第4期 林海涛，等：基于力传感的系留无人机定位方法研究 ·675· 。受力区 表1系留绳缆参数表 Table 1 Tethered rope parameter table 绳缆直 绳缆 绳缆 绳缆密度/ 径均值/mm 质量kg 长/m kg.m3 5.432 0.3589 5.12 3.026×103 3实验测试 VARIENSE 悬链线模型估计的定位数据需要与系留无人 机在室内所处空间位置的真实值对比获得定位精 度。系留无人机实验场地由3.2m×4m×2.8m行 图5三维力传感器 架和安全网搭建。无人机在室内的真实位置采用 Fig.5 Three-dimensional force sensor Marvelmind的Indoor“GPS”测定，Indoor“GPS” Variense FSE Reader 0× Eile Becorder Iools Help 由5个基站和一个GPS调节器组成，在实验场地 Eirt a8.. ●Start Recording■Et中ecardine Clear hecording 的4根行架柱与系留无人机上分别固定一个GPS Shew F,-00 F,-5 基站，实验场地如图7所示，室内GPS调节器与PC 2 连接，室内GPS定位系统定位稳定性高且不易受 Graph Kecording 外界环境影响，在室内能达到2cm的定位误差。 18 -12 Indoor Gps基站 ndoor Gps基站 00:0的2000：0027 0的0：28 00:00:29 00:00:00000 Receiving dataat 216 Hz 图6三维力传感器噪声 三维拉力传感器 系留硅胶线缆绕线机 Fig.6 Three-dimensional force sensor noise 无人机使用DIF450机架，三维力传感器悬 图7实验测试场地 挂于无人机底部重心位置，系留线缆通过螺纹螺 Fig.7 Experimental test site 栓与硅胶线缆连接。系留线缆末端与地面绕线机 由于绕线机不能自由旋转，因此不能实现绕 相连接，绕线机可控制绳缆长度变化，使绳缆始 线机与绳缆偏角的测量，在实验过程中做以下约 终能处于悬链线模型状态。 束，以便于实验数据的处理： 2.2绕线机与绳缆 1)绕线机的角度固定，不能在任意位置偏 绕线机可根据绳缆上张力大小使绳缆保持自 转，即不需要考虑绕线机被系留绳缆拖拽的方位角。 动收放。为了使实验效果明显，系留线缆选取了 2)系留无人机空间位置估计过程中忽略无人 密度较大的硅胶线缆，并且硅胶线缆不是完全均 机的飞行姿态（横滚、俯仰、偏航），把系留无人机 匀，为了减小绳缆密度不均匀产生的误差，这里 当作质点。 采用多点测量取平均值的方式获得绳缆密度。绳 3)坐标系的选取，以绕线机为原点建立笛卡 缆密度计算方式为 尔坐标系，系留无人机的位置是相对于坐标原点 O-V 的空间位置。 V=ar2.L 4数据分析 式中：m表示绳缆的总质量；V表示绳缆的总体 积：r表示绳缆半径；L表示绳缆总长，数据测定如表1 在实验场地中分别测量绳缆长度为1.2、1.8、 所示。 2.4、3.0m时的数据。为了验证该定位方法的有效 绕线机通过张力测试控制绳缆收放的同时绕 性，将Indoor“GPS”获取的数据表示系留无人机的 线机末端的编码器也能测量绳缆的长度L。 期望位置，悬链线模型下得到的数据表示估计位置。受力区 图 5 三维力传感器 Fig. 5 Three-dimensional force sensor 图 6 三维力传感器噪声 Fig. 6 Three-dimensional force sensor noise 无人机使用 DJI F450 机架，三维力传感器悬 挂于无人机底部重心位置，系留线缆通过螺纹螺 栓与硅胶线缆连接。系留线缆末端与地面绕线机 相连接，绕线机可控制绳缆长度变化，使绳缆始 终能处于悬链线模型状态。 2.2 绕线机与绳缆 绕线机可根据绳缆上张力大小使绳缆保持自 动收放。为了使实验效果明显，系留线缆选取了 密度较大的硅胶线缆，并且硅胶线缆不是完全均 匀，为了减小绳缆密度不均匀产生的误差，这里 采用多点测量取平均值的方式获得绳缆密度。绳 缆密度计算方式为    ρ= m V V = πr 2 · L 式中：m 表示绳缆的总质量；V 表示绳缆的总体 积；r 表示绳缆半径；L 表示绳缆总长，数据测定如表 1 所示。 LS 绕线机通过张力测试控制绳缆收放的同时绕 线机末端的编码器也能测量绳缆的长度 。 表 1 系留绳缆参数表 Table 1 Tethered rope parameter table 绳缆直 径均值/mm 绳缆 质量/kg 绳缆 长/m kg ·m−3 绳缆密度/ 5.432 0.358 9 5.12 3.026×103 3 实验测试 3.2 m×4 m×2.8 m 悬链线模型估计的定位数据需要与系留无人 机在室内所处空间位置的真实值对比获得定位精 度。系留无人机实验场地由 行 架和安全网搭建。无人机在室内的真实位置采用 MarveImind 的 Indoor “GPS”测定，Indoor “GPS” 由 5 个基站和一个 GPS 调节器组成，在实验场地 的 4 根行架柱与系留无人机上分别固定一个 GPS 基站，实验场地如图 7 所示，室内 GPS 调节器与 PC 连接，室内 GPS 定位系统定位稳定性高且不易受 外界环境影响，在室内能达到 2 cm 的定位误差。 Indoor Gps 基站 Indoor Gps 基站 三维拉力传感器 系留硅胶线缆 绕线机 图 7 实验测试场地 Fig. 7 Experimental test site 由于绕线机不能自由旋转，因此不能实现绕 线机与绳缆偏角的测量，在实验过程中做以下约 束，以便于实验数据的处理： 1) 绕线机的角度固定，不能在任意位置偏 转，即不需要考虑绕线机被系留绳缆拖拽的方位角。 2) 系留无人机空间位置估计过程中忽略无人 机的飞行姿态 (横滚、俯仰、偏航)，把系留无人机 当作质点。 3) 坐标系的选取，以绕线机为原点建立笛卡 尔坐标系，系留无人机的位置是相对于坐标原点 的空间位置。 4 数据分析 在实验场地中分别测量绳缆长度为 1.2、1.8、 2.4、3.0 m 时的数据。为了验证该定位方法的有效 性，将 Indoor “GPS”获取的数据表示系留无人机的 期望位置，悬链线模型下得到的数据表示估计位置。 第 4 期 林海涛，等：基于力传感的系留无人机定位方法研究 ·675·