无人机载荷重心偏移与配平监测

本项目面向挂载载荷后左右方向重量分布变化、悬停姿态修正增大或横摆增大的情况。模块根据左右推力差、滚转修正量、横摆速度和载荷利用率，估计横向重心偏移并判断配平是否超过安全包线。

与 无人机载荷质量估计 的区别：

  • 质量估计模块关注总载荷重量；
  • 本模块关注载荷横向位置和配平压力；
  • 不要求知道载荷绝对几何位置，只利用飞行动力学响应给出偏移估计。

1. 重心偏移估计

推力不平衡比例：

横向重心偏移的简化估计：

其中 m 是有效横向力臂参数。风险同时考虑：

当推力不平衡 ≥ 0.85，且滚转修正或横摆速度明显时，立即进入 UNSTABLE。

2. ROS 2 接口

话题 类型 方向 说明
/uav_payload/balance_sample std_msgs/String 输入 左右推力、滚转修正、横摆和载荷质量
/uav_payload/balance_assessment std_msgs/String 输出 推力不平衡、估算重心偏移和风险
/uav_payload/balance_advice std_msgs/String 输出 继续、降低机动、保持配平或中止降落

3. 构建与运行

source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --symlink-install --packages-select uav_payload_balance_guard
source install/setup.bash
ros2 launch uav_payload_balance_guard main.launch.py duration:=20

CSV 默认写入 /tmp/uav_payload_balance_runtime.csv。

4. Humble 虚拟机实测

Ubuntu 22.04.5 / ROS 2 Humble 下真实构建成功，VM 内 9 项 unittest 全部通过。ros2 launch 启动两个节点，运行 20 秒并记录 100 条状态。

实际状态迁移：

BALANCED → ADJUST_TRIM → OFFSET_WARNING → UNSTABLE
→ OFFSET_WARNING → ADJUST_TRIM → BALANCED

故障段估算横向重心偏移约 0.186 m，滚转修正超过 20°，横摆速度约 1.5 m/s；恢复后偏移降至 0.012 m。

VM 内实际终端截图同时记录了 Ubuntu/ROS 版本、colcon build、9 项单元测试、两个节点启动、重心状态迁移和 CSV 尾部：

ROS 2 Humble 虚拟机载荷重心实测终端

根据同一轮 CSV 生成的载荷重心曲线：

ROS 2 Humble 实际载荷重心状态

5. 限制

  1. 输入和重心偏移由确定性仿真生成，未在真实多旋翼或测力台上标定。
  2. 0.42 m 横向力臂是示例参数，实际值依赖机架、电机位置和载荷安装方式。
  3. 未区分阵风、机体气动不对称和载荷偏移造成的滚转修正。
  4. 当前只估计横向一维重心偏移，尚未估计前后和垂直方向。
  5. 模块不重新分配载荷，也不直接控制姿态或降落。

6. 大模型使用声明

使用 OpenAI Codex 辅助完成代码、测试、文档和运行图生成；作者已逐项复核代码、参数和结果，并对提交内容、数据真实性和后续维护负责。