[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

摘要

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。

主权项

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Vw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Vw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＝(ΨTΨ)‑1ΨTy1.2、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：