CN106569507A - 一种无人机的飞行状态参数校正方法及*** - Google Patents

一种无人机的飞行状态参数校正方法及*** Download PDF

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
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Abstract

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机的飞行状态参数校正方法及***；所述无人机的飞行状态参数校正方法是通过获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正，在滤波过程中考虑气动环境的影响，提高状态参数的预测精度，降低了硬件成本。

Description

一种无人机的飞行状态参数校正方法及***
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机的飞行状态参数校正方法及***。
背景技术
目前，大部分四旋翼无人机的飞控算法在建模时不考虑风的影响，而只是在控制环节将风的影响视为扰动处理。针对上述问题，有部分在四旋翼无人机上增加了风速传感器来测量风速，但是目前风速传感器的价格较高，增加了成本，并且四旋翼无人机的浆在转动的过程中会产生气流，产生的气流会对风速传感器的测量造成了干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种无人机的飞行状态参数校正方法及***。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种无人机的飞行状态参数校正方法，包括：
获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；
根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；
根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正。
本发明采用的另一技术方案为：
一种无人机的飞行状态参数校正***，包括：获取模块、计算模块和校正模块；
所述获取模块，用于获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；
所述计算模块，用于根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；
所述校正模块，用于根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的无人机的飞行状态参数校正方法及***，通过获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正，在滤波过程中考虑气动环境的影响，提高状态参数的预测精度，降低了硬件成本。
附图说明
图1为本发明的无人机的飞行状态参数校正方法的步骤流程图；
图2为本发明的无人机的飞行状态参数校正***的结构示意图；
标号说明：
1、获取模块；2、计算模块；3、校正模块。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，本发明提供的一种无人机的飞行状态参数校正方法，包括：
获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；
根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；
根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的无人机的飞行状态参数校正方法，通过获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正，在滤波过程中考虑气动环境的影响，提高状态参数的预测精度，降低了硬件成本。
进一步的，所述预测气动环境参数函数的获取方法为：
S1、建立地面坐标系Se＝{xe，ye，ze}和机体坐标系Sb＝{xb，yb，zb}，并确定由地面坐标系Se到机体坐标系Sb的坐标转换矩阵R；
S2、气动环境作用下，对每一个旋翼的空气动力情况进行分析；
S3、根据S2的分析结果确定无人机由旋翼升力引起的转矩MB和由风力引起的转矩Mw；
S4、分别在地面坐标系中建立线运动方程和在机体坐标系中建立转动方程；
S5、计算得出带有气动扰动项的六自由度四旋翼无人机的预测气动环境参数函数。
所述步骤S1中假定四旋翼无人机是刚体且结构完全对称，地面坐标系的原点为地面上无人机起飞点，ze轴竖直向下，纵轴xe指向飞行方向为正，ye轴垂直于oexeze平面，其正方向由右手定则决定；机体坐标系固连于机体，其原点固连在机身质心，纵轴xb在飞行器对称平面内，与机体纵轴重合，指向机体头部为正；zb轴垂直于无人机对称平面，向下为正；yb轴直于obxbzb平面，其正方向由右手定则决定。
所述S2中分析用于得到每个旋翼的升力FTi、风力Fwi、扭矩MQi和转矩Mwi，其中i＝1，2，3，4，为旋翼标号，前旋翼为1、后旋翼为3、右旋翼为2、左旋翼为4。
旋翼的升力FTi大小为：FTi＝b·Ωi2，旋翼的扭矩MQi的大小为：MQi＝d·Ωi2；b是升力系数d是阻力系数，Ωi是旋翼i的旋转角速度。
无人机由旋翼升力引起的转矩为：
l是机体的臂长。
无人机由风力引起的转矩为：
l是机体的臂长。
S4是利用牛顿—欧拉方程建立线运动方程和转动方程，线运动方程和转动方程具体为
式中，X＝[x，y，z]T是四旋翼无人机质心的位置，m为质量，和分别是旋翼i的升力和风力，G＝[0，0，-g]T是重力加速度，ω＝[p，q，r]T是机体转动角速度，Jr是旋翼的转动惯量，ω×[0，0，JrΩr]项表示的是由于旋翼旋转而产生的陀螺转矩，J为惯性矩对角线矩阵：
Ixx，Iyy，Izz为轴向惯性主矩，MB是无人机由旋翼升力引起的转矩，Mw是无人机由风力引起的转矩，Ωr是旋翼的相对速度Ωr＝-Ω1+Ω2-Ω3+Ω4。
所述S5推导计算得出带有风场扰动项的六自由度四旋翼无人机的动力学模型具体为：
式中，[x，y，z]T是四旋翼无人机质心的位置，m为质量，四旋翼无人机的飞行姿态由姿态角Θ＝[φ,θ,ψ]T描述，滚转角φ为机体轴zb与通过机体轴xb的铅垂面间夹角，向右滚转时为正；俯仰角θ为机体轴xb与水平面间夹角，向上俯仰时为正；偏航角ψ为机体轴xb在水平面上的投影与地轴xe间夹角，向右偏航为正；U＝[U1，U2，U3，U4]T是控制向量，U1是升降或悬停控制量，U2，U3，U4分别是滚转，俯仰和偏航控制量；Ixx，Iyy，Izz为轴向惯性主矩；Jr是旋翼的转动惯量；l是机体的臂长；Ωr是旋翼的相对速度；
W＝[W1，W2，W3，W4，W5，W6]T为风场扰动项。
进一步的，所述预测气动环境参数函数为模拟无人机实际飞行过程中风参数函数。
参阅图2，本发明还提供的一种无人机的飞行状态参数校正***，包括：获取模块1、计算模块2和校正模块3；
所述获取模块1，用于获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；
所述计算模块2，用于根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；
所述校正模块3，用于根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正。
本发明提供的无人机的飞行状态参数校正***，通过获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正，在滤波过程中考虑气动环境的影响，提高状态参数的预测精度，降低了硬件成本。
进一步的，所述获取模块还包括预设单元；所述预设单元包括第一建立单元、分析单元、确定单元、第二建立单元和计算单元；
所述第一建立单元，用于建立地面坐标系Se＝{xe，ye，ze}和机体坐标系Sb＝{xb，yb，zb}，并确定由地面坐标系Se到机体坐标系Sb的坐标转换矩阵R；
所述分析单元，用于气动环境作用下，对每一个旋翼的空气动力情况进行分析；
所述确定单元，用于根据分析单元的分析结果确定无人机由旋翼升力引起的转矩MB和由风力引起的转矩Mw；
所述第二建立单元，用于分别在地面坐标系中建立线运动方程和在机体坐标系中建立转动方程；
所述计算单元，用于计算得出带有气动扰动项的六自由度四旋翼无人机的预测气动环境参数函数。
进一步的，所述预测气动环境参数函数为模拟无人机实际飞行过程中风参数函数。
具体计算过程如下：
1、计算无人机的飞行状态时间窗口内的均值和估计误差；
2、根据步骤1中的估计误差，计算得到无人机的飞行状态时间窗口内估计误差的均值；
3、根据步骤1得到的无人机的飞行状态时间窗口内的均值和步骤2中得到的无人机的飞行状态时间窗口内估计误差的均值，计算得到过程气动环境噪声的协方差矩阵；
4、积分步骤3得到的过程气动环境噪声的协方差矩阵，得到状态预测过程的方差矩阵；
5、计算无人机的飞行状态观测时间窗口内的观测均值；
6、计算无人机的飞行状态观测时间窗口内的误差；
7、计算无人机的飞行状态观测时间窗口内的过程噪声方差。
将步骤4得到状态预测过程的方差矩阵和步骤7得到的过程噪声方差带入卡尔曼滤波及其相关算法，对状态进行解算，得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正。
综上所述，本发明提供的一种无人机的飞行状态参数校正方法及***，通过获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正，在滤波过程中考虑气动环境的影响，提高状态参数的预测精度，降低了硬件成本。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种无人机的飞行状态参数校正方法，其特征在于，包括：
获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；
根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；
根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正。
2.根据权利要求1所述的无人机的飞行状态参数校正方法，其特征在于，所述预测气动环境参数函数的获取方法为：
S1、建立地面坐标系Se＝{xe，ye，ze}和机体坐标系Sb＝{xb，yb，zb}，并确定由地面坐标系Se到机体坐标系Sb的坐标转换矩阵R；
S2、气动环境作用下，对每一个旋翼的空气动力情况进行分析；
S3、根据S2的分析结果确定无人机由旋翼升力引起的转矩和由风力引起的转矩；
S4、分别在地面坐标系中建立线运动方程和在机体坐标系中建立转动方程；
S5、计算得出带有气动扰动项的六自由度四旋翼无人机的预测气动环境参数函数。
3.根据权利要求1所述的无人机的飞行状态参数校正方法，其特征在于，所述预测气动环境参数函数为模拟无人机实际飞行过程中风参数函数。
4.一种无人机的飞行状态参数校正***，其特征在于，包括：获取模块、计算模块和校正模块；
所述获取模块，用于获取无人机预设时间窗口的飞行状态参数；预设无人机飞行过程的预测气动环境参数函数；
所述计算模块，用于根据所述飞行状态参数和预测气动环境参数函数，计算得到无人机在预设时间窗口内实际气动环境参数的偏移量；
所述校正模块，用于根据所述偏移量对无人机的飞行状态参数进行校正。
5.根据权利要求4所述的无人机的飞行状态参数校正***，其特征在于，所述获取模块还包括预设单元；所述预设单元包括第一建立单元、分析单元、确定单元、第二建立单元和计算单元；
所述第一建立单元，用于建立地面坐标系Se＝{xe，ye，ze}和机体坐标系Sb＝{xb，yb，zb}，并确定由地面坐标系Se到机体坐标系Sb的坐标转换矩阵R；
所述分析单元，用于气动环境作用下，对每一个旋翼的空气动力情况进行分析；
所述确定单元，用于根据分析单元的分析结果确定无人机由旋翼升力引起的转矩和由风力引起的转矩；
所述第二建立单元，用于分别在地面坐标系中建立线运动方程和在机体坐标系中建立转动方程；
所述计算单元，用于计算得出带有气动扰动项的六自由度四旋翼无人机的预测气动环境参数函数。
6.根据权利要求4所述的无人机的飞行状态参数校正***，其特征在于，所述预测气动环境参数函数为模拟无人机实际飞行过程中风参数函数。
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