一种无人机重心测量及匹配推力线的装置及其方法与流程

本发明属于无人机发射技术领域，具体地说，涉及一种无人机重心测量及匹配推力线的装置及其方法。

背景技术：

目前无人机在各领域得到广泛的应用，如军事侦察、环境监测、环境执法、气象监测、国土调查执法、森林防火监测等领域。无人机的火箭助推发射及飞行控制对其重心位置的精度要求较高。无人机通过火箭进行发射方式是无人机最常见的起飞方式，其是指无人机利用发射架通过火箭助推发射，助推火箭燃烧完后自动脱离，由其主发动机完成飞行任务。助推火箭与无人机发射连接接口的轴线为推力线，是使无人机以满足一定角度发射的推力所在的直线，必须满足推力线的延长线与无人机的实际重心之间距离在一定范围内才能保证发射安全，因此在发射前需要测量无人机的实际重心，并调整推力线使之尽可能的过实际重心。

传统的无人机重心测量方法多为测量水平面内x和y轴重心位置，z轴重心难以测量。申请号为cn201310339311.6的发明专利《一种采用质心推算的无人机推力线校正法》，通过称重传感器测量出无人机水平放置时的质心，即水平方向x和y向重心坐标，然后将无人机旋转90度，通过测量水平重心的方式测得z向重心，以无人机质心的坐标和火箭筒推力座安装支点坐标两点组成推力线，根据计算出的推力线调整火箭助推器推力座安装角度，使火箭筒轴线和推力线重合，将调整好推力座角度的飞机安装在火箭助推器上。申请号为cn201611165562.7的发明专利《一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法》，采用微调俯仰角的方法，测量最大起飞重量不大于200kg的轮式起降小型无人机的重心。发明专利《一种采用质心推算的无人机推力线校正法》，在进行z向测量时，需要将无人机旋转90度，对飞翼布局中尺寸较大的无人机，旋转无人机十分困难，对火箭助推发射的无人机而言，旋转后无人机燃油重心位置发生变化，所测得z向重心并不准确；发明专利《一种轮式起降小型无人机用称重定重心方法》，所述方法仅针对小型轮式起降无人机称重定重心，以卷尺、地秤等为测量工具，以起落架为支撑点所测得x和y向重心误差较大，微调俯仰姿态（0~10°）测得z向重心也不够精确，难以实现对质量较大的无人机重心精确测量。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中对在火箭助推发射无人机的情况下，无人机的实际重心测量不准确，难以精确测量无人机z方向的重心，且无人机重心测量方法对大体积高重量的无人机不适用等缺陷，提出了一种无人机重心测量及匹配推力线的装置及其方法，通过装置调整无人机的角度，根据角度变化实现z方向重心的计算，相比于传统的计算方法，无人机位置变化小，操作简易且变化误差下，无人机的实际重心的测量更加精准，且可适用于大体积高重量的无人机实际重心测量及推力线的匹配中。

本发明具体实现内容如下：

本发明提出了一种无人机重心测量及匹配推力线的装置，与无人机连接，所述装置包括设置在最底端的底盘，所述底盘前段固定安装有前支撑架，后段安装有后支撑架，所述前支撑架包括分别位于底盘上方左右两侧的前支撑杆；

所述后支撑架底端为在所述底盘上可前后滑动的结构，且在底座上设置有用于限制后支撑架滑动的限位组件；所述后支撑架的上部包括位于底盘上方两侧的后支撑杆，所述后支撑架还包括配套设置在所述后支撑杆底端的升降手轮；

还包括用于测量称重的传感器，所述传感器包括分别设置在位于底盘上方左右两侧的前支撑杆上的一号传感器和二号传感器，还包括分别设置在位于底盘上方两侧的后支撑杆上的三号传感器和四号传感器；

所述无人机上对称设置有四个连接支撑部，在连接支撑部的末端连接有与一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器连接的可换支撑球；

还包括支撑结构，所述支撑结构为设置在底盘后段位于三号传感器和四号传感器之间的可伸缩支撑结构，且支撑结构的顶端与无人机支撑连接；

所述底盘上端面两侧设置有滑块导向槽，所述后支撑架的底部设置安装在滑块导向槽内的移动滑块；

所述限位组件为定位螺钉，所述底盘两侧设置螺纹孔，所述定位螺钉穿过螺纹孔与移动滑块限位固定连接；

所述一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器上设置有球窝；所述可换支撑球安装在球窝内与一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述支撑结构包括调节杆升降手轮，以及设置在底盘后段位于三号传感器和四号传感器之间的调节杆，所述调节杆升降手轮安装在调节杆上，用于调节调节杆的伸缩量；所述调节杆的顶端与无人机支撑连接。

工作原理：每个传感器量程约为无人机总重的一半，四个传感器分别安装在前支撑杆好人后支撑杆上，通过可换支撑球测量出对应无人机重量，在测量前，最好先将可换支撑球放在四个传感器上进行置零，这样使得测量结果更加精准；无人机重心测量时通过可换支撑球头部与称重传感器接触，球关节接触能消除部分侧向力；所述前支撑杆为支撑无人机前机身的支撑结构，其高度固定，前支撑杆与装置的底盘固定连接；所述后支撑杆为支撑无人机后机身的支撑结构，后支撑杆的高度通过升降手轮可上下调节，使无人机具备俯仰调节功能，调节高度通过侧面刻线显示，为了保证可换支撑球位置不变，后支撑杆升降的同时也能通过移动滑块在滑块导向槽内滑动；所述升降手轮，为后支撑杆专用升降手轮，通过观察后支撑杆上刻线，利用升降手轮控制后支撑杆调节高度；所述调节杆为配合后支撑杆调节的无人机预顶紧机构，调节后支撑杆升降及与前支撑杆的位置之前前，通过调节杆将无人机顶起，待后支撑杆调节到位后再通过调节杆将无人机降落，直到后支撑杆完全支撑无人机；所述调节杆升降手轮为控制调节杆升降的手轮；所述移动滑块为连接后支撑杆的滑动机构，可使后支撑杆在导滑槽内移动；所述定位螺钉用于紧固滑块，当后支撑杆分别通过其侧面轴线与导滑槽上表面刻线判断移动到位后，拧紧两侧定位螺钉；所述底盘为测量装置主体支撑框架结构，与前支撑杆固定连接；所述滑块导向槽为底盘上用于移动滑块的导滑槽，导滑槽侧面开有若干螺纹孔，便于滑块移动至不同部位时将其固定，导滑槽上表面有刻线，以便滑块移动所需的距离；所述推力线为助推火箭的轴线，或推力锥（安装在无人机上与火箭之间的接口）轴线。

本发明还提出了一种无人机重心测量及匹配推力线的方法，基于无人机重心测量及匹配推力线的装置，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将后支撑杆高度进行调节，确保一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器在同一水平面上对称分布；通过限位组件固定后支撑件；

步骤二：将可换支撑球分别放置在一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器的球窝上，然后对一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器进行置零；置零后将可换支撑球取下，在无人机腹部设置定位圆孔，将与可换支撑球连接的连接支撑部固定安装在定位圆孔内；

步骤三：建立自然坐标系xyz，将无人机吊装到进行无人机重心测量及匹配推力线的所述装置上，使得可换支撑球分别对应放置在一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器的球窝上，测量水平状态下无人机四个传感器的读数，并根据读数计算无人机在水平的x方向和y方向上的重心；

步骤四：利用支撑结构将无人机后部撑起，并使用升降手轮调节后支撑杆的高度，使得当无人机由后支撑杆进行支撑时，无人机沿着前支撑杆上的可换支撑球转动角度α；接着通过移动滑块移动后支撑杆，然后使用限位组件重新将后支撑件固定，并调节支撑结构，使得无人机后部重新由后支撑杆进行支撑；然后读取在倾角α的情况下，四个传感器的读数，并根据四个传感器的读数计算出无人机的竖直z方向的重心；

步骤五：根据计算得到的在x方向、y方向和z方向上的重心得到实际重心的坐标（x,y,z）；然后对推力线进行调节，使得实际重心与推力线匹配。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤三中根据读数计算无人机在水平的x方向和y方向上的重心的方法为：

首先设定在水平状态下一号传感器、二号传感器、三号传感器和四号传感器的读数分别为p1、p2、p3、p4；以无人机的前端点为自然坐标系的原点，设定一号传感器和二号传感器的球窝的球心的坐标分别为（c，-a，-e）和（-c，-a，-e），三号传感器和四号传感器的球窝的球心的坐标分别为（-c，-b，-e）和（c，-b，-e）；

然后根据力和力矩平衡的关系计算出无人机在x方向和y方向上的重心，具体计算公式如下：

其中，x为无人机在x方向的重心坐标，y为无人机在y方向上的重心的坐标。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤四中，计算无人机在竖直z方向上的重心的方法为：

首先设定飞机在倾角α的状态下，一号传感器和二号传感器保持位置不变，水平情况下的三号传感器和四号传感器位置移动为倾角α状态下的三号传感器和倾角α状态下的四号传感器；读取一号传感器和二号传感器，倾角α状态下的三号传感器和倾角α状态下的四号传感器的读数p1′，p2′，p5′，p6′；所述的三号传感器和四号传感器与倾角α状态下的三号传感器和倾角α状态下的四号传感器分别为同一个称重传感器，区别在于三号传感器和四号传感器是无人机水平重心测量时读数状态，而倾角α状态下的三号传感器和倾角α状态下的四号传感器为测量无人机竖直方向重心（z向）时，通过后支撑杆调节至一定倾斜角度时的称重状态，两种状态下，传感器的位置不同，且读数也发生变化，故为了有所区分，采用不同的表达。

然后以点（c，-a，-e）和点（-c，-a，-e）为端点得到一条旋转轴，以所述旋转轴为轴线，将飞机旋转倾角α，根据力和力矩平衡关系计算出无人机（7）在竖直z方向上的重心，具体计算公式如下：

；

其中，d为倾角α状态下的三号传感器和倾角α状态下的四号传感器的坐标在y方向上的绝对值，y为步骤三中计算出的y方向的重心值。

本发明还提出了一种无人机，可使用无人机重心测量及匹配推力线的装置及无人机重心测量及匹配推力线的方法进行重心测量及推力线匹配，所述无人机的机腹上对称设置有用于固定替换安装连接支撑部和可换支撑球的定位圆孔。

工作原理：所述无人机，适用于有重心测量及匹配推力线要求的无人机，如零长发射无人机；在无人机腹部预先设计具有位置精度的定位圆孔，可换支撑球可方便更换。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过测量无人机立体空间的重心，通过调节推力线位置匹配重心，改变了传统竖直吊挂法测量无人机推力线与重心之间距离的方法，不用翻转和吊挂飞机，简化了操作步骤，提高了效率；且本发明的方案中，在测量时，俯仰角连续可调，能提高无人机竖直方向重心（z向）测量精度，能满足较严格的推力线调节需求；通过此方法可显著节约无人机发射的综合保障费用。

附图说明

图1为本发明装置与无人机水平安装的立体示意图；

图2为图1中a部局部放大示意图；

图3为图1中b部局部方法示意图；

图4为本发明装置与无人机调节为有倾角的情况下的立体示意图；

图5为无人机水平状态下的计算实际重心的主视图；

图6为无人机水平状态下的计算实际重心的仰视图；

图7为无人机倾角α状态下的计算实际重心的主视图；

图8为无人机倾角α状态下的实际计算重心的俯视图。

其中：1、一号传感器，2、二号传感器、3、三号传感器，4、四号传感器，5、倾角α状态下的三号传感器，6、倾角α状态下的四号传感器，7、无人机，8、可换支撑球，9、前支撑杆，10、后支撑杆，11、升降手轮，12、调节杆，13、调节杆升降手轮，14、移动滑块，15、定位螺钉，16、底盘，17、滑块导向槽，18、实际重心，19、推力线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例提出了一种无人机重心测量及匹配推力线的装置，如图1、图2、图4所示，与无人机7连接，所述装置包括设置在最底端的底盘16，所述底盘16前段固定安装有前支撑架，后段安装有后支撑架，所述前支撑架包括分别位于底盘16上方左右两侧的前支撑杆9；

所述后支撑架底端为在所述底盘16上可前后滑动的结构，且在底座16上设置有用于限制后支撑架滑动的限位组件；所述后支撑架的上部包括位于底盘16上方两侧的后支撑杆10，所述后支撑架还包括配套设置在所述后支撑杆10底端的升降手轮11；

还包括用于测量称重的传感器，所述传感器包括分别设置在位于底盘16上方左右两侧的前支撑杆9上的一号传感器1和二号传感器2，还包括分别设置在位于底盘16上方两侧的后支撑杆10上的三号传感器3和四号传感器4；

所述无人机1上对称设置有四个连接支撑部，在连接支撑部的末端连接有与一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4连接的可换支撑球8；

还包括支撑结构，所述支撑结构为设置在底盘16后段位于三号传感器3和四号传感器4之间的可伸缩支撑结构，且支撑结构的顶端与无人机7支撑连接；

所述底盘16上端面两侧设置有滑块导向槽17，所述后支撑架的底部设置安装在滑块导向槽17内的移动滑块14；

所述限位组件为定位螺钉15，所述底盘16两侧设置螺纹孔，所述定位螺钉15穿过螺纹孔与移动滑块14限位固定连接；

所述一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4上设置有球窝；所述可换支撑球8安装在球窝内与一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4连接。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图3所示，所述支撑结构包括调节杆升降手轮13，以及设置在底盘16后段位于三号传感器3和四号传感器4之间的调节杆12，所述调节杆升降手轮13安装在调节杆12上，用于调节调节杆12的伸缩量；所述调节杆12的顶端与无人机7支撑连接。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例还提出了一种无人机重心测量及匹配推力线的方法，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，基于无人机重心测量及匹配推力线的装置，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将后支撑杆10高度进行调节，确保一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4在同一水平面上对称分布；通过限位组件固定后支撑件10；

步骤二：将可换支撑球8分别放置在一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4的球窝上，然后对一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4进行置零；置零后将可换支撑球8取下，在无人机7腹部设置定位圆孔，将与可换支撑球8连接的连接支撑部固定安装在定位圆孔内；

步骤三：建立自然坐标系xyz，将无人机7吊装到进行无人机重心测量及匹配推力线的所述装置上，使得可换支撑球8分别对应放置在一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4的球窝上，测量水平状态下无人机7四个传感器的读数，并根据读数计算无人机7在水平的x方向和y方向上的重心；

步骤四：利用支撑结构将无人机7后部撑起，并使用升降手轮11调节后支撑杆10的高度，使得当无人机7由后支撑杆10进行支撑时，无人机7沿着前支撑杆9上的可换支撑球8转动角度α；接着通过移动滑块14移动后支撑杆10，然后使用限位组件重新将后支撑件10固定，并调节支撑结构，使得无人机7后部重新由后支撑杆10进行支撑；然后读取在倾角α的情况下，四个传感器的读数，并根据四个传感器的读数计算出无人机7的竖直z方向的重心；

步骤五：根据计算得到的在x方向、y方向和z方向上的重心得到实际重心18的坐标x,y,z；然后对推力线19进行调节，使得实际重心18与推力线19匹配。注意，推力线19为推力锥的轴线，推力锥的结构以及调整方法具体见申请号为202010295496.5的发明专利申请，在此不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例3的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图1、图2、图5、图6所示，所述步骤三中根据读数计算无人机7在水平的x方向和y方向上的重心的方法为：

首先设定在水平状态下一号传感器1、二号传感器2、三号传感器3和四号传感器4的读数分别为p1、p2、p3、p4；以无人机7的前端点为自然坐标系的原点，设定一号传感器1和二号传感器2的球窝的球心的坐标分别为（c，-a，-e）和（-c，-a，-e），三号传感器3和四号传感器4的球窝的球心的坐标分别为（-c，-b，-e）和（c，-b，-e）；

然后根据力和力矩平衡的关系计算出无人机7在x方向和y方向上的重心，具体计算公式如下：

其中，x为无人机7在x方向的重心坐标，y为无人机7在y方向上的重心的坐标。

本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例3-4任一项的基础上，如图1、图2、图3、图4、图7、图8所示，为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤四中，计算无人机7在竖直z方向上的重心的方法为：

首先设定飞机在倾角α的状态下，一号传感器1和二号传感器2保持位置不变，水平情况下的三号传感器3和四号传感器4位置移动为倾角α状态下的三号传感器5和倾角α状态下的四号传感器6；读取一号传感器1和二号传感器2，倾角α状态下的三号传感器5和倾角α状态下的四号传感器6的读数p1′，p2′，p5′，p6′；

然后以点（c，-a，-e）和点（-c，-a，-e）为端点得到一条旋转轴，以所述旋转轴为轴线，将飞机旋转倾角α，根据力和力矩平衡关系计算出无人机7在竖直z方向上的重心，具体计算公式如下：

；

其中，d为倾角α状态下的三号传感器5和倾角α状态下的四号传感器6的坐标在y方向上的绝对值，y为步骤三中计算出的y方向的重心值。

本实施例的其他部分与上述实施例3-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例还提出了一种无人机，可使用无人机重心测量及匹配推力线的装置及无人机重心测量及匹配推力线的方法进行重心测量及推力线匹配，所述无人机7的机腹上对称设置有用于固定替换安装连接支撑部和可换支撑球8的定位圆孔。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。