一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，本发明专利技术分为步骤如下：获取无人机惯导元件的实际测量频率；获取无人机惯导元件的理论测量频率；将得到的无人机惯导元件的实际测量频率与得到的无人机惯导元件的理论测量频率，进行比较，若两个频率的差值的绝对值小于等于一定阈值，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。本发明专利技术可有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的缺陷，为惯导元件性能评估提供一种可信的测量手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法
本专利技术涉及一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，可有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的缺陷，为惯导元件性能和测量性能状况评估提供一种可信的测量手段，属于无人机飞行试验测量

技术介绍
在无人机飞行试验中，装配的惯导元件只能测量姿态角度的时域信号，但测量是否满足无人机飞行性能频域要求未知，可采用频域数据处理方法分析姿态测量数据，并与有控无人机飞行品质属性进行对比，满足对惯导元件测量频域性能的考察要求。在已有的姿态测量元件评估方法中，一般只引用惯导元件出厂测量的指标为其依据，例如，惯导元件的测量精度，带宽等，但在惯导元件经过一段时间使用或者发生碰撞的物理损坏后，其测量精度能否得到保障，这是个需要验证的问题。从惯导元件测量的时域信号上较难得到惯导元件的频率指标性能，而仅仅将时域信号转变为频域信号也没有可对比的依据，故需要一种方法能在获取惯导元件的频率信号后，从理论上分析出惯导元件频率性能指标是否满足测量要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：本专利技术提出了一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，本专利技术通过对比试验测量数据频率特性和理论飞行运动模态所具有的频率特性，从而对惯导元件的性能进行分析，对惯导元件的测量性能问题实现评估，可有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的问题，为惯导元件性能评估提供一种可信的测量手段。本专利技术的技术方案：一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，包括步骤如下：(1)获取无人机惯导元件的实际测量频率；具体的实现方式如下：(1a)通过无人机上安装的垂直陀螺获取无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ(以一定的采样频率在一定时间内对无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ进行测量获取)；(1b)对步骤(1a)中获得的俯仰角θ和滚转角γ进行数据处理；俯仰角θ的处理方式如下：(1b1)假设当前处理的俯仰角θ的数据点为θ(i)，则截取i到i+n这段数据进行求平均和方差以此均值作为当前数据i的平均值，其中i、n均为正整数，1≤i≤N，N为步骤(1a)试验数据的某段数据量；(1b2)按照(1b1)的方法，对第i+1点到第N个点进行依次处理，获得平均数列θave和方差数列σ；(1b3)设定方差数列σ的上下门限值±ζ，若存在任意数据点|σ|>|ζ|，则认为从i点到第N点的数据段为波段剧烈振荡的数据段，并进入步骤(1b4)，若|σ|≤|ζ|，认为该数据段波动平缓，则不再进行后续处理；(1b4)对波段剧烈振荡的数据段进行观察，若满足一个及以上的周期振荡，则可进行频率转换，否则不再进行后续处理；(1b5)按照步骤(1b1)-(1b4)的方式对滚转角γ的实验数据进行处理；(1c)对满足步骤(1b4)的俯仰角θ数据段或(1b5)条件的滚转角γ数据段进行快速FFT变换，得到俯仰角θ或滚转角γ的飞行频率值；(2)获取无人机惯导元件的理论测量频率；(2a)建立无人机六自由度运动学方程；(2b)在特定的高度和速度下对无人机的六自由度运动学方程进行处理，获得无人机线性化运动学方程；(2c)根据步骤(2b)中的线性化运动学方程，通过根轨迹方法实现无人机PID控制器设计；(2d)步骤(2b)中的线性化运动学方程与步骤(2c)中的PID控制器，合并为姿态角跟随指令的闭环传递函数，从而得到无人机俯仰角和滚转角的理论测量频率，将俯仰角和滚转角的理论测量频率作为惯导元件的理论测量频率；(3)将步骤(1)得到的无人机惯导元件的实际测量频率与步骤(2)得到的无人机惯导元件的理论测量频率，进行比较，若两个频率的差值的绝对值小于等于一定阈值，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。所述步骤(1b)中只要存在任意一段波动剧烈的俯仰角θ或滚转角γ数据经过数据处理满足步骤(3)的条件，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)惯导元件用于测量无人机飞行姿态，如俯仰角和滚转角等，一般出厂时会对惯导元件的测量精度和带宽等进行标定，但出厂后，对惯导元件的测量性能情况无法做进一步的测试，导致惯导元件在老化或损伤后仍然在空中服役，测量精度不准确，现阶段没有很好的办法解决服役中的元件测量性能问题。而本专利技术可通过无人机空中测量数据，通过频域转换，将飞行数据与理论数据进行对比，从而对惯导元件的测量性能情况进行评估，有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的问题，本专利技术方法简单易于实现，但是通用性较强，填补了国内外在该领域的技术空白。(2)现在没有一个合适的惯导元件老化或损伤后测量数据的评估标准和界定方案，本专利技术将无人机飞行模态作为惯导元件测量性能的一个评估标准，这是因为无人机飞行模态在总体设计阶段就已经定型，故其飞行模态频率是不会随惯导元件的测量而改变，因此飞行频率评估标准是惯导元件性能评判的最好依据，本专利技术通过惯导元件的飞行频率的分析，专利技术了一种惯导元件老化或损伤后测量数据的评估标准和方法。(3)本专利技术中的滤波将当前采样数据之前紧邻的多个采样数据计算均值,并以此取代当前采样数据作为输出量，可有效避免单次测量点噪声或测量误差过大情况，在步长选择合理情况下，即可避免数据处理失真，又可以保持测量信息的准确性。附图说明图1为本专利技术方法流程图；图2为本专利技术试验数据中满足波动剧烈的滚转角测量数据段；图3为本专利技术满足波动剧烈的滚转角FFT转换频率值，图3a为全频谱图，图3b为滚转通道主频谱放大图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的工作原理和工作过程做进一步解释和说明。无人机空中飞行试验，采用惯导元件对飞行姿态角度如俯仰角和滚转角等进行测量，但对于测量信号的准确程度需要进一步的考核，无人机机体安装了可测量姿态角度的惯导元件：垂直陀螺可测量无人机俯仰角θ和滚转角γ。其测量的时域姿态角值并不是全程都可用，为激发出无人机的飞行模态，需要考察在有风干扰或飞行方式转变的情况下，无人机姿态有较大抖动响应，对这种信号可以进行处理。采用的频域理论分析工具为快速傅里叶变化FFT,可将垂直陀螺测量的时域姿态角值转换为频域值。无人机的飞行模态主要分析带控无人机系统的纵向长周期模态和横向滚转模态。本专利技术的原理：本专利技术的特点是依据惯性元件测量的无人机姿态信号，将其中变化较为剧烈，能反映飞行模态的信号提取出来，采用频域数据处理的方法，提取出其频率性能参数，同时从理论分析考察带控无人机的飞行模态参数，将两种参数进行比较，相差不大的说明惯导元件测量较为准确，否则惯导元件出现问题。本专利技术可解决惯导元件频率性能测量的问题，同时能检测惯导元件的测量性能状态。如图1所示，一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，包括步骤如下：(1)获取无人机惯导元件的实际测量频率；具体的实现方式如下：(1a)通过无人机上安装的垂直陀螺获取无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ(以一定的采样频率在一定时间内对无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ进行测量获取)；(1b)对步骤(1a)中获得的俯仰角θ和滚转角γ进行数据处理；俯仰角θ的处理方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，其特征在于步骤如下：(1)获取无人机惯导元件的实际测量频率；具体的实现方式如下：(1a)通过无人机上安装的垂直陀螺获取无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ；(1b)对步骤(1a)中获得的俯仰角θ和滚转角γ进行数据处理；俯仰角θ的处理方式如下：(1b1)假设当前处理的俯仰角θ的数据点为θ(i)，则截取i到i+n这段数据进行求平均E(θ(i))=Σii+200θ(i)/N]]>和方差σ(i)=Σii+N(θ(i)-E(θ(i))/(N-1),]]>以此均值作为当前数据i的平均值，其中i、n均为正整数，1≤i≤N，N为步骤(1a)试验数据的某段数据量；(1b2)按照(1b1)的方法，对第i+1点到第N个点进行依次处理，获得平均数列θave和方差数列σ；(1b3)设定方差数列σ的上下门限值±ζ，若存在任意数据点|σ|＞|ζ|，则认为从i点到第N点的数据段为波段剧烈振荡的数据段，并进入步骤(1b4)，若|σ|≤|ζ|，认为该数据段波动平缓，则不再进行后续处理；(1b4)对波段剧烈振荡的数据段进行观察，若满足一个及以上的周期振荡，则可进行频率转换，否则不再进行后续处理；(1b5)按照步骤(1b1)‑(1b4)的方式对滚转角γ的实验数据进行处理；(1c)对满足步骤(1b4)的俯仰角θ数据段或(1b5)条件的滚转角γ数据段进行快速FFT变换，得到俯仰角θ或滚转角γ的飞行频率值；(2)获取无人机惯导元件的理论测量频率；(2a)建立无人机六自由度运动学方程；(2b)在特定的高度和速度下对无人机的六自由度运动学方程进行处理，获得无人机线性化运动学方程；(2c)根据步骤(2b)中的线性化运动学方程，通过根轨迹方法实现无人机PID控制器设计；(2d)步骤(2b)中的线性化运动学方程与步骤(2c)中的PID控制器，合并为姿态角跟随指令的闭环传递函数，从而得到无人机俯仰角和滚转角的理论测量频率，将俯仰角和滚转角的理论测量频率作为惯导元件的理论测量频率；(3)将步骤(1)得到的无人机惯导元件的实际测量频率与步骤(2)得到的无人机惯导元件的理论测量频率，进行比较，若两个频率的差值的绝对值小于等于一定阈值，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。...

【技术特征摘要】
1.一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，其特征在于步骤如下：(1)获取无人机惯导元件的实际测量频率；具体的实现方式如下：(1a)通过无人机上安装的垂直陀螺获取无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ；(1b)对步骤(1a)中获得的俯仰角θ和滚转角γ进行数据处理；俯仰角θ的处理方式如下：(1b1)假设当前处理的俯仰角θ的数据点为θ(i)，则截取i到i+n这段数据进行求平均和方差以此均值作为当前数据i的平均值，其中i、n均为正整数，1≤i≤N，N为步骤(1a)试验数据的某段数据量；(1b2)按照(1b1)的方法，对第i+1点到第N个点进行依次处理，获得平均数列θave和方差数列σ；(1b3)设定方差数列σ的上下门限值±ζ，若存在任意数据点|σ|>|ζ|，则认为从i点到第N点的数据段为波段剧烈振荡的数据段，并进入步骤(1b4)，若|σ|≤|ζ|，认为该数据段波动平缓，则不再进行后续处理；(1b4)对波段剧烈振荡的数据段进行观察，若满足一个及以上的周期振荡，则可进行频率转换，否则不再进行后续处理；(1b5)按照步骤(1b1)-(1b4)的方式对滚转角γ的实验数据进行处理；(1c)对满足步骤(1b4)的俯仰角θ数据段或(1b5...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏浩秦，包晓翔，陈迪，李平坤，刘凯，曾立科，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11