一种飞行器姿态扰动滤除方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法、装置及系统，动作捕捉系统采集扑翼飞行器运动信号，飞行器控制系统采集姿态信号，上位机分别进行信号特征分析得到对应的频谱图，确定飞行器扑翼运动为姿态扰动来源；动作捕捉系统采集扑翼飞行器在油门信号逐渐增加时对应的运动信号，上位机对其进行信号特征分析，进行油门与扑翼频率的拟合；上位机根据油门与扑翼频率的拟合关系得到最大油门信号对应的扑翼频率，将其作为频率阈值进行低通滤波器滤除高频干扰信号；上位机对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行频谱分析，根据幅度阈值，筛选出主要频率作为扰动信号频率进行带阻滤波滤除扑翼飞行器的扰动信号。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器姿态扰动滤除方法、装置及系统
本专利技术属于飞行器控制的
，涉及一种飞行器姿态扰动滤除方法、装置及系统，尤其是涉及一种由扑翼运动引起的飞行器姿态扰动的滤除方法、装置及系统。
技术介绍
小型无人飞行器由于其具有体积小、重量轻、便于携带、操作方便、机动灵活、起降空间小、噪音低、隐蔽性好等优点，从一开始出现就受到人们的广泛关注，其被公认为是具有广阔发展前景的高技术产品之一。按照升力产生和推进机理的不同，小型无人飞行器可分为：固定翼、旋翼及扑翼。固定翼和旋翼小型无人飞行器的飞行机理分别与传统的固定翼飞机和直升机相同，其研制工作尚有一定的理论知识和现场数据可以借鉴。扑翼仿生飞行器是模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，其飞行需要的升力和推力全由扑翼运动产生，飞行原理与前两者完全不同。与常规飞机相比，小型无人飞行器的空气动力学特性有很大不同，其雷诺系数较低(雷诺系数表征空气惯性力和粘性力的比值，常规飞机的雷诺系数在106～108之间，小型无人飞行器在101～105之间)。在如此低的雷诺系数下，自然界中的飞行生物，如鸟类和昆虫，没有一种采用固定翼或旋翼方式飞行，均采用扑翼方式飞行。扑翼飞行器具有以下优势：扑翼飞行器拥有更强的机动性和灵活性，扑翼飞行只依靠翅膀的扑动与扭转就能实现体位和姿态的变化，而固定翼和旋翼飞行器需要多个动力源来合作完成；扑翼飞行在飞行过程中，可以通过滑翔的方式飞行，比起固定翼和旋翼飞行器节省了很多能量；同时扑翼飞行具有很高的能量转换效率，使用较少的能量就达到较远的飞行距离，对于执行远距离任务是很合适的；自然界的飞行生物不约而同都选择了扑翼飞行，这也从一定程度上表明，扑翼飞行更具有优势。尽管国内外研究机构在扑翼飞行器研制上取得一系列成果，使得扑翼飞行器能够飞行，但扑翼飞行器稳定飞行仍是一个亟待解决的问题。扑翼飞行器的稳定飞行离不开精确的姿态控制。因此，精确测量飞行器姿态的变化，滤除姿态扰动对飞行器稳定飞行是极为重要的。在扑翼飞行器飞行期间，通过机翼的不断扑动，获得升力，从而能够克服重力实现飞行，但由于受到周期性惯性力作用，机翼的上下扑动运动会不可避免地引起飞行器在俯仰方向上有规律的上下运动，该运动会对飞行器的真实俯仰角造成较大的扰动，从而使其呈现周期性信号变化特征，同时还会耦合的带来其他姿态的扰动，影响飞行器控制系统对飞行器姿态的精确控制，使飞行器不能够稳定飞行。因此解决由扑翼运动引起的姿态扰动是很有必要的。综上所述，针对现有技术中如何解决由扑翼运动引起的姿态扰动的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，解决现有技术中由扑翼运动引起的姿态扰动的问题，本专利技术提供了一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法、装置及系统，尤其是一种由扑翼运动引起的飞行器姿态扰动的滤除方法、装置及系统，能够精确捕捉扑翼飞行器扑翼运动对飞行器真实姿态角的扰动频率，并利用扰动频率跟随自适应滤波器有效实现滤除扑翼运动引起的飞行器姿态扰动，使得飞行器控制系统能够对飞行器姿态进行精确控制。本专利技术的第一目的是提供一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法，该方法具体步骤包括：动作捕捉系统采集扑翼飞行器运动信号，飞行器控制系统中的传感器采集姿态信号，分别上传至对应上位机，上位机对运动信号和姿态信号分别进行信号特征分析得到对应的频谱图，通过对比频谱图确定飞行器扑翼运动为姿态扰动来源；分级固定扑翼飞行器油门动作捕捉系统采集扑翼飞行器在油门信号逐渐增加时对应的运动信号上传上位机，上位机对其进行信号特征分析，并读取扑翼飞行器日志中的油门数据进行油门与扑翼频率的拟合；上位机根据油门与扑翼频率的拟合关系得到最大油门信号对应的扑翼频率，将其作为频率阈值设计模拟低通滤波器，变换为数字低通滤波器设置于飞行器控制系统中滤除扑翼飞行器的高频干扰信号；上位机对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行频谱分析，根据幅度阈值，筛选出主要频率作为扰动信号频率设计模拟带阻滤波器，变换为数字带阻滤波器设置于飞行器控制系统中滤除扑翼飞行器的扰动信号。作为进一步的优选方案，在本方法中，飞行器控制系统将采集的姿态信号和油门信号以日志形式进行存储，上位机读取日志中的姿态信号和油门信号。作为进一步的优选方案，在本方法中，上位机对运动信号和姿态信号分别采用FFT变换进行信号特征分析得到对应的频谱图。作为进一步的优选方案，在本方法中，通过双线性变换法将模拟低通滤波器变换为数字低通滤波器。作为进一步的优选方案，在本方法中，通过双线性变换法将模拟带阻滤波器变换为数字带阻滤波器。作为进一步的优选方案，在本方法中，筛选出主要频率的方法还包括：对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行特定长度的采样，并采用层叠保留法进行补零，进行FFT变换，根据幅度阈值，筛选出主要频率。本专利技术的第二目的是提供一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除系统。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除系统，该系统包括：动作捕捉系统，用于采集扑翼飞行器运动信号，并上传上位机；上位机，用于接收采集的扑翼飞行器运动信号和姿态信号，分别对其进行信号特征分析得到对应的频谱图，通过对比频谱图确定飞行器扑翼运动为姿态扰动来源；接收油门信号和扑翼飞行器在油门信号逐渐增加时对应的运动信号，对其进行信号特征分析，并进行油门与扑翼频率的拟合；根据油门与扑翼频率的拟合关系得到最大油门信号对应的扑翼频率，将其作为频率阈值设计模拟低通滤波器以滤除高频干扰信号；对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行频谱分析，根据幅度阈值，筛选出主要频率作为扰动信号频率设计模拟带阻滤波器以滤除扰动信号；扑翼飞行器控制系统，其硬件部分主要包括控制器、传感器，软件部分主要包括数字低通滤波器和数字带阻滤波器等，用于控制扑翼飞行器飞行，所述传感器用于采集姿态信号并上传至上位机，所述数字低通滤波器根据上位机设计的模拟低通滤波器变换得到以滤除高频干扰信号；所述数字带阻滤波器根据上位机设计的模拟带阻滤波器变换得到以滤除扑翼飞行器的扰动信号。本专利技术的第三目的是提供一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法，该方法在上位机中实现，具体步骤包括：接收采集的扑翼飞行器运动信号和姿态信号，分别对其进行信号特征分析得到对应的频谱图，通过对比频谱图确定飞行器扑翼运动为姿态扰动来源；接收油门信号和扑翼飞行器在油门信号逐渐增加时对应的运动信号，对其进行信号特征分析，并进行油门与扑翼频率的拟合；根据油门与扑翼频率的拟合关系得到最大油门信号对应的扑翼频率，将其作为频率阈值进行低通滤波以滤除高频干扰信号；对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行频谱分析，根据幅度阈值，筛选出主要频率作为扰动信号频率进行带阻滤波以滤除扰动信号。本专利技术的第四目的是提供一种计算机可读存储介质。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行以下处理：接收采集的扑翼飞行器运动信号和姿态信号，分别对其进行信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法，其特征在于，该方法具体步骤包括：动作捕捉系统采集扑翼飞行器运动信号，飞行器控制系统中的传感器采集姿态信号，分别上传上位机，上位机对运动信号和姿态信号分别进行信号特征分析得到对应的频谱图，通过对比频谱图确定飞行器扑翼运动为姿态扰动来源；分级固定扑翼飞行器油门动作捕捉系统采集扑翼飞行器在油门信号逐渐增加时对应的运动信号上传上位机，上位机对其进行信号特征分析，并读取扑翼飞行器日志中的油门数据进行油门与扑翼频率的拟合；上位机根据油门与扑翼频率的拟合关系得到最大油门信号对应的扑翼频率，将其作为频率阈值设计模拟低通滤波器，变换为数字低通滤波器设置于飞行器控制系统中滤除扑翼飞行器的高频干扰信号；上位机对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行频谱分析，根据幅度阈值，筛选出主要频率作为扰动信号频率设计模拟带阻滤波器，变换为数字带阻滤波器设置于飞行器控制系统中滤除扑翼飞行器的扰动信号。

【技术特征摘要】
1.一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除方法，其特征在于，该方法具体步骤包括：动作捕捉系统采集扑翼飞行器运动信号，飞行器控制系统中的传感器采集姿态信号，分别上传上位机，上位机对运动信号和姿态信号分别进行信号特征分析得到对应的频谱图，通过对比频谱图确定飞行器扑翼运动为姿态扰动来源；分级固定扑翼飞行器油门动作捕捉系统采集扑翼飞行器在油门信号逐渐增加时对应的运动信号上传上位机，上位机对其进行信号特征分析，并读取扑翼飞行器日志中的油门数据进行油门与扑翼频率的拟合；上位机根据油门与扑翼频率的拟合关系得到最大油门信号对应的扑翼频率，将其作为频率阈值设计模拟低通滤波器，变换为数字低通滤波器设置于飞行器控制系统中滤除扑翼飞行器的高频干扰信号；上位机对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行频谱分析，根据幅度阈值，筛选出主要频率作为扰动信号频率设计模拟带阻滤波器，变换为数字带阻滤波器设置于飞行器控制系统中滤除扑翼飞行器的扰动信号。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，飞行器控制系统将采集的姿态信号和油门信号以日志形式进行存储，上位机读取日志中的姿态信号和油门信号。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，上位机对运动信号和姿态信号分别采用FFT变换进行信号特征分析得到对应的频谱图。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，通过双线性变换法将模拟低通滤波器变换为数字低通滤波器。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，通过双线性变换法将模拟带阻滤波器变换为数字带阻滤波器。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在本方法中，筛选出主要频率的方法还包括：对滤除高频干扰信号后的低通滤波信号进行特定长度的采样，并采用层叠保留法进行补零，进行FFT变换，根据幅度阈值，筛选出主要频率。7.一种扑翼运动引起的飞行器姿态扰动滤除系统，该系统基于如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，包括：动作捕捉系统，用于采集扑翼飞行器运动信号，并上...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬冰，李玉帅，孔留兵，杨志康，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37