【技术实现步骤摘要】
基于超声波风速风向仪的无人机风速风向测量及校正算法
本专利技术涉及一种测风校正算法，尤其涉及一种基于超声波风速风向仪的无人机风速风向测量及校正算法。
技术介绍
目前，无人飞行器已在野外施工、勘探、交通运输、旅游、救援，特别是江河湖泊上工作等领域中得到广泛应用。随着无人机应用的深入，采用多旋翼无人机进行气象监测也正成为一个研究热点。但是在现有的技术中，使用多旋翼无人机测风主要是通过直接在机体上部加装塔状超声波风速风向仪来实现的。现有的技术不仅会因为改变重心、增大风阻而导致无人机飞行稳定性的降低，而且还会因为超声波风速风向仪在工作时受到旋翼自身产生风场的影响而极大降低测量精度。故现有技术无法实现在多旋翼无人机上对风速、风向的精确监测。考虑到能装在无人机上，这里我们选用了原理简单的超声波风速风向仪，专利技术了一种基于超声波风速风向仪的无人机风速风向测量的校正算法。利用超声波的传播特性来测量风速风向，具有测量精度高、使用寿命长的优点。它适用于多种环境，可靠性高。所以我们把这种测风方法与无人机相结合，可以充分发挥其优势...
【技术保护点】
1.一种基于超声波风速风向仪的无人机风速风向测量及校正算法，包括两种状态的风速风向测量及校正算法，一种是无人机悬停状态下的风速风向测量及校正算法，另一种是无人机前进状态下的风速风向测量及校正算法，其特征在于：两种风速风向测量及校正算法都是利用四元数与姿态阵之间的关系来得出无人机的三个欧拉角，进而得到无人机的倾角，通过倾角的大小来对超声波风速风向仪测得的风速风向结果进行校正；/n设有一参考坐标系R，简称R系，一刚体相对于R系作定点转动，定点为O；选取坐标系b与刚体固联，坐标系b简称b系，假设初始时刻b系与R系重合，设OA＝r为起始位置向量，OA'＝r'为旋转后的向量；根据欧拉...
【技术特征摘要】
1.一种基于超声波风速风向仪的无人机风速风向测量及校正算法，包括两种状态的风速风向测量及校正算法，一种是无人机悬停状态下的风速风向测量及校正算法，另一种是无人机前进状态下的风速风向测量及校正算法，其特征在于：两种风速风向测量及校正算法都是利用四元数与姿态阵之间的关系来得出无人机的三个欧拉角，进而得到无人机的倾角，通过倾角的大小来对超声波风速风向仪测得的风速风向结果进行校正；
设有一参考坐标系R，简称R系，一刚体相对于R系作定点转动，定点为O；选取坐标系b与刚体固联，坐标系b简称b系，假设初始时刻b系与R系重合，设OA＝r为起始位置向量，OA'＝r'为旋转后的向量；根据欧拉定理，仅仅考虑初始时刻与最终时刻的位置，刚体从A位置转至A'位置等效成绕单位瞬轴转过θ1角度一次完成；将向量分解、旋转、合成可以得到：
r'＝rcosθ1+(1-cosθ1)(u·r)u+u×rsinθ1；(1)
由三重矢积公式变换得：
r'＝r+u×rsinθ1+(1-cosθ1)u×(u×r)；(2)
记
所以有
令：
则：
u×r＝Ur；
u×(u×r)＝U·Ur；
所以有：
令：
则式(3)可以写成：
r'＝Dr；(5)
记初始时刻的刚体固联坐标系为b0，由于初始时刻刚体固联坐标系b与参考坐标系R重合，所以有：
在转动过程中位置向量和b系都和刚体固联，所以位置向量和b系的相对角位置始终不变，即有：
所以得到：
r＝r'b；(8)
将式(8)带入式(5)得：
r'＝Dr'b；(9)
该式说明D为b系到R系的坐标变换矩阵；
即：
令：
以q0,q1,q2,q3构造四元数：
其中，i,j,k既是相互正交的单位向量，又是虚数单位
将q0,q1,q2,q3代入式(10)中进一步化简得：
设参考坐标系为导航坐标系n，与刚体固联的坐标系为机体坐标系，那么坐标变换矩阵就是姿态矩阵在机体轴坐标系下，无人机先绕x轴转动横滚角α，再绕y轴转动俯仰角β，最后再绕z轴转动航向角γ；则在此坐标系下的变换矩阵为：
对比式(13)和式(14)可得到三个姿态角：
β＝-arcsinT31＝-arcsin2(q1q3-q0q2)；
其中，T11为cosβcosγ，T21为cosβsinγ，T31为-sinβ，T32为sinαcosβ，T33为cosαcosβ；
设无人机原平面的法向量为旋转之后...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈冲，石晓雨，张彪，丘仲锋，
申请(专利权)人：南京开天眼无人机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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