[发明专利]一种基于四旋翼无人机倾斜角的横侧向风场估计方法

权利要求书

1.一种基于四旋翼无人机倾斜角的横侧向风场估计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立四旋翼无人机倾斜角与横侧向风速大小的关系

将四旋翼飞行器处在风场环境中，为了实现在指定位置的悬停，四旋翼飞行器需要保持倾斜角Φ，使升力T在横侧向的分量抵消风阻力D的影响；统计分析不同风速大小情况下，四旋翼无人机倾斜角的大小，标定得到四旋翼飞行器的倾斜角与横侧向风扰的函数关系；具体方法如下：

1.1、四旋翼倾斜角与风速大小函数关系标定

统计倾斜角与风速大小数据，对采样点趋势进行估计，采用二次函数来描述倾斜角Φ和风速V_w的函数关系，表达式如下：

其中，a、b、c为一元线性回归方程回归参数，a、b、c根据不同风速V_w所对应的不同倾斜角Φ，利用最小二乘参数辨识法来确定；

多组测量点数据可表示为：

将多组测量点数据关系式简化为：y＝Ψ·x，则待辨识参数x＝(a,b,c)^T的计算公式为：

x＝(Ψ^TΨ)^-1Ψ^Ty

1.2、获取倾斜角Φ

旋翼飞行器的倾斜角可以利用姿态角信息进行推算，具体的推算方法如下：选择“北东地”作为导航坐标系，即在导航坐标系下，x_n轴指向正北方向；y_n轴指向正东方向并与x_n轴垂直；根据右手定则，定义z_n垂直于地面并指向地心；在机体坐标系下，x_b轴沿机体纵轴，指向前方；y_b轴沿机体横轴，指向右翼；根据右手定则，定义z_b轴在机体对称平面内，与x_b轴垂直并指向机体底部；定义是导航坐标系下沿z_n轴正方向的单位向量，机体坐标系下沿z_b轴正方向的单位向量在导航坐标系下表示为倾斜角Φ即为这两个向量之间的夹角，其中可表示为：

其中，φ、θ、ψ分别为四旋翼无人机的滚转角、俯仰角和偏航角，都是通过陀螺仪等机载传感器测量确定的；

根据向量的点乘原理，倾斜角和这两个向量之间的关系表示为：

因为倾斜角Φ表示为：

cosΦ＝cosθcosφ

步骤2：获取横侧向风速和风向

四旋翼飞行器所处风场横侧向风速的大小表示为：

横侧向风速的方向应该与向量在O_nx_ny_n平面的投影的方向一致，则归一化后的横侧向风向矢量为：