一種高精度無人機質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

一種高精度無人機質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

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100190）

針對當前無人機質量特性測試方法智能化程度不高、集成測試程度低的問題，設計了一種高精度質量特性測試方法。該方法對測試系統進行分段標定，系統自動匹配標定系數，修正測量結果，從而消除非線性誤差；系統配備姿態調整裝置，匹配無人機多種接口形式，可實現無人機-10°～10°的俯仰和滾轉雙向姿態調整，并結合集成軟件算法，實現質量、質心及轉動慣量的集成測試。試驗測試結果標明，設備的質量測試精度可達0.03%，質心測試精度不大于0.163kg?m，轉動慣量測試精度高于0.25%。

無人機；高精度；質量特性；測試方法

1 引言

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

質量特性參數是產品的重要力學特性參數，主要含質量、質心、轉動慣量和慣性積，這些參數都是描述物體力學特性的基本固有特性參數。質量特性是無人機設計和姿態調整及控制的重要參數，其合理性以及測量測試的準確性直接影響無人機的總體設計[3～8]。

本文提出了一種基于系統多級標定的質量、質心及轉動慣量的高精度集成測試方法，可實現對無人機質量特性參數的精確測量。

2 測試原理

2.1 質量、質心測試原理

采用三套測量單元進行質量質心的測量，三組測量單元采用三點均布布置方式[9，10]。根據力平衡求解出無人機的質量，并結合力矩平衡求解出無人機在測試設備坐標系下的質心坐標值，質量及質心測試原理圖如圖1所示。

圖1 質量及質心測試原理圖

∑=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為三個傳感器測得的力值，為無人機重量，Y為無人機質心在測試設備坐標系下的向坐標，X為無人機質心在測試設備坐標系下的向坐標，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 轉動慣量測試原理

在測量轉動慣量時，設定設備扭擺部分的轉動慣量為，設備扭擺的彈簧剛度系數為，則轉動慣量的計算公式為：

=×(1-2)×2/(2π)2（7）

其中：為空氣阻尼比，為阻尼振動周期。

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 質量、質心測量

質量和質心測試部分的測控硬件，主要由稱重傳感器、變送儀表、直流電源和計算機等組成。

質量和質心測試部分的測控系統硬件方案以計算機為控制核心，并選配稱重傳感器及變送儀表；供電電源設計采用交流220V、50Hz輸入；質量和質心測試部分測控系統原理框圖如圖2所示。

圖2 質量和質心測控系統原理圖

3.2 轉動慣量測量

轉動慣量測試部分的測控硬件主要由接近開關、周期測量儀、氣動電磁閥和計算機等組成。

轉動慣量測試部分的測控系統硬件方案以計算機為控制核心，并以接近開關作為檢測元件，供電電源設計采用交流220V、50Hz輸入。轉動慣量測試部分測控系統原理框圖如圖3所示。

圖3 轉動慣量測控系統原理圖

3.3 調姿裝置

圖4 調姿裝置及無人機裝配圖

為了實現無人機三個方向的質心及轉動慣量的測量，必須對無人機進行姿態調整，通過解耦多個姿態無人機的參數變量，獲取無人機的全部質量特性參數，如圖4所示。

調姿裝置用于實現無人機滾轉旋轉±10°、俯仰旋轉±10°，故結構設計上將其構造為兩層旋轉框架，每層框架獨立驅動，可分別繞兩個相互垂直的軸旋轉，兩軸運動互不影響。因此，調姿裝置由旋轉驅動電機、傾角傳感器及接近開關等組成，控制原理如圖5所示。

圖5 調姿裝置控制原理圖

上位機與嵌入式控制器通訊，設定滾轉或俯仰的角度，嵌入式控制器校驗并解析數據，自動輸出方向和一定頻率的脈沖信號，并實時讀取相應傾角傳感器的數據，姿態調整到位后或檢測到接近開關信號后，停止發送脈沖信號，電機停轉。為了提高系統安全性，設置有手持式急停按鈕，用于緊急情況下的系統斷電，停止姿態調整。

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

4 系統標定

4.1 質量質心標定

質量質心測試精度主要取決于系統的測試精度。要提高系統的測試精度，必須進行設備標定。

本設備對測量系統進行多級標定，根據不同型號無人機的質量分布特性，將設備劃分為多個承載區間，通過標定砝碼進行多級標定，降低設備的非線性誤差。

在理想狀況下，設備的輸出與輸入完全一致，即二者對應關系如圖6中的直線，但因非線性因素的影響，實際二者的對應關系如下：

=0+1+22+……ax（9）

其中：為設備輸入值，為設備輸出值，0為設備零點輸出值，1為設備靈敏度，2a為設備非線性項系數。

由于非線性項系數的影響，設備的輸入與輸出的對應關系如圖6中曲線。為了降低系統非線性誤差，對設備進行三級標定，即將設備的承載區間區分為四段，將每相鄰兩段直線作為系統各分區間的輸入和輸出的對應關系，以此提高設備的測試精度。

對系統進行三級標定時，通過定位柱將標定砝碼加載于設備的中心。標定砝碼經過計量院的質量校準，且經過動平衡校準，確保砝碼質量參數準確且質心在幾何中心附近。通過計算砝碼質量校準值與系統測量值，實現對系統三個量程區間系數的分段標定。

如圖7所示，此處以設備第一級標定為例，對設備的三級標定算法進行說明。

圖7 第一級標定原理圖

對設備進行分段標定，可以有效降低安裝精度、安裝誤差及設備平面度等因素對測試精度的影響。因設備測得的重量與理論重量會不一致，所以，設備的標定系數分別為：

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的標定系數；a、b、c——在線標定時，3處傳感器承載的理論重量；a、b、c——在線標定時，3處傳感器承載的實際重量。

4.2 轉動慣量標定

圖8 轉動慣量標定原理圖

因系統扭擺系數并非完全線性，為提高轉動慣量測試精度，須對扭擺剛度系數進行分段標定，以降低扭擺機構的非線性因素對測試精度的影響。如圖8所示，在此，用三級標定的方式，利用不同量級的標準轉子進行試驗，得到3個臨界點處的剛度系數。在測量過程中，根據被測量件的扭擺周期選擇相近扭擺周期的剛度系數，從而提高轉動慣量測量精度。轉動慣量標定方法與質量質心標定方法類似，通過分段標定，分別得到設備在不同轉動慣量區間的標定系數。

5 試驗驗證

表1 質量測試試驗數據

表2 質心測試試驗數據

表3 轉動慣量測試試驗數據

設備裝配調試完成后，分別對質量測試、質心測試及轉動慣量測試進行了驗證，用經過專業計量機構校準的砝碼和轉子對設備的測試結果進行了驗證,如表1～表3所示。并對設備進行了質量質心測試系數標定、轉動慣量測試系數標定。設備在無人機質量、質心和轉動慣量測試前，先進行設備和調姿裝置的各狀態下質量特性參數的測量，將測得的參數作為固有參數，然后無人機安裝到位，測得無人機和調姿裝置的合成質量特性參數，通過軟件集成處理，最終得到無人機的質量、質心及轉動慣量特性參數。

該方案集成化程度高，操作簡便。可同時實現質量、質心和轉動慣量的高精度一體化測試，質量測量精度可達0.03%，質心測量精度不大于0.163kg·m，轉動慣量測量精度高于0.25%。

6 結束語

針對無人機質量特性參數測試，提出了一種高精度一體化質量質心及轉動慣量測試方法，并通過測試試驗驗證了設備的性能指標。設計了無人機姿態調整裝置，可實現無人機-10°～10°的俯仰和滾轉的姿態調整，并結合集成軟件算法，實現質量、質心和轉動慣量的集成測試。通過標定模塊，對質量質心測試系統及轉動慣量測試系統進行多級標定，從而降低無人機質量特性參數的測試誤差。系統的質量測試精度可達0.03%，質心測試精度不大于0.163kg·m，轉動慣量測試精度高于0.25%，配置無人機轉接工裝，可實現多種機型無人機的質量、質心及轉動慣量的高精度測量。

1 趙躍. 無人機飛行數據綜合管理與分析系統研究[D]. 南京：南京航天航空大學，2012

2 張楠. 某型號無人機質量質心測量設備的研制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013

3 王洪鑫，徐在峰，趙科，等. 航天器質量特性測試技術新進展[J]. 航天器環境工程，2011，28(2)：171～174

4 Boynton R. How mass properties affect satellite attitude control[C]. Proceedings of the 67th Annual Conference of Society of Allied Weight Engineers, Seattle Washington. 2008：3457

5 Boynton R, Otlowski D. A new high speed mass properties instrument[C]. Proceedings of the 63rd Annual Conference of Society of Allied Weight Engineers, Newport Beach. 2004：3341

6 Michael E L. Tool for calculating the center of mass and moment of inertia of small arms weapons[R]. Unite Statues Army Research Lab, 2008: 2～3

7 Bulatovic Z M, Tomic M V, Knezevic D M, et al. Evaluation of variable mass moment of intertia of the piston-crank mechanism of an internal combustion engine[J]. Proceedings of the Institution if Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2011, 225(5): 687～702

8 王超. 大尺寸飛行器質量特性測量關鍵技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014

9 GJ2258—92. 衛星質量特性測試方法[S]

10 于榮榮，於陳程，王曉陽，等. 一種高精度冗余質量質心測試方法研究[J]. 航空制造技術，2018，61(3)：83～89

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，機械電子工程專業：研究方向：航天器非標智能裝備設計。

2019-06-12