[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

说明书

本发明涉及一种基于旋翼无人机倾斜角的横侧向风场估计方法，当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，使升力在横侧向的分量抵消风阻力的影响。从而通过预先标定得到的四旋翼飞行器的倾斜角与横侧向风扰的函数关系，进而估计悬停状态下飞行器所处风场环境的横侧向风扰信息。本发明依据已有的标准自动驾驶仪的传感器数据，包括陀螺仪、GPS接收机、加速度仪等，不需要增加额外的气象测风设备，如风速测量仪等。可以快速准确的实现在线风场测量，可为航空航天以及森林防火等活动提供技术支持。

技术领域

本发明涉及一种基于四旋翼无人机倾斜角的横侧向风场估计方法，可为航空航天以及森林防火等活动提供技术支持，属于大气科学技术领域。

背景技术

在风场测量方面，真实的大气风场信息是随着时间和空间变化的。为了获取完整的时空区域风场信息，广泛采用的风场测量手段有：风速仪测风、气球测风、风廓线雷达测风等方法。在大范围、实时测风的工程应用中，上述传统陆基测风仪器设备的昂贵和平台依赖性等弊端就体现了出来。然而，无人机中的旋翼机市场化速度不断加快，且具有低空飞行、定点悬停、可在危险环境中飞行等特点。该测风方法可以不依赖附加传感器，根据旋翼机在风场中的姿态变化解算出风场矢量的变化将能够实现定点实时测风，并且保证较高的测量精度。

在已有的无人机飞行试验以及风场获取方法中，无法做到对测量的风场信息进行实时的运用，一般会利用实验后所记录的数据实现对无人机风场的估计。该种方法失去了时效性，且比较复杂，应用效果并不好。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于四旋翼无人机倾斜角的横侧向风场估计方法，可以准确实时的获取高空风场信息，为航空航天以及森林防火等活动提供技术支持。

技术方案

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