[发明专利]一种飞行器相对高度和相对姿态的测量系统及其测量方法

权利要求书

1.一种飞行器相对高度和相对姿态的测量系统，其特征在于：包括超声波测距模块、微处理器、温度传感器、湿度传感器和气压传感器，所述超声波测距模块、温度传感器、湿度传感器、气压传感器分别与微处理器相连；微处理器控制超声波测距模块向外发射超声波并接收对应的回波，同时温度传感器、湿度传感器和气压传感器将采集到的当前温度、湿度和气压信息发送到微处理器进行处理。

2.根据权利要求1所述的飞行器相对高度和相对姿态的测量系统，其特征在于：所述超声波测距模块为超声波传感器，其数量为四个，分别设置于飞行器的机头、机尾、左机翼末端和右机翼末端。

3.根据权利要求2所述的飞行器相对高度和相对姿态的测量系统，其特征在于：所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器通过I2C接口与微处理器相连。

4.一种基于权利要求2或3中任意一项所述测量系统的相对高度和相对姿态的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、通过微处理器控制超声波测距模块的发射和接收，并计算超声波从发射到接收的时间间隔Δt_n=t_n^k+1-t_n^k，其中，n=1,2,3,4；t_n^k为超声波测距模块的发射时间；t_n^k+1为接收到回波的时间；

步骤2、分别利用温度传感器、湿度传感器、气压传感器测量当前的大气温度T_k，其单位为摄氏度；当前的空气湿度H_k，其单位为百分比；当前空气压力值P_k，其单位为帕；

步骤3、利用步骤2中获得的当前空气压力值P_k、当前的大气温度T_k和当前的空气湿度H_k对超声波的传输速度进行补偿，得到精确的超声波传输速度V_c，具体为：

Vc=V0(1+TkT0)(1+0.3192HkPk)]]>

其中，V₀=331.45m/s，T₀=25℃；

步骤4、分别利用四个超声波测距模块进行采样，并利用误差补偿对当前时刻超声波测距模块与地面的距离进行补偿得到精确测量距离其单位为米：

d^nk=(dnk-dbias)dp]]>

其中，为当前时刻超声波测距模块与地面的距离，n=1,2,3,4，其单位为米；d_bias为测距常值偏移误差，d_p为测距比例系数；Δt_bias为中断或指令响应引入的固定延时误差；Δt_p为MPU时钟晶振偏差或分频误差引入的时间比例尺误差系数；

步骤5、根据机翼的对称性，利用步骤4中补偿后的超声波测距模块与地面的精确测量距离计算机翼中点下机腹距离地面的高度为单位为米;分别为误差补偿后的位于飞行器左机翼末端的超声波测距模块到地面的精确测量距离和误差补偿后的位于飞行器右机翼末端的超声波测距模块到地面的精确测量距离；

步骤6、确定俯仰角其单位为度，横滚角为其单位为度，分别为误差补偿后的位于飞行器机头的超声波测距模块到地面的精确测量距离、误差补偿后的位于飞行器机尾的超声波测距模块到地面的精确测量距离；L₁为机头和机尾之间的距离、L₂为左右机翼之间的距离。

5.根据权利要求4所述的相对高度和相对姿态的测量方法，其特征在于，还包括以下步骤，根据上一次机翼中点下机腹距离地面的高度d_m来选择本次超声波测距模块的触发采样方式，具体为：

利用获取测量高度分界点高度值d_max，其中l为四个超声波测距模块中两两之间的最短直线距离；判断机翼中点下机腹距离地面的高度d_m与测量高度分界点高度值d_max的大小；当d_m<d_max时，多个超声波测距模块同时触发并进行采样，此时有效地提高飞行器降落前接触地面阶段的采样率，从而提高姿态角的动态测量精度；当d_m≥d_max时，为避免各超声波模块间的串扰，采用分时触发的方法，对超声波测距模块按循环触发方式进行触发采样，提高测距的精度及稳定性。