向顺时针起分别为n1、n2.......nm。

所述步骤(4)中，所述空间位置信息为G(g_x，g_y，g_z)，其中x、y、z为空间坐标三个方向分量；所述无人机姿态信息由传感器结合北斗导航定位系统测定，包括飞行高度h、飞行用时t、俯仰角α、翻滚角β及航向角γ等。

所述步骤(4)中，不规则布局的多旋翼无人机的空间姿态方程为K_z＝f₅[Gf₃(h，t，α，β，γ)f₄(n1、n2......nm)]，其中f₄(n)为旋翼转速方程，该方程以旋翼转速为主要特征，可以表征悬停过程中各旋翼转速的变化趋势，为机体空间姿态细微升力变化提供参考。

具体的，建立无人机的数学模型，采用LPV法则将其线性化。结合PID算法和位置控制器，对无人机旋翼机动效果进行仿真比较，得到旋翼转速方程。

利用遗传算法寻优，获得无人机姿态信息参数最佳值，通过对最佳控制参数的回归分析，得到不规则布局的多旋翼无人机的空间姿态方程。

所述步骤(5)中，无人机悬停状态受力中心位置方程为D_z＝f₆(F_lP_jK_z)，转换为动态矢量空间坐标点形式为D(d_x，d_y，d_z)，转换方程为D(d_x，d_y，d_z)＝f₇(z)D_z，其中其中x、y、z为空间坐标三个方向分量，f₇(z)为动态欠量空间坐标点转换方程。

具体的，对无人机进行三维建模，使用通用有限元分析软件ABAQUS对无人机受载情况下应力应变及稳定性进行分析，利用耦合解法，部分变量全场联立，得到无人机悬停状态受力中心位置方程。采用Isight软件进行数据交换，实现动态矢量空间坐标点转换。

所述步骤(6)中，各传感器将采集到的相关信息通过通信模块实时传送给飞行控制系统，飞行控制系统实时对悬停状态下受力中心位置信息进行汇总，经计算处理，输出控制指令给执行机构，增强飞行稳定性，同时将采集到的各种数据返回给地面站。

所述通信模块为无线传输模式。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。