[发明专利]无人机安全控制设备及方法

权利要求书

1.一种无人机气象环境数据校准及飞行安全控制方法，其特征在于，所述无人机气象环境数据校准所涉及的设备包括微型计算机以及连接在微型计算机上的惯性测量单元、全球定位系统、环境气象传感器模块，其中所述环境气象传感器模块通过多串口采集板连接在微型计算机上，所述微型计算机上还连接有机载存储单元和地面工作站，惯性测量单元和环境气体传感器获取无人机的飞行姿态信息和环境信息，并将获取的信息传递到微型计算机进行计算和融合，通过计算得出数据，通过数据分析无人机飞行是否安全，微型计算机根据分析结果发出指令；

其中，所述飞行安全控制方法是利用无人机安全控制设备建立一套无人机风向风速观测数据的质量控制算法，该算法基于飞行姿态信息和环境信息因子与风速风向数据误差之间的关系，通过理论分析和订正模型，实现基于无人机测量风速风向的数据质量控制并获得校准数据，实时监控无人机飞行环境并根据校准数据判断危险程度，当高空环境处于危险状态下给予无人机返回指令，迫使无人机自动返航，提供大气环境探测安全保障；

所述算法步骤如下：

S1：获取当前环境气象传感器模块获得的风速WS和风向WD，并获取当前无人机的朝向角度yaw、无人机的翻滚角度roll、无人机的俯仰角度pitch以及无人机的水平移动速度DroneU和无人机的垂直升降速度DroneV；

S2: 根据所述翻滚角度roll、俯仰角度pitch计算无人机的倾斜面法线向量；其中，/，/，/；

S3: 根据所述无人机的朝向角度yaw计算正北方的单位向量；其中，，/，/；

S4: 计算正北方的单位向量在倾斜面上的投影向量/；其中，/；

S5: 根据正北方在倾斜面上的投影向量、倾斜面的法线向量/和风向WD，计算风向单位向量/；其中R为三维旋转矩阵：；

S6：计算无人机运动向量在倾斜面上的投影向量；其中，/，/；/为向量归一化函数；

S7：根据无人机运动在倾斜面上的投影向量、风向单位向量和风速WS计算无人机坐标下的水平风速向量/；其中，/；其中，/；

S8：根据无人机坐标下的水平风速向量和无人机的朝向角度yaw计算正北坐标系下的水平风速向量/；其中T为平面旋转矩阵：；

S9：根据正北坐标系下的水平风速向量计算调校后的风速WST和风向WDT：调校后的风速/；调校后的风向/；其中，/为扩展后的反正切函数：/；

其中，为弧度转角度函数，/为反正切函数；

S10：经过S1至S9的订正后，对于仍存在的风速误差，算法将进一步寻找其他无人机状态数据。

2.根据权利要求1所述的无人机气象环境数据校准及飞行安全控制方法，其特征在于，所述算法首先基于风的矢量拆解，校准由于无人机空中姿态导致的风速风向的观测误差，接着对于仍存在的风速误差，算法将进一步寻找其他无人机状态数据与观测差异之间的关系，拟合各未知待定参数，确定订正方程；其中，所述无人机空中姿态包括翻滚角、俯仰角、偏航角、垂直移动速度，所述其他无人机状态数据包括旋翼转速、传感器在无人机的位置。

3.根据权利要求1所述的无人机气象环境数据校准及飞行安全控制方法，其特征在于，所述其他无人机状态数据包括旋翼转速、传感器在无人机的位置，并拟合各未知待定参数，确定订正方程；其中△WS为仍存在的风速误差；Power为旋翼转速，用于表征旋翼风带来的可能影响，Dx和Dy分别为传感离无人机中心点x轴和y轴的距离，E为残差项，表征系统误差。

4.根据权利要求1所述的无人机气象环境数据校准及飞行安全控制方法，其特征在于，所述飞行安全控制方法根据校准数据及温度、湿度、气压环境气象传感器获得的数据，并通过微型计算机进行计算分析，实时监控无人机飞行环境并判断危险程度，微型计算机根据判断出的危险程度对无人机发出不同的指令，为大气环境探测提供安全保障。