风速测算方法及无人机技术

本发明专利技术实施例涉及一种风速测算方法及无人机。该风速测算方法包括：获取所述无人机的飞行数据信息，其中，所述飞行数据信息包括所述无人机当前的姿态角、速度以及加速度；利用所述飞行数据信息，建立所述无人机的速度观测模型，以获得所述无人机的速度观测值；根据所述速度观测值，获取所述无人机所受的风力的观测值；根据所述风力的观测值，计算当前飞行环境下的风速。该方法在不依赖新增风速传感器和外部数据库的前提下，实现了风速测算，既节省了硬件设备的成本，又不会带来额外的算力负担和实时性的问题，方法简单并且成本低廉。而且，基于风力测算的运算结果，可以将其应用于预警功能，对使用者进行提示，减少无人机事故发生的概率。

Wind Speed Measurement Method and UAV

【技术实现步骤摘要】
风速测算方法及无人机
本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种风速测算方法及无人机。
技术介绍
无人机作为一种适应性强，使用成本低，投放快速方便的悬停式空中载具，在许多不同的场合都得到广泛的应用。其通过搭载不同类型的功能组件，可以发挥重要的作用。在飞行过程中，无人机会受到风的干扰。当风速或者风力较小时，飞行控制系统自身的鲁棒性能够抵抗风干扰，保证无人机的平稳飞行。但是，飞行控制系统所能够调节或者抵抗的风力范围是有特定的限度范围的。当风速超过无人机能够承受的上限以后，飞行控制系统的稳定性将难以维持，容易出现无人机无法返航，甚至炸机等事故。尤其是航拍无人机在风速较大时，其航拍质量会严重地受到影响。因此，风速或者风力检测功能对于无人机而言，是非常重要的功能。基于无人机风速检测和估计可以为无人机使用者提供较好的报警功能，避免事故的发生。目前的风速检测或者估计方法大致可以分为采用风速传感器直接测量气流速度和采用事先建立数据库的方法或基于大数据方法来进行风速估计两种。但是，采用风速或者风力传感器直接测量气流速度的方法需要在无人机上增加额外的传感器，造成无人机制作成本的上升。而建立数据库或者大数据计算的方法需要消耗较多的算力，加重飞行控制系统的运算负担。而且，数据库加载在飞机上，会极大的占用内存，耗费的时间也比较多，对于风速检测的实时性有比较大的影响。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种不依赖数据库和新增风速传感器的风速测算方法及无人机。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供以下技术方案：一种风速测算方法。该风速测算方法包括：获取所述无人机的飞行数据信息，其中，所述飞行数据信息包括所述无人机当前的姿态角、速度以及加速度；利用所述飞行数据信息，建立所述无人机的速度观测模型，以获得所述无人机的速度观测值；根据所述速度观测值，获取所述无人机所受的风力的观测值；根据所述风力的观测值，计算当前飞行环境下的风速。可选地，，所述利用所述飞行数据信息，建立所述无人机的速度观测模型，以获得所述无人机的速度观测值，包括：建立所述无人机的速度方程；根据所述无人机的速度方程，建立所述无人机的所述速度观测模型，以获得所述无人机的所述速度观测值。可选地，所述无人机的速度方程为：其中，Vx和Vy分别为所述无人机在其飞行平面内x方向和y方向的速度，T为螺旋桨拉力，θ为所述无人机的俯仰角，为所述无人机的滚转角，ρ为所述无人机飞行海拔处的空气密度，Sfb为所述无人机沿x方向飞行的迎风面积，Srl为所述无人机沿y方向飞行时的迎风面积，Fwx和Fwy为所述无人机分别在x方向和y方向受到的风力，Cdx和Cdy分别为所述无人机沿x方向飞行和沿y方向飞行的阻力系数，m为所述无人机的质量。可选地，所述无人机的速度观测模型为：其中，为所述无人机在x方向上更新的速度变化率观测值，为所述无人机在y方向上更新的速度变化率观测值；为所述无人机在x方向上的速度观测值；为所述无人机在y方向上的速度观测值；Vx为所述无人机在x方向上的实际速度值；Vy为所述无人机在y方向上的实际速度值；T为螺旋桨拉力；θ为所述无人机的俯仰角；φ为所述无人机的滚转角；ρ为无人机所处海拔高度的空气密度；Sfb为无人机沿x方向飞行时的迎风面积，Srl为无人机沿y方向飞行时的迎风面积，Cdx为无人机沿x方向飞行时的阻力系数，Cdy为无人机沿y方向飞行时的阻力系数，为无人机在x方向上的风力观测值，为无人机在y方向上的风力观测值；m为无人机的质量；L1x和L1y为速度调节系数，用于修正误差。可选地，所述迎风面积通过如下算式计算确定：Sfb＝Sfb0(1+ffb(θ,φ))Srl＝Srl0(1+frl(θ,φ))其中，Sfb为无人机沿x方向飞行时的迎风面积，Srl为无人机沿x方向飞行时的迎风面积；Sfb0为姿态角为0时，无人机沿x方向飞行时的迎风面积；Srl0为姿态角为0时，无人机沿y方向飞行时的迎风面积；ffb(θ,φ)和frl(θ,φ)为非线性函数；θ为俯仰角；φ为滚转角。可选地，所述螺旋桨拉力通过如下算式计算获得：其中，az为无人机在z方向上的加速度，g为重力加速度；所述z方向垂直于所述x方向和所述y方向组成的平面；θ为俯仰角；φ为滚转角；m为无人机的质量。可选地，所述阻力系数通过如下算式计算获得：其中，Cdx为无人机沿x方向飞行时的阻力系数，Cdy为无人机沿y方向飞行时的阻力系数，ax为无风条件下，无人机在x方向上的加速度；ay为无风条件下，无人机在y方向上的加速度；T为螺旋桨拉力；θ为俯仰角；φ为滚转角；ρ为无人机所处海拔高度的空气密度；Sfb为无人机沿x方向飞行时的迎风面积，Srl为无人机沿y方向飞行时的迎风面积，m为无人机的质量。可选地，所述根据所述速度观测值，获取所述无人机所受风力的观测值包括：通过如下算式，计算所述无人机所受风力的观测值：其中，为无人机在y方向上的风力变化率观测值，为无人机在x方向上的风力变化率观测值，为的积分，表示在x方向的风力观测值，为的积分，表示在y方向的风力观测值，m为无人机的质量，L2x和L2y为风力调节系数；为无人机在x方向的速度观测值；为无人机在y方向的速度观测值。可选地，所述根据所述风力的观测值，计算当前环境下的风速，包括：利用下式计算所述无人机当前环境下的风速：其中，Fwx为无人机在x方向上的风力观测值，Fwy为无人机在y方向上的风力观测值；ρ为无人机所处海拔高度的空气密度；Sfb为无人机沿x方向飞行时的迎风面积，Srl为无人机沿y方向飞行时的迎风面积，Cdx为无人机沿x方向飞行时的阻力系数，Cdy为无人机沿y方向飞行时的阻力系数。可选地，所述方法还包括：根据所述当前环境下的风速，获取所述当前环境下的风向。可选地，所述当前环境下的风向满足以下表达式：β＝ψ+arctan2(-Vwx,-Vwy)其中，ψ为无人机的偏航角，β为风向，Vwx为在x方向上的风速，Vwy为在y方向上的风速。可选地，所述方法还包括：在所述当前环境下的风速超过预设值时，向用户发送报警信号。可选地，所述方法还包括：将所述当前环境下的风速和风向发送给用户终端并在所述用户终端显示。本专利技术另一实施例提供了一种无人机。该无人机包括机身；机臂，与所述机身相连；动力装置，设于所述机臂，用于给所述无人机提供飞行的动力；以及飞行控制器，所述飞行控制器设于所述机身；其中，所述飞行控制器包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上所述的风速测算方法。与现有技术相比较，本专利技术实施例提供的风力测算方法利用干扰观测器的原理，在不依赖新增风速传感器和外部数据库的前提下，实现了风力或者风速测算，既节省了硬件设备的成本，又不会带来额外的算力负担和实时性的问题，方法简单并且成本低廉。基于风力测算的运算结果，可以进一步的将其应用于预警功能，对使用者进行提示或者报警，减少无人机事故发生的概率。【附图说明】一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风速测算方法，其特征在于，包括：获取所述无人机的飞行数据信息，其中，所述飞行数据信息包括所述无人机当前的姿态角、速度以及加速度；利用所述飞行数据信息，建立所述无人机的速度观测模型，以获得所述无人机的速度观测值；根据所述速度观测值，获取所述无人机所受的风力的观测值；根据所述风力的观测值，计算当前飞行环境下的风速。

【技术特征摘要】
1.一种风速测算方法，其特征在于，包括：获取所述无人机的飞行数据信息，其中，所述飞行数据信息包括所述无人机当前的姿态角、速度以及加速度；利用所述飞行数据信息，建立所述无人机的速度观测模型，以获得所述无人机的速度观测值；根据所述速度观测值，获取所述无人机所受的风力的观测值；根据所述风力的观测值，计算当前飞行环境下的风速。2.根据权利要求1所述的风速测算方法，其特征在于，所述利用所述飞行数据信息，建立所述无人机的速度观测模型，以获得所述无人机的速度观测值，包括：建立所述无人机的速度方程；根据所述无人机的速度方程，建立所述无人机的所述速度观测模型，以获得所述无人机的所述速度观测值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无人机的速度方程为：其中，Vx和Vy分别为所述无人机在其飞行平面内x方向和y方向的速度，T为螺旋桨拉力，θ为所述无人机的俯仰角，为所述无人机的滚转角，ρ为所述无人机飞行海拔处的空气密度，Sfb为所述无人机沿x方向飞行的迎风面积，Srl为所述无人机沿y方向飞行时的迎风面积，Fwx和Fwy为所述无人机分别在x方向和y方向受到的风力，Cdx和Cdy分别为所述无人机沿x方向飞行和沿y方向飞行的阻力系数，m为所述无人机的质量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述无人机的速度观测模型为：其中，为所述无人机在x方向上更新的速度变化率观测值，为所述无人机在y方向上更新的速度变化率观测值；为所述无人机在x方向上的速度观测值；为所述无人机在y方向上的速度观测值；Vx为所述无人机在x方向上的实际速度值；Vy为所述无人机在y方向上的实际速度值；T为螺旋桨拉力；θ为所述无人机的俯仰角；φ为所述无人机的滚转角；ρ为无人机所处海拔高度的空气密度；Sfb为无人机沿x方向飞行时的迎风面积，Srl为无人机沿y方向飞行时的迎风面积，Cdx为无人机沿x方向飞行时的阻力系数，Cdy为无人机沿y方向飞行时的阻力系数，为无人机在x方向上的风力观测值，为无人机在y方向上的风力观测值；m为无人机的质量；L1x和L1y为速度调节系数，用于修正误差。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述迎风面积通过如下算式计算确定：Sfb＝Sfb0(1+ffb(θ,φ))Srl＝Srl0(1+frl(θ,φ))其中，Sfb为无人机沿x方向飞行时的迎风面积，Srl为无人机沿x方向飞行时的迎风面积；Sfb0为姿态角为0时，无人机沿x方向飞行时的迎风面积；Srl0为姿态角为0时，无人机沿y方向飞行时的迎风面积；ffb(θ,φ)和frl(θ,φ)为非线性函数；θ为俯仰角；φ为滚转角。6.根据权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，所述螺旋桨拉力通过如下算式计算获得：其中，az为无人机在z方向上的加速度，g为重力加速度；所述z方向垂直于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张添保，陈刚，
申请(专利权)人：深圳市道通智能航空技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44