一种无人机地面投放试验系统及方法与流程

1.本发明属于轻型无人机领域，涉及一种无人机地面投放试验系统及方法。


背景技术：

2.随着航空技术的发展，轻小型飞行器的应用范围越来越广泛。轻小型飞行器具有尺寸小、灵活机动等优点，但由于携带燃料较少，其续航时间和有效作战半径均有限，因此通过投放平台投放至目标区域和高度的飞行器应运而生。针对特定目标任务，该类型飞行器一般使用降落伞进行稳定投放。相比于常规飞行器，伞降式飞行器在投放过程中会经历“伞降-俯冲-平飞”特殊阶段，该阶段中飞行器的初始工作姿态具有较强的不确定性，进而影响飞行器控制律的设计。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种无人机地面投放试验系统及方法，通过调整重心位置和尾翼舵面偏角，测试飞行器低空投放后的俯冲改平飞行动力学特性，为飞行器的俯冲改平控制律提供设计依据。
4.本发明解决技术的方案是：一种无人机地面投放试验系统，包括飞行器模型、姿态测量传感器、吊装机构、吊塔以及弹性保护绳，其中，吊装机构包括电磁铁、配重块、安装盘；
5.姿态测量传感器位于飞行器模型的头部，用于测量并存储飞行器模型的运动姿态数据，包括三轴加速度、三轴角速度、三轴角度；配重块安装在飞行器模型的尾部，用来调整飞行器模型的姿态角和重心位置；电磁铁吸附配重块并安装在安装盘上，通过遥控电磁铁完成飞行器模型的释放；安装盘悬挂于吊塔的吊钩上，并由吊塔的吊钩完成飞行器模型的升降；弹性保护绳首端与安装盘相系，尾端与飞行器模型尾部相系，用于防止飞行器模型触地。
6.进一步的，所述电磁铁包括：直流供电电源，吸力电磁铁，可远程遥控通断的常闭继电器；常闭继电器安装于吸力电磁铁和直流供电电源之间。
7.进一步的，所述通过遥控电磁铁完成飞行器模型的释放具体为：在地面遥控常闭继电器断电，进而控制电磁铁断电，配重块和电磁铁之间失去电磁吸力，实现对飞行器模型远程遥控自主投放。
8.进一步的，所述飞行器模型为真实飞行器的缩比模型，包括外形尺寸成第一预设比例缩比，质量成第二预设比例缩比，确保飞行器模型的翼载与真实飞行器的翼载相同。
9.进一步的，基于本发明所述系统，提供一种无人机地面投放试验方法，包括以下步骤：
10.步骤1、进行地面操作：
11.步骤1.1、在地面完成飞行器模型的舵偏角、静稳定裕度参数的调整，通过选择配重块调整飞行器模型的初始姿态角度，使得飞行器模型到达预设姿态，姿态测量传感器通电；
12.步骤1.2、将飞行器模型通过电磁铁吸附吊装在安装盘上；
13.步骤1.3、根据试验工况确定弹性保护绳的长度，弹性保护绳首端与安装盘相系，尾端与飞行器模型的尾部相系，调整飞行器模型和弹性保护绳的相对位置，确保弹性保护绳处于机腹一侧；
14.步骤1.4、将安装盘悬挂于吊塔的吊钩上；
15.步骤2、进行升降操作：保持吊塔的悬臂处于最大高度，通过吊钩将飞行器模型升至预定高度；
16.步骤3、进行释放操作：飞行器模型升至预定高度后，测量并记录风速和风向；在地面遥控常闭继电器使电磁铁断电，飞行器模型开始投放，下落过程中飞行器模型自动由俯冲改为平飞；弹性保护绳拉住飞行器模型防止其触地或飞行太远对周边建筑造成损害，姿态测量传感器测量并存储从上电后到飞行停止整个过程的运动姿态数据；
17.步骤4、通过吊钩将飞行器模型降至地面，导出姿态测量传感器的运动姿态数据，得到飞行器模型投放后俯冲改平飞阶段静稳定裕度与飞行器姿态运动变化之间的动力学特性、纵向俯仰配平与飞行器姿态运动变化之间的动力学特性。
18.进一步的，步骤1.1所述飞行器模型的舵偏角的调整方式具体为：通过拆5装尾翼，更换尾翼与飞行器机身之间的转接楔块来调整尾翼舵偏角；尾翼后缘
19.向下，飞行器的俯仰配平迎角减小；尾翼后缘向上，飞行器的俯仰配平迎角增大。
20.进一步的，步骤1.1飞行器模型的静稳定裕度的调整方式具体为：不同的配重块具有不同的重量，通过更换较重的配重块使飞行器的重心后移，从而减0小飞行器的静稳定裕度；通过更换较轻的配重块使飞行器的重心前移，从而增
21.大飞行器的静稳定裕度。
22.进一步的，步骤1.1所述调整飞行器模型的初始姿态角的方式具体为：配重块具有不同的斜切面，通过更换不同斜切面的配重块与电磁铁吸附来调整飞行器初始姿态角。
23.5进一步的，每进行一次试验，步骤1.1通过控制变量的方式对舵偏角、静稳定裕度或初始姿态角度进行单独调整。
24.本发明与现有技术相比的有益效果是：
25.(1)本发明试验模型可通过拆装部件的形式完成不同静稳定裕度和舵偏角
26.的设置，便于试验工况的调整；且投放试验只需采用简单的试验工装和缩比飞0行器模型，试验方法简单，成本较低。
27.(2)本发明采用电磁铁实现飞行器与安装盘之间的连接，通过安装继电器对电磁铁的通电、断电情况进行遥控，实现飞行器远程自主投放，控制方式简单可靠。
28.(3)本发明通过更换配重块调整重心，通过调整尾翼舵面偏角调整纵向俯5仰力矩，在投放试验结束后读取传感器数据并分析变化趋势，实现测试飞行器低空投放后的俯冲改平飞行动力学特性的目标，为飞行器的俯冲改平控制律提供设计依据。
附图说明
29.图1为本发明实施例无人机地面投放试验系统连接图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步阐述。
31.如图1所示，一种无人机地面投放试验系统，其特征在于，包括飞行器模型1、姿态测量传感器2、吊装机构、吊塔6以及弹性保护绳7，其中，吊装机构包括电磁铁3、配重块4、安装盘5。
32.姿态测量传感器2位于飞行器模型1的头部，用于测量并存储飞行器模型1的运动姿态数据，包括三轴加速度、三轴角速度、三轴角度；配重块4安装在飞行器模型1的尾部，用来调整飞行器模型1的姿态角和重心位置；电磁铁3吸附配重块4并安装在安装盘5上，通过遥控电磁铁3完成飞行器模型1的释放；安装盘5悬挂于吊塔6的吊钩上，并由吊塔6的吊钩完成飞行器模型1的升降；弹性保护绳7首端与安装盘5相系，尾端与飞行器模型1尾部相系，用于防止飞行器模型1触地。
33.本实施例中，飞行器模型1具备调整姿态角、舵偏角、静稳定裕度参数的能力。其中，飞行器模型1的初始姿态角的方式具体为：配重块4具有不同的斜切面，通过更换不同斜切面的配重块4与电磁铁3吸附来调整飞行器初始姿态角。舵偏角的方式具体为：通过拆装尾翼，更换尾翼与飞行器机身之间的转接楔块来调整尾翼舵偏角；尾翼后缘向下，飞行器的俯仰配平迎角减小；尾翼后缘向上，飞行器的俯仰配平迎角增大。静稳定裕度的方式具体为：不同的配重块4具有不同的重量，通过更换较重的配重块4使飞行器的重心后移，从而减小飞行器的静稳定裕度；通过更换较轻的配重块4使飞行器的重心前移，从而增大飞行器的静稳定裕度。
34.本实施例中，飞行器模型1为真实飞行器的缩比模型，包括外形尺寸成一定比例缩比，质量成一定比例缩比，确保飞行器模型的翼载与真实飞行器的翼载相同。
35.本实施例中，电磁铁3包括：48v直流供电电源，48v/200kg吸力电磁铁，48v可远程遥控通断的常闭继电器；常闭继电器安装于48v/200kg吸力电磁铁和48v直流供电电源之间。在地面遥控常闭继电器断电，进而控制电磁铁3断电，配重块4和电磁铁3之间失去电磁吸力，实现对飞行器模型1远程遥控自主投放。
36.利用本发明所述的无人机地面投放试验系统，进行一次无人机地面投放试验，包括以下步骤：
37.s1、进行地面操作：
38.s1.1、在地面调整飞行器模型1状态为0
°
尾翼舵偏角；选择平切面的配重块4调整飞行器模型1的初始俯仰姿态角为-90
°
；配重块4质量m1kg，飞行器模型1的纵向静稳定裕度为15％；姿态测量传感器2通电；
39.s1.2、将飞行器模型1通过电磁铁3吸附吊装在安装盘5上；
40.s1.3、根据投放高度确定弹性保护绳7的长度为60m，弹性保护绳7首端与安装盘5相系，尾端与飞行器模型1的尾部相系，调整飞行器模型1和弹性保护绳7的相对位置，确保弹性保护绳7处于机腹一侧；
41.s1.4、将安装盘5悬挂于吊塔6的吊钩上。
42.s2、进行升降操作：保持吊塔6的悬臂处于最大高度，通过吊钩将飞行器模型1升至100m高度。
43.s3、进行释放操作：飞行器模型1升至100m高度后，测量并记录风速和风向；在地面
遥控常闭继电器使电磁铁3断电，飞行器模型1开始投放，下落过程中飞行器模型1自动由俯冲改为平飞；弹性保护绳7拉住飞行器模型1防止其触地或飞行太远对周边建筑造成损害；姿态测量传感器2测量并存储从上电后到飞行停止整个过程的运动姿态数据。
44.s4、通过吊钩将飞行器模型1降至地面，导出姿态测量传感器2的运动姿态数据；
45.s5、调整试验工况：重新选择更大质量m2kg、平切面的配重块4，调整飞行器模型1的纵向静稳定裕度至10％，保持飞行器模型1的尾翼舵偏角仍为0
°
，初始俯仰姿态角仍为-90
°
，重复上述s1.2～s4操作；
46.s6、对比分析：通过分析不同纵向静稳定裕度条件下飞行器模型1俯冲改平的运动姿态数据，可以确定，纵向静稳定裕度越小，飞行器模型1在飞行过程中的俯仰角速度越大，由俯冲改至平飞所用的时间越短，改平过程中机体所受垂向过载越大。
47.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种无人机地面投放试验系统，其特征在于，包括飞行器模型(1)、姿态测量传感器(2)、吊装机构、吊塔(6)以及弹性保护绳(7)，其中，吊装机构包括电磁铁(3)、配重块(4)、安装盘(5)；姿态测量传感器(2)位于飞行器模型(1)的头部，用于测量并存储飞行器模型(1)的运动姿态数据，包括三轴加速度、三轴角速度、三轴角度；配重块(4)安装在飞行器模型(1)的尾部，用来调整飞行器模型(1)的姿态角和重心位置；电磁铁(3)吸附配重块(4)并安装在安装盘(5)上，通过遥控电磁铁(3)完成飞行器模型(1)的释放；安装盘(5)悬挂于吊塔(6)的吊钩上，并由吊塔(6)的吊钩完成飞行器模型(1)的升降；弹性保护绳(7)首端与安装盘(5)相系，尾端与飞行器模型(1)尾部相系，用于防止飞行器模型(1)触地。2.根据权利要求1所述的一种无人机地面投放试验系统，其特征在于，所述电磁铁(3)包括：直流供电电源，吸力电磁铁，可远程遥控通断的常闭继电器；常闭继电器安装于吸力电磁铁和直流供电电源之间。3.根据权利要求2所述的一种无人机地面投放试验系统，其特征在于，所述通过遥控电磁铁(3)完成飞行器模型(1)的释放具体为：在地面遥控常闭继电器断电，进而控制电磁铁(3)断电，配重块(4)和电磁铁(3)之间失去电磁吸力，实现对飞行器模型(1)远程遥控自主投放。4.根据权利要求1所述的一种无人机地面投放试验系统，其特征在于，所述飞行器模型(1)为真实飞行器的缩比模型，包括外形尺寸成第一预设比例缩比，质量成第二预设比例缩比，确保飞行器模型的翼载与真实飞行器的翼载相同。5.基于权利要求1的一种无人机地面投放试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、进行地面操作：步骤1.1、在地面完成飞行器模型(1)的舵偏角、静稳定裕度参数的调整，通过选择配重块(4)调整飞行器模型(1)的初始姿态角度，使得飞行器模型(1)到达预设姿态，姿态测量传感器(2)通电；步骤1.2、将飞行器模型(1)通过电磁铁(3)吸附吊装在安装盘(5)上；步骤1.3、根据试验工况确定弹性保护绳(7)的长度，弹性保护绳(7)首端与安装盘(5)相系，尾端与飞行器模型(1)的尾部相系，调整飞行器模型(1)和弹性保护绳(7)的相对位置，确保弹性保护绳(7)处于机腹一侧；步骤1.4、将安装盘(5)悬挂于吊塔(6)的吊钩上；步骤2、进行升降操作：保持吊塔(6)的悬臂处于最大高度，通过吊钩将飞行器模型(1)升至预定高度；步骤3、进行释放操作：飞行器模型(1)升至预定高度后，测量并记录风速和风向；在地面遥控常闭继电器使电磁铁(3)断电，飞行器模型(1)开始投放，下落过程中飞行器模型(1)自动由俯冲改为平飞；弹性保护绳(7)拉住飞行器模型(1)防止其触地或飞行太远对周边建筑造成损害，姿态测量传感器(2)测量并存储从上电后到飞行停止整个过程的运动姿态数据；步骤4、通过吊钩将飞行器模型(1)降至地面，导出姿态测量传感器(2)的运动姿态数据，得到飞行器模型(1)投放后俯冲改平飞阶段静稳定裕度与飞行器姿态运动变化之间的动力学特性、纵向俯仰配平与飞行器姿态运动变化之间的动力学特性。
6.根据权利要求5所述的一种无人机地面投放试验方法，其特征在于，步骤1.1所述飞行器模型(1)的舵偏角的调整方式具体为：通过拆装尾翼，更换尾翼与飞行器机身之间的转接楔块来调整尾翼舵偏角；尾翼后缘向下，飞行器的俯仰配平迎角减小；尾翼后缘向上，飞行器的俯仰配平迎角增大。7.根据权利要求5所述的一种无人机地面投放试验方法，其特征在于，步骤1.1飞行器模型(1)的静稳定裕度的调整方式具体为：不同的配重块(4)具有不同的重量，通过更换较重的配重块(4)使飞行器的重心后移，从而减小飞行器的静稳定裕度；通过更换较轻的配重块(4)使飞行器的重心前移，从而增大飞行器的静稳定裕度。8.根据权利要求5所述的一种无人机地面投放试验方法，其特征在于，步骤1.1所述调整飞行器模型(1)的初始姿态角的方式具体为：配重块(4)具有不同的斜切面，通过更换不同斜切面的配重块(4)与电磁铁(3)吸附来调整飞行器初始姿态角。9.根据权利要求5所述的一种无人机地面投放试验方法，其特征在于，每进行一次试验，步骤1.1通过控制变量的方式对舵偏角、静稳定裕度或初始姿态角度进行单独调整。

技术总结
本发明涉及一种无人机地面投放试验系统及方法，试验系统包括飞行器模型、姿态测量传感器、电磁铁、配重块、安装盘、吊塔、弹性保护绳。飞行器模型通过电磁铁吸附在安装盘上，并由吊塔的吊钩完成试验模型的升降；利用吊塔平台，通过对电磁铁的通电、断电情况进行遥控，实现飞行器模型远程自主投放，开展飞行器模型的低空投放试验；通过更换飞行器模型尾部的配重块调整模型重心位置进而改变纵向静稳定裕度，通过调整尾翼舵面偏角进而改变纵向俯仰配平。读取姿态测量传感器数据，得到纵向静稳定裕度和纵向俯仰配平对飞行器模型低空投放后俯冲改平飞行动力学特性的影响，为飞行器模型俯冲改平控制律提供设计依据。改平控制律提供设计依据。改平控制律提供设计依据。


技术研发人员：薛海超 贾永清 李广佳 李喜乐 梁晗星
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/4/25