一種四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法,屬于組合導(dǎo)航與自主導(dǎo)航領(lǐng)域。本發(fā)明利用四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型,與其機(jī)載傳感器相結(jié)合,對(duì)其速度、位置信息進(jìn)行估計(jì)。在本發(fā)明中,采用的氣動(dòng)模型參數(shù)包括旋翼半徑、空氣密度、旋翼實(shí)度、升力斜率、阻力系數(shù)、旋翼安裝角,采用的機(jī)載傳感器信息包括旋翼轉(zhuǎn)速、加速度、角速度、姿態(tài)、高度。該方法無需增加任何外部設(shè)備,可以提高四旋翼飛行器在無GNSS(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))飛行時(shí)的速度、位置估計(jì)精度,具有成本低、零載重、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)。
【專利說明】一種四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航與自主導(dǎo)航領(lǐng)域,具體涉及一種四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002]四旋翼飛行器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可懸停和垂直起降等優(yōu)點(diǎn),特別適合在近地面環(huán)境(如室內(nèi)、城區(qū)和叢林等)中執(zhí)行監(jiān)視、偵察等任務(wù),具有廣闊的軍事和民用前景。導(dǎo)航系統(tǒng)為四旋翼飛行器提供其飛行控制系統(tǒng)所必須的導(dǎo)航信息,是其完成各種復(fù)雜飛行任務(wù)的必要保障。
[0003]受四旋翼飛行器體積、載重、成本所限,其通常選用低成本、小型化的低精度機(jī)載導(dǎo)航傳感器。目前四旋翼飛行器常用的導(dǎo)航方案包含慣性傳感器、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、磁傳感器以及氣壓高度計(jì):其中慣性傳感器與磁傳感器組成航姿系統(tǒng),可提供姿態(tài)信息;慣性傳感器與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行信息融合,可提供速度與位置信息;氣壓高度計(jì)用以修正高度信息。
[0004]由于衛(wèi)星導(dǎo)航需要接收外界無線電信號(hào),在一些特殊情況下會(huì)受到人為或自然干擾(例如室內(nèi)飛行時(shí)),此時(shí)其速度、位置信息僅由慣性傳感器解算得到。當(dāng)四旋翼飛行器的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不 可用時(shí),慣性傳感器在解算速度、位置信息時(shí)采用推算算法,且四旋翼飛行器采用的慣性傳感器精度通常較低,致使其誤差隨時(shí)間快速發(fā)散,難以保證其定位需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法,通過采用氣動(dòng)模型參數(shù)作為輔助參數(shù),與其機(jī)載傳感器相結(jié)合,計(jì)算四旋翼飛行器機(jī)體系下的速度,進(jìn)一步計(jì)算導(dǎo)航系下的速度,提高了計(jì)算精度,解決了四旋翼飛行器在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不可用時(shí)的自主測(cè)速、定位不精確的問題。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法,包括如下步驟:
[0008]步驟一:周期讀取k時(shí)刻四旋翼飛行器機(jī)載傳感器信息,并計(jì)算k時(shí)刻四旋翼飛行
器機(jī)體系下的Z軸的速度GLt,然后,構(gòu)建卡爾曼濾波器計(jì)算P,,的在線補(bǔ)償參數(shù),計(jì)算補(bǔ)償后的機(jī)體系下的z軸的速度0fci—;
[0009]步驟二:按照如下公式計(jì)算k時(shí)刻四旋翼飛行器機(jī)體系下的速度Vbk:
[0010]v\ = [Vnbbxk V:M Vbnkk ],其中,Vbnbxk、Vbnbyk分別為k時(shí)刻四旋翼飛行器速度
在機(jī)體系下的X軸分量及Y軸分量;Kbxk、Kirk按照如下公式計(jì)算:V^nk = Fhxk / ka2rl,
Vi / = FbykIkalvk,其中Fbxk、Fbyk為k時(shí)刻機(jī)體系下四旋翼飛行器的水平方向氣動(dòng)力矢量Fbk在X、Y軸的分量,ka2vk為k時(shí)刻四旋翼飛行器的第一氣動(dòng)參數(shù);Fbk按照如下公式計(jì)算:[0011]Fbk = ,Ulfhk -C (24,其中m為四旋翼飛行器質(zhì)量,fbk為k時(shí)刻
三軸加速度的矢量表示,Ct為四旋翼飛行器k時(shí)刻導(dǎo)航系到機(jī)體系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣,mlk
為k時(shí)刻地球自轉(zhuǎn)角速度矢量在導(dǎo)航系下的投影,為k時(shí)刻導(dǎo)航系相對(duì)于地球系的角
速度矢量在導(dǎo)航系下的投影,VV1為四旋翼飛行器k-Ι時(shí)刻導(dǎo)航系下的速度;
[0012]ka2vk按照如下公式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法,其特征在于,包括如下步驟: 步驟一:周期讀取k時(shí)刻四旋翼飛行器機(jī)載傳感器信息,并計(jì)算k時(shí)刻四旋翼飛行器機(jī)體系下Z軸的速度^fci—,然后,構(gòu)建卡爾曼濾波器計(jì)算Kb±的在線補(bǔ)償參數(shù),計(jì)算補(bǔ)償后的機(jī)體系下z軸的速度; 步驟二:按照如下公式計(jì)算k時(shí)刻四旋翼飛行器機(jī)體系下的速度Vbk: K = [VL KL KL ],其中,Kxk、ViIk分別為k時(shí)刻四旋翼飛行器速度在機(jī)體系下的X軸分量及Y軸分量;Kxk、νχ,按照如下公式計(jì)算:v:bxk = Fbxk / ka2rk,yLb, = FhvkIKi'*,其中Fbxk、Fbyk為k時(shí)刻機(jī)體系下四旋翼飛行器的水平方向氣動(dòng)力矢量Fbk在X、Y軸的分量,ka2vk為k時(shí)刻四旋翼飛行器的第一氣動(dòng)參數(shù);Fbk按照如下公式計(jì)算:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法,其特征在于,采用如下公式計(jì)算k時(shí)刻四旋翼飛行器機(jī)體系下的Z軸的速度Ki1:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法,其特征在于,計(jì)算卡爾曼濾波器對(duì)的在線補(bǔ)償參數(shù)采用如下方法: (a)計(jì)算k時(shí)刻卡爾曼濾波器一步預(yù)測(cè)均方誤差Pkllrl
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四旋翼飛行器的氣動(dòng)模型輔助導(dǎo)航方法,其特征在于,采用如下公 式計(jì)算補(bǔ)償后的機(jī)體系下的Z軸的速度^1+:
【文檔編號(hào)】G01C21/20GK103837151SQ201410079513
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】呂品, 賴際舟, 劉建業(yè), 宋亦凡, 張玲, 賈文峰 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)