一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，属于陆空两栖车辆技术领域。首先，根据空中飞行与地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型，得到空中飞行与地面行驶模式和陆空两栖车辆的位姿间的关系；然后，设计飞行与地面行驶自由切换的控制系统，该控制系统包括：位姿与模式判断模块、模式转换预警模块、转换执行模块和位姿反馈模块；最后，对地面行驶系统与空中飞行控制系统相应的输入输出参数进行控制，实现陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换。本发明专利技术迅速完成输入信号的采集与处理工作,结构简单，成本低，并且能实时控制整车系统的运行,并确保飞行与地面行驶模式自由切换。自由切换。自由切换。

【技术实现步骤摘要】
一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统


[0001]本专利技术属于陆空两栖车辆
，尤其涉及一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统。

技术介绍

[0002]野外环境十分恶劣,极端天气、颠簸的路面、以及高山河流往往成为重型车辆行驶的阻碍。陆空两栖车辆是一种新型智能机动平台,既能保证地面行驶,又能满足短时间的空中飞行。路面和空中的两栖运行模式，让车辆对于行驶环境的适应性大大提升。
[0003]陆空两栖车辆的控制系统相对于普通车辆更加复杂，目前还难以做到迅速完成输入信号的采集与处理工作,实时控制整车系统的运行,并确保陆空两栖车辆飞行与地面行驶模式能自由切换。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，包括如下步骤：
[0006]4)建立空中飞行与地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型，得到空中飞行与地面行驶模式和陆空两栖车辆的位姿间的关系；
[0007]5)构建飞行与地面行驶自由切换的控制系统，所述控制系统包括：位置与模式判断模块、模式转换预警模块、转换执行模块；
[0008]6)对地面行驶系统与空中飞行控制系统相应的输入输出信号进行控制，实现陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换。
[0009]优选的，步骤1)中空中飞行的陆空两栖车辆的运动模型为：
[0010][0011][0012][0013]其中分别为陆空两栖车辆在地面坐标系下x、y、z轴上的加速度；F为旋翼受到拉力，X为叶端损失系数，K
T
为拉力修正系数，σ为旋翼实度，C为旋桨的升力系数，
分别为横滚角、俯仰角和偏航角的导数，p、q和r为陆空两栖车辆绕x、y和z轴的角速度，m为陆空两栖车辆整体的质量，g为重力系数；
[0014]在地面坐标系上以陆空两栖车辆的质心为原点建立车体坐标系，车体坐标系原点在地面坐标系上的坐标为(X,Y)，地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型为：
[0015][0016]其中(X0,Y0)为陆空两栖车辆在地面坐标系下的坐标，为陆空两栖车辆运行状态下的偏角，为偏航角，为坐标系转换的角度，L为陆空两栖车辆的轴距，v0为陆空两栖车辆行驶速度。
[0017]优选的，所述位置与模式判断模块包括气压计与加速度计，判断陆空两栖车辆当前所处位置及模式；模式转换预警模块包括多方位超声波传感器，在探测到需要进行飞行与地面模式转换的信号后，向转换执行机构发出转换预警信号；转换执行模块包括空中飞行的旋翼和地面行驶的车轮，在未接收到转换预警信号时保障陆空两栖车辆的驱动运行，在接受到转换预警信号后完成飞行或地面行驶的模式切换。
[0018]优选的，步骤2)中：对于位置与模式判断模块：
[0019]位置判断：通过绝对压强与海拔高度的转换关系得到陆空两栖车辆当前所处的海拔高度H：
[0020][0021]式中：P为气压计采集当前位置的大气压值，P0为标准的大气压值；
[0022]位置判断中得到海拔高度H后对其进行校正，步骤为：
[0023]求解N次海拔高度值的总和H_sum：
[0024][0025]其中N为海拔高度值个数，H(i)为第i次海拔高度值；
[0026]求解N次海拔高度值的平均值H_average：
[0027]H_average＝H_sum/N
[0028]求解陆空两栖车辆相对于初始位置的相对高度值relative_H：
[0029]relative_H＝H
‑
H_average；
[0030]relative_H即为陆空两栖车辆当前所处位置；
[0031]模式判断：通过加速度计采集三轴加速度，并通过三轴加速度的矢量和提取运动特征，
[0032]计算三轴加速度矢量和：
[0033][0034]式中A_XYZ表示三轴加速度矢量和，A_X表示X轴方向上的加速度值，A_Y表示Y轴方
向上的加速度值，A_Z表示Z轴方向上的加速度值；
[0035]LA＞A
[0036]其中A为判断陆空两栖车辆是否处于空中飞行模式的阈值，且A＞0，LA为三轴加速度矢量和A_XYZ低通滤波之后得到的值，如果LA＞A,则陆空两栖车辆处于空中飞行模式，否则，陆空两栖车辆为地面行驶模式。
[0037]优选的，根据气压计、陀螺仪、加速度计和多方位超声波传感器的信号输出构建控制表，用1代表有信号变化输出，0代表无信号变化输出，F表示空中模式，G表示地面模式；步骤2)中对于模式转换预警模块，信号为(1,1,1,1)时，表示陆空两栖车辆正处于空中飞行模式，并多方位超声波传感器探测到需要进行模式转变的信号时，模式转换预警模块发出信号，陆空两栖车辆落回地面；信号为(0,0,0,0)时，表示陆空两栖车辆已完成陆地模式下的避障，模式转换预警模块发出信号，指挥陆空两栖车辆再次进行起飞，其他状态均为陆空两栖车辆运行过程中的位姿调整姿态。
[0038]本专利技术提供了一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，能迅速完成输入信号的采集与处理工作,结构简单，成本低，并且能实时控制整车系统的运行,并确保飞行与地面行驶模式自由切换。
附图说明
[0039]图1是本专利技术一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的框图；
[0040]图2是本专利技术一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的原理图；
[0041]图3是本专利技术一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的位置与模式判断模块示意图；
[0042]图4是本专利技术一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统的模式转换控制模型
具体实施方式
[0043]下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：
[0044]本专利技术可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本专利技术的范围。
[0045]步骤1，本控制系统在空中飞行过程中，其运动有6个自由度:前后(进退运动)；上下(升降运动)；左右(侧向移动)；俯仰运动；偏航运动；滚转运动。前三个反映了系统的中心运动,即线运动；后三个反映了系统绕重心的运动，即角运动。
[0046]根据旋翼的叶素理论，高度方向上可将受力简化为除重力和升力外不受其他力,同时不考虑翼型的影响，旋翼受到拉力F为
[0047][0048]式(1)中，X为叶端损失系数；K
T
为拉力修正系数；σ为旋翼实度；C为旋桨的升力系数。
[0049]将单旋翼模型的绝对速度v按机体坐标系分解，建立模型在x、y、z三轴下的线运动
方程，即
[0050][0051]式(2)中，u、v、ω分别为单旋翼模型空速在x、y和z轴上的投影；p、q和r为系统绕x、y和z轴的角速度；m为系统整体的质量。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，包括如下步骤：1)建立空中飞行与地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型，得到空中飞行与地面行驶模式和陆空两栖车辆的位姿间的关系；2)构建飞行与地面行驶自由切换的控制系统，所述控制系统包括：位置与模式判断模块、模式转换预警模块、转换执行模块；3)对地面行驶系统与空中飞行控制系统相应的输入输出信号进行控制，实现陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换。2.如权利要求1所述的一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，步骤1)中空中飞行的陆空两栖车辆的运动模型为：征在于，步骤1)中空中飞行的陆空两栖车辆的运动模型为：征在于，步骤1)中空中飞行的陆空两栖车辆的运动模型为：其中分别为陆空两栖车辆在地面坐标系下x、y、z轴上的加速度；F为旋翼受到拉力，X为叶端损失系数，K
T
为拉力修正系数，σ为旋翼实度，C为旋桨的升力系数，分别为横滚角、俯仰角和偏航角的导数，p、q和r为陆空两栖车辆绕x、y和z轴的角速度，m为陆空两栖车辆整体的质量，g为重力系数；在地面坐标系上以陆空两栖车辆的质心为原点建立车体坐标系，车体坐标系原点在地面坐标系上的坐标为(X,Y)，地面行驶的陆空两栖车辆的运动模型为：其中(X0,Y0)为陆空两栖车辆在地面坐标系下的坐标，为陆空两栖车辆运行状态下的偏角，为偏航角，为坐标系转换的角度，L为陆空两栖车辆的轴距，v0为陆空两栖车辆行驶速度。3.如权利要求2所述的一种陆空两栖车辆飞行与地面行驶自由切换的控制系统，其特征在于，所述位置与模式判断模块包括气压计与加速度计，判断陆空两栖车辆当前所处位置及模式；模式转换预警模块包括多方位超声波传感器，在探测到需要进行飞行与地面模
式转换的信号后，向转换执行机构发出转换预警信号；转换执行模块包括空中飞行的旋翼和地面行驶的车轮，在未接收到转换预警信号时保障陆空两栖车辆的驱动运行，在接受到转换预警信号后完成飞行或地面行驶的模式切换。4.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵又群，虞志浩，黄宇昂，张桂玉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：