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无人机地面运动的动力学建模及仿真

关永亮;侯玉秀;贾宏光;刘波;马伍元

【摘要】采用弹性轮胎理论,建立了前三点式无人机地面运动的动力学模型.该模型

考虑地面运动过程中无人机所要承受的来自地面、空气以及自身的作用力,描述了

无人机的地面运动过程.采用某一型号无人机的参数进行仿真,在仿真结果中提取无

人机地面运动过程中前轮侧向力、主轮侧向合力和左、右主轮地面支持力4个关

键数据,通过对这些数据进行分析,提出无人机地面运动动力学模型的约束条件,并得

到了无人机地面运动的可行域.

【期刊名称】《兵工学报》

【年(卷),期】2014(035)007

【总页数】6页(P1021-1026)

【关键词】航空、航天科学技术基础学科;无人机;轮胎;地面运动;仿真

【作者】关永亮;侯玉秀;贾宏光;刘波;马伍元

【作者单位】长春理工大学机电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学机电工

程学院,吉林长春130022;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春

130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学

院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033

【正文语种】中文

【中图分类】V214.1

无人机以其体积小,造价低,使用方便,对使用环境要求低等特点,已经成为目前航空领

域的一个热门研究对象。对无人机的研究一般都着重于对其飞行特性的研究,而随

着现代无人机对地面运动特性的要求日益增高,对无人机地面运动特性的研究变得

越来越重要[1-3]。

无人机地面运动特性通常是指,在地面运动过程中,无人机及其相关系统的几何学、

运动学和动力学特性[4-5]。无人机在地面运动时,在各种作用力的作用下,无人机和

轮胎的受力以及工作状况都会出现复杂的变化,这就要求对各种运动情况下的无人

机及轮胎的受力情况都应有清晰的了解和准确的把握[6]。

国内外对无人机地面运动模型已经进行了广泛的研究,但目前的模型还存在以下4

个方面不足:

1)模型不能同时考虑无人机的6个自由度,因此对无人机地面运动的考察不全面[7-

8];

2)模型的未知数大于方程的个数[9-10];

3)没有考虑轮胎的弹性特性[1];

4)没有考虑空气动力对无人机地面运动的影响[1]。

地面运动稳定性是衡量无人机地面运动特性的重要指标,无人机翻倒和轮胎滑动是

无人机地面运动过程中的多发事故。本文采用弹性轮胎理论,建立了无人机的地面

运动模型,用于了解和把握地面运动过程中无人机及轮胎的受力情况,保证无人机在

无翻倒和无轮胎滑动的情况下进行稳定的地面运动,提高无人机地面运动的稳定性。

1.1坐标系定义与基本假设

1.1.1坐标系定义

1)地面坐标系(Oxyz);

2)轮胎坐标系(Otxtytzt);

3)机体坐标系(Owxwywzw).

1.1.2基本假设

1)无人机模型为刚性模型,且质量为常数;

2)假设地面参考系为惯性参考系,即假设地面坐标系为惯性坐标系;

3)忽略地球曲率,即假设地球为平面;

4)假设机体xw轴和yw轴处于无人机对称面内。

1.2轮胎模型

1.2.1轮胎受力分析

在无人机地面运动过程中,轮胎要承受来自地面的多种作用力的作用,这些作用力具

体包括:1)地面支持力与滚动摩擦力

在地面运动过程中,无人机在重力作用下,轮胎与路面的接地印迹区域产生法向的相

互作用力,即地面支持力Fg,使轮胎发生变形[11]。由于轮胎变形时材料的内摩擦产

生弹性迟滞损失,使轮胎变形时所作的功不能完全收回,部分转化为热能损失在大气

中;同时轮胎在接地印迹区域有摩擦损失,以及轮胎滚动对外部空气有搅动损失,这些

能量损失都是产生滚动摩擦力Ft的原因。滚动摩擦力Ft与地面支持力Fg具有如

下的关系式:

式中:μ为轮胎的滚动摩擦系数。

2)侧向力与回正力矩

无人机在地面运动过程中,由于地面的凹凸不平对无人机产生颠簸,在操纵无人机进

行转弯时,由于轮胎内压不平衡以及侧风的作用等原因,使得轮胎和地面之间产生侧

向作用力Fl[11].轮胎在侧向力Fl的作用下会发生侧向变形。轮胎速度方向将不再

沿着坐标系xt轴方向,而是与坐标系xt轴方向产生夹角θ[11],称为轮胎的θ侧偏角。

侧向变形随着侧向力Fl的增加而增加,使得侧偏角θ也增加,侧向力和侧偏角的之间

具有如图1所示的曲线。从图1中可以看出,在一定范围内,侧向力Fl与侧偏角θ

具有正比关系[11],具体可以表示为