基于多旋翼无人机的多连杆仿生起落架设计与仿真.pdf
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1、航空科学技术Aeronautical Science&TechnologyJun.25 2023 Vol.34 No.06 77-85基于多旋翼无人机的多连杆仿生起落架设计与仿真任佳,王计真,杨正权,刘小川中国飞机强度研究所 结构冲击动力学航空科技重点实验室,陕西 西安 710065摘 要:传统的多旋翼无人机着陆架存在对着陆场地适应性差、智能化程度低的缺点,设计一种具备复杂地形自适应起降的着陆装置对多旋翼无人机的发展具有重要意义。本文设计了一种基于多连杆混联机构的仿生起落架,针对单腿的设计构型进行驱动力矩分析与机构优化,在此基础上完成结构设计,并以多旋翼无人机为对象,设计了一套四腿仿生起落架系
2、统,针对四腿机构进行典型地形着陆仿真。结果表明,多连杆仿生起落架设计方法可应用于多旋翼无人机的起落架设计中,并实现多旋翼无人机在非结构地形的自适应着陆。关键词:多旋翼无人机;仿生起落架;设计;仿真中图分类号:V285 文献标识码:A DOI:10.19452/j.issn1007-5453.2023.06.010 近年来,由于需要执行的任务越来越复杂,多旋翼无人机的工作环境也越来越复杂,常需要在一些未知的环境起降,况且工作过程中存在很多不确定性因素,因此对其起降要求也越来越高1-2。现阶段多旋翼无人机均采用由金属或碳纤维管制成的固定式脚架作为起落架,由于其机动性和灵活性较差,导致多旋翼无人机起
3、降时对地面的平整度和坡角要求较高,需要寻找合适的场所或建立着陆场地用于多旋翼无人机起降3。在遇到某些特殊地形(如乱石滩、坡度较大地带)时,多旋翼无人机可能无法正常起降,加之其不能收起,对多旋翼无人机的近地飞行也会造成一定影响,甚至会造成脚架或机体的损坏,影响飞行质量。蝗虫、蜻蜓等自然界中的昆虫,均采用复眼观察、足部感知和腿部伸展协调配合的方式多点着地栖落,可在树梢、花草等任意地形上稳定停靠。近年来,足式机器人的腿部拓扑结构和驱动方式大都参照了动物腿部构造特点,由于在复杂环境下具有更高的灵活性与环境适应性,更容易实现复杂地形的稳定行走与爬行4。所以,考虑垂直起降飞行器的着陆特点和飞行昆虫栖落具有
4、诸多相似性,依托足式机器人腿部设计技术,提出一种基于仿生腿结构的地形自适应起落装置设计方法。近年来,国内外相关机构相继开展仿生起落架的研究工作,并取得了一定的研究成果。2015年,佐治亚技术学院在美国国防部预先研究计划局(DARPA)专项经费支持下,率先设计了四足仿生腿起落架“robotic landing gear”,可在飞行时折叠于机腹、着陆时伸展支撑地面,配备足底压力感知设备,保证地形自适应性和机身平衡调节能力5-6。此外,苏黎世应用科技大学采用电动丝杠驱动设计了四自由度仿生腿7,英国爱丁堡龙比亚大学设计了足端带有直杆的双腿结构起落架8,俄罗斯索尔科沃科技学院设计了足端安装惯性单元的四腿
5、式八自由度起落架9,南京航空航天大学设计了一种带有三个液压伸缩杆的起落架结构10,合肥工业大学采用单自由度四杆机构也设计了一种针对小型无人直升机的仿生起落架11,中国飞机强度研究所针对无人直升机平台开展仿生腿式起落架设计并完成了针对不同重量(质量)级的垂直起降飞行器的设计可行性论证12。本文基于多连杆混联机构提出多旋翼无人机的仿生腿式起落架设计方法,并基于某型多旋翼无人机验证平台完成仿生腿起落架的仿真,证明设计方法的有效性。收稿日期:2022-12-11;退修日期:2023-04-05;录用日期:2023-05-08基金项目:航空科学基金(2017ZA23001;20184123011)引 用
6、 格 式:Ren Jia,Wang Jizhen,Yang Zhengquan,et al.Design and simulation of multi-link bionic landing gear used on UAVsJ.Aeronautical Science&Technology,2023,34(06):77-85.任佳,王计真,杨正权,等.基于多旋翼无人机的多连杆仿生起落架设计与仿真 J.航空科学技术,2023,34(06):77-85.航空科学技术Jun.25 2023 Vol.34 No.061 单腿机构设计多旋翼无人机的仿生起落架不同于传统的固定式脚架,融合了仿生设计理念
7、和自适应着陆控制,有多条腿对称分布于多旋翼无人机的机身下方,实现多旋翼无人机的着陆支撑和地形自适应。1.1 单腿机构运动学与动力学建模仿生腿式起落架采用多条相同设计的腿部结构,这里以单腿结构为例,给出腿部结构的设计方法。对于较成熟的腿足式爬行机器人腿部结构的设计,采用串联式和并联式,这两种构型均不适用于起落架设计。考虑仿生起落架的承载能力和收放折叠需求,单腿采用多连杆混联机构的构型,如图1所示。单腿作为多腿起落架的一部分,以满足着陆地形适应性为目的,设计时尽可能减轻自重,所以不考虑腿部旋转自由度,单腿为两自由度结构。单腿结构由两个四连杆机构ABCD、EFGD和一个平行四边形机构DGHI组成,两
8、个驱动关节安装于A点和E点。单腿机构共有两个自由度12个连杆,杆AB、杆BC、杆CD、杆DA、杆EF、杆FG、杆GD、杆DE、杆GH、杆DI、杆IH和杆HN 12个连杆的长度分别用lAB、lBC、lCD、lDA、lEF、lFG、lGD、lDE、lGH、lDI、lIH和lHN表示。杆CD和杆DI为一个连杆,中间存在一个铰点D,将其看作固结的两个连杆,杆IH和杆HN类似。铰接点D点、A点和E点与机身相连。分析过程中,以D为坐标原点,假定已知连杆AB和连杆EF的方位角(定义为与x轴正向的夹角)。基于刚体假设,采用解析法,建立关节转角与足端坐标的定量函数关系,即求解足端N的坐标(xN,yN)。在四连杆
9、机构 ABCD 中,AB为主动杆件,CD 为从动杆,BC为连杆,DA为机架,已知各杆杆长分别为lAB、lCD、lBC和lDA,主动杆方位角AB,机架角DA,计算连杆BC和从动杆CD的方位角BC和CD,以及节点A、B、C的坐标。根据矢量理论,建立各连杆之间的空间位置关系可得lABeiAB+lBCeiBC+lCDeiCD+lDAeiDA=0(1)将其在x轴和y轴上进行分解,消去BC后,可得如下的方程CD=2arctanF+NE2+F2-G2E-G(2)其中E=-lABcos(AB)-lDAcos(DA)(3)F=-lABsin(AB)-lDAsin(DA)(4)G=lAB2+lCD2+lDA2-l
10、BC2-2lABlDAcos(AB)lDAcos(DA)-2lABlDAsin(AB)sin(DA)/2lCD(5)在式(2)中,N为符号系数,当BDC按逆时针方向时,N=1,反之N=-1。解出CD后,可通过式(6)得BCBC=arctanF-lCDsin(CD)E-lCDcos(CD)(6)得到各杆方位角,即可确定A、B和C节点坐标 xA=lDAcos(DA)+xD,yA=lDAcos(DA)+yDxB=lABcos(AB)+xA,yB=lABcos(AB)+yAxC=lBCcos(BC)+xB,yC=lABcos(BC)+yB(7)四连杆机构EFGD和四连杆机构ABCD相同,求解方法相同,
11、不再赘述。由于连杆DI和连杆CD共线,则有DI=CD;同理,在四连杆机构中可求得GD的方位角GD。在平行四边形机构DIHG中,杆件IH的方位角IH=GD。在DIN中,有lDNeiDN=lDIeiDI+lINeiIN(8)得到DI和IN后,已知D点为原点,根据坐标分解,则可得到足底N的坐标6xN=lDIcosDI+lINcosINyN=lDIsinDI+lINsinIN(9)上文给出的正运动学过程,用矩阵形式描述为 xNyN=D (10)在式(10)中,D为与各杆长度有关的矩阵,(xN,yN)为足底坐标,,分别为主动杆AB和主动杆EF的驱动角度。仿生腿式地形自适应起落架的腿部具有轻量化的特点,且
12、大部分质量集中于垂直起降飞行器的机体上,计算驱动力矩时忽略腿部机构的重力影响。基于虚功理论,采用解析方法建立电机输出力矩与足端支反力的定量函数关系,可为电机、减速机选型及后续控图1单腿机构设计图Fig.1Mechanism diagram of one-leg78任佳 等:基于多旋翼无人机的多连杆仿生起落架设计与仿真制策略提供依据。根据虚功原理,可得FxFy xNyN=MAME AE(11)上述运动学推导可得出足底坐标与关节驱动角的关系,将式(10)代入式(11),有 MAME=DT FNxFNy(12)在式(12)中,FNx和FNy为足底载荷在x方向和y方向的分量,MA和ME为A点和E点的驱
13、动力矩。1.2 结构驱动力矩分析基于建立的理论分析方法,针对图1的机构设计,进行单腿结构设计与承载能力分析。这里,以各杆件长度、机架角和为优化变量,以足底运动范围满足设计使用场景的设计着陆地形要求为约束条件,以驱动杆的输出驱动力矩最小为优化目标,并适当考虑安装干涉,单腿机构各优化变量见表1。基于此设计结果,遍历驱动杆AB杆和EF杆的可行运动范围,可得单腿足端的运动空间,如图2所示。通过单腿机构运动仿真可以看出,驱动杆AB和EF在整个360周期内运动,足底的运动空间在三、四象限,单腿机构可完全折叠收起。固定EF杆,在-180,180的周期内旋转AB杆,可以得出驱动杆AB和EF的输出扭矩如图3所示
14、;固定AB杆,在-180,180的周期内旋转EF杆,可以得出驱动杆AB和EF的输出扭矩如图4所示。通过力矩输出曲线可以看出,在运动过程中AB杆和EF杆的驱动力矩是解耦的,EF杆的驱动力矩与AB杆的驱动角无关;同时AB杆的驱动力矩也与EF杆的驱动角无关。驱动部件选型时,尽可能考虑足端运动空间内承受最大的负载,所以着陆过程中使用死点两端的慢回区间,以降图4EF旋转时AB和EF输出扭矩Fig.4The torques of AB and EF during EF turning表 1 单腿连杆尺寸Table 1 Size of the one-leg coupling bars项目lAB/mmLBC
15、/mmlCD/mmlDA/mmlEF/mmlFG/mmlGD/mmlDE/mmlDI/mmlGH/mmlIH/mmlHN/mm/()/()尺寸46.91481.6410010056.74792.8982.2610030030082.26317.7416016030020010001002003007006005004003002001000X/mmY/mm图2单腿坐标下的足端运动空间可行域Fig.2Workspace of foot in one-leg coordinate图3AB旋转时AB和EF输出扭矩Fig.3The torques of AB and EF during AB turn
16、ing79航空科学技术Jun.25 2023 Vol.34 No.06低对驱动力矩的要求。所需最大输出扭矩分别为38Nm和63Nm,即可满足承载要求。2 基于验证平台的仿生起落架设计为实现仿生起落架系统设计,基于已研制的某型多旋翼无人机平台实现仿生起落架系统设计,实现无人直升机自适应着陆的功能。2.1 验证平台及仿生起落架设计为实现仿生起落架设计,选择的某型多旋翼无人机平台如图5所示。无人机的性能参数见表2。采用4条单腿构成仿生腿起落架系统,4条腿采用对称十字分布且构型相同,安装于转接盘。为了便于仿生腿式起落架与原着陆架之间的转换与拆卸,保留原着陆架安装接口,转接盘与多旋翼无人机采用原安装接口
17、连接,并加装橡胶以达到隔振的目的。系统设计如图6所示,单腿设计如图7所示。仿生起落架系统设计总重35kg,考虑20%的安全余量,有效承载100kg,单腿输出力矩为65Nm。仿生起落架系统包括辨识系统(包括惯性测量单元(IMU)、全球定位系统(GPS)、激光雷达和视觉相机)、驱动系统(包括电机、减速机、制动器和驱动器)、机械系统(仿生腿、机械传动杆等)、控制系统(飞控系统、仿生腿控制系统)4个部分。2.2 起降原理与控制系统设计多旋翼无人机在着陆过程中,可分为三个阶段,分别是高空高速下降阶段、低空低速下降阶段、悬停及触地调整阶段,如图8所示。在高空高速下降阶段,选定目标降落区域并得到关节空间规划
18、,使飞行器飞往目标区域垂直上空进行垂直降落,采取较快的下降速度,在距离目标点垂直高度小于20m时结束此阶段。在低空低速下降阶段,飞行器以较低速度垂直下降,足端触地前完成关节空间的预定轨迹跟踪,足端触地时结束此阶段。在悬停及触地调整阶段,飞行器悬停并开启腿部阻抗控制以消除误差及干扰影响,使全部足端以柔顺的方式逐渐触地,足端全部触地且接触力接近期望力后,关闭飞行器发动机,利用阻抗控制保持整体稳定,至此完成降落。通过图8所示的着陆工作流程实现基于多旋翼无人机的仿生起落架控制。其控制原理框图如图9所示。通过图9的控制原理框图,对具体地形环境感知和建模,实现期望足力的跟踪,完成关节姿态调整,将力的偏差转
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