一种无人机及提高无人机航线飞行性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机及提高无人机航线飞行性能的方法，属于无人机这一技术领域，设计要点在于：S1,在无风环境时，采集不同速度下无人机的姿态；S2,建立无人机的速度—姿态对应关系；S3,将姿态前馈到控制系统。本发明专利技术旨在提供一种无人机及提高无人机航线飞行性能的方法，可以在航线飞行时，带来更小的姿态抖动和更快的姿态收敛时间。动和更快的姿态收敛时间。动和更快的姿态收敛时间。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机及提高无人机航线飞行性能的方法


[0001]本专利技术涉及无人机领域，更具体地说，尤其涉及一种无人机及提高无人机航线飞行性能的方法。

技术介绍

[0002]对于无人机(旋翼机)而言，飞控系统是其核心部件，具体而言，其包括：制导、控制、导航三大系统：制导系统生成控制指令；导航系统实时结算无人机的运动状态；控制系统综合制导与导航系统信息，按照一定算法，生成电机的指令，完成各个不同的任务。
[0003]在无人机执行任务时候，往往需要提前规划航线任务，无人机在航线中影响最大的是空速的影响：无人机飞行速度、风速、风的类型(顺风、逆风、阵风等)，无人机是否能顺利的完成任务，需要克服这些风的影响，因此对飞控系统控制方法的鲁棒性提出了很高要求。
[0004][0005]针对于航线的控制，一般的方法都会把空速与风速当成是同样的影响，一般有以下方案，存在的缺点与不足：
[0006]采用串级PID算法的控制方法：该控制方法比较经典，采用PID中积分环节消除风的影响：当有风时候开始积分，当风退去时候，积分消退；这种控制是利用指令与反馈产生偏差的，慢慢增加控制量，因此会带来控制滞后性，增大系统惯性。
[0007]采用专家PID算法的控制方法：该控制方法可以根据不同的情况改变PID的控制参数，由于航线中无人机指令速度提前可知，因此可通过速度不同来调节控制参数大小，然后跟串级PID一样，也是利用控制器的积分作用来消除风的影响。缺点是利用积分作用消除风影响，属于产生误差然后再消除误差思想，积分如果给定太小则对误差消除滞后，如果调解太大系统则容易不稳定，当突然有阵风吹来，积分作用太大，容易炸机。
[0008]采用ADRC算法的控制方法：其分三个模块，微分跟踪器TD、扩张观测器(ESO)、非线性反馈；把风的影响当作是系统的扰动，通过ESO观测出扰动量，然后利用非线性反馈方式生成控制量，消除影响。这种控制方法有很多参数调节，而且非线性反馈的参数比较难整定，而且并不是完美适用于各种风情况。
[0009]由此可知，上面三种控制方法，其共同缺点是在风速变化较快时，无法较快的进行适应性调整，容易导致炸机。
[0010]除了上述传统的方法之外，专利技术人团队经过检索，还有：文献1：CN110427047A公开了一种风速测算方法、风速估算器及无人机。所述风速测算方法包括：基于与无人机的飞行数据和属性数据，通过系统辨识确定所述无人机当前的风阻干扰；根据所述风阻干扰与所述无人机的固有风阻，计算所述无人机所处飞行环境的风速。其利用系统辨识的原理，在不依赖新增风速传感器和外部数据库的前提下，通过辨识参数的形式实现了风速测算的过程，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。
[0011]然而，上述文献中对于“系统如何辨识确定所述无人机当前的风阻干扰”并没有深入的研究。
[0012]另外，针对风速的影响，CN109542108A提出了一种无人机抗风巡飞系统，通过在机身的各个侧面安装空速传感器，来测算各个方向的风速，来进行对风扰动的控制补偿。是直接利用传感器来测量风速。然而，空速传感器由于费用较高，其在常用的民用航空设备上采用较少，无法进行大规模推广。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种无人机及提高无人机航线飞行性能的方法。
[0014]一种基于拟合风阻模型来提高无人机航线飞行性能的方法,包括以下步骤：
[0015]S1,在无风环境时，采集不同速度下无人机的姿态:
[0016]在无风环境下，使无人机处在直线航线模式，保持高度不变，分别设置不同的直线航线速度：1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s，分别记录下该航线时的无人机的速度V与俯仰角θ；
[0017]S2,建立无人机的速度—姿态对应关系
[0018]将S1得到的10组数据V、θ，按照下式，采用最小二乘法拟合，得到参数A、B、C：
[0019]θ＝A
·
V3+B
·
V2+C
·
V；
[0020]S3,将姿态前馈到控制系统：
[0021]在无人机飞行时，用户设定的任意的速度V0，能够采用S2步骤计算得到不同的前馈姿态俯仰角θ0，θ0＝A
·
V
03
+B
·
V
02
+C
·
V0，前馈姿态俯仰角θ0即是地速产生的风阻，前馈姿态俯仰角θ0前馈到姿态控制器来消除。
[0022]进一步，S3中，V0在0-10m/s之间。
[0023]一种无人机，其包括：控制系统、制导系统、姿态计算模块、任务模块、导航模块；
[0024]其中，控制系统包括：速度控制模块、姿态控制模块；所述速度控制模块用于控制无人机的飞行速度；所述姿态控制模块用于控制无人机的俯仰角；
[0025]其中，所述制导系统用于产生制导数据，来驱动无人机的速度；
[0026]其中，所述姿态计算模块用于计算抵消地速产生的风阻所需的姿态角(俯仰角)θ0的结果；
[0027]其中，所述导航模块用于实时解算无人机的位置、速度、加速度、俯仰角，且将上述信息反馈给制导系统以及控制系统；
[0028]其中，所述用户通过任务模块给予无人机飞行任务；
[0029]其中，所述任务模块的输出端与制导系统的输入端连接，任务模块将飞行任务数据发送到制导系统；
[0030]其中，制导系统的输出端与姿态计算模块的输入端连接，将无人机的速度信号发送给姿态计算模块，所述姿态计算模块用于计算抵消地速产生的风阻所需的俯仰角；
[0031]所述姿态计算模块的输出端与控制系统的姿态控制模块连接，将计算抵消地速产生的风阻所需的俯仰角的结果att2前馈姿态发送给姿态控制模块；
[0032]制导系统的输出端与控制系统的速度控制模块的输入端连接，制导系统将无人机
的飞行速度发送到速度控制模块，速度控制模块的输出端与姿态控制模块的输入端连接，即速度控制模块101输出姿态角指令att1，速度控制模块发送指令给所述姿态计算模块，；
[0033]att＝att1+att2，作为姿态控制模块的输入指令，结合导航系统的数据共同计算出俯仰角，所述姿态控制模块的输出端与无人机动力系统的输入端连接，来控制无人机的姿态角；
[0034]所述导航系统通过采集无人机上传感器数据，经过算法运算，输出无人机当前的位置、速度、姿态信息；所述导航系统的输出端与制导系统的输入端连接，制导系统根据导航系统传递的数据，实时调整制导数据；
[0035]所述导航系统的输出端与控制系统连接，将实时解算无人机的位置、速度、加速度、姿态，将上述信息反馈给控制系统。
[0036]进一步，姿态计算模块计算地速产生的风阻所需的俯仰角att2的方法为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拟合风阻模型来提高无人机航线飞行性能的方法,其特征在于，包括以下步骤：S1,在无风环境时，采集不同速度下无人机的姿态:在无风环境下，使无人机处在直线航线模式，保持高度不变，分别设置不同的直线航线速度：1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s，分别记录下该航线时的无人机的速度V与俯仰角θ；S2,建立无人机的速度—姿态对应关系：将S1得到的10组数据V、θ，按照下式，采用最小二乘法拟合，得到参数A、B、C：θ＝A
·
V3+B
·
V2+C
·
V；S3,将姿态前馈到控制系统：在无人机飞行时，用户设定的任意的速度V0，能够采用S2步骤计算得到不同的前馈姿态俯仰角θ0，θ0＝A
·
V
03
+B
·
V
02
+C
·
V0，前馈姿态俯仰角θ0即是地速产生的风阻，前馈姿态俯仰角θ0前馈到姿态控制器来消除。2.根据权利要求1所述的一种基于拟合风阻模型来提高无人机航线飞行性能的方法,其特征在于，步骤S3中，V0在0-10m/s之间。3.一种无人机，其特征在于，包括：控制系统、制导系统、姿态计算模块、任务模块、导航模块；其中，控制系统包括：速度控制模块、姿态控制模块；所述速度控制模块用于控制无人机的飞行速度；所述姿态控制模块用于控制无人机的俯仰角；其中，所述制导系统用于产生制导数据，来驱动无人机的速度；其中，所述姿态计算模块用于计算抵消地速产生的风阻所需的姿态角(俯仰角)θ0的结果；其中，所述导航模块用于实时解算无人机的位置、速度、加速度、俯仰角，且将上述信息反馈给制导系统以及控制系统；其中，所述用户通过任务模块给予无人机飞行任务；其中，所述任务模块的输出端与制导系统的输入端连接，任务模块将飞行任务数据发送到制导系统；其中，制导系统的输出端与姿态计算模块的输入端连接，将无人机的速度信号发送给姿态计算模块，所述姿态计算模块用于计算抵消地速产生的风阻所需的俯...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢雨，刘帅，赵坤，吴涛，刘苏，
申请(专利权)人：三生万物北京人工智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：