一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统及方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统及方法，该系统包括导入模块，用于导入初始数据和进行系统初始化；地面站模块，用于显示飞行器的飞行环境数据以及路径规划；数据模块，用于实时反馈所检测的飞行数据；同时进行数据预算；控制模块，用于根据数据预算与实时的飞行环境数据所产生的偏差对飞行器进行自动控制调节；状态模块，用于在飞行器为平稳状态时，对飞行器状态进行监控模拟并记录；品质评估模块，用于将监控模拟所得到的数据与预设的评估指标进行输出对比，以得到评估结果并进行显示；其有益效果是：针对小型多旋翼飞行器的特点，构建起一套评价体系，从而对于无人机的设计、研制、试验也起到了参考作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统及方法
本专利技术涉及飞行器评估
，具体涉及一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统及方法。
技术介绍
飞行品质是飞机的设计师与操控人员最为关心的问题，在飞机的设计、研发、测试和使用中始终扮演着重要角色。良好的飞行品质是确保飞机安全飞行及顺利完成既定飞行任务的重要保障。多旋翼无人机是指能够通过遥控器来操控，或者机器本身能够自主进行飞行的无人驾驶的飞行装置。它的旋翼一般具有偶数个，如4轴、8轴等多种结构，主要包含“x”型和“+”型两种型号。旋翼在机体四周均匀分布，并且正桨和反桨都是成对的，通过对电机的旋转速度控制，我们能够对其飞行的位姿进行控制。其中，因为四旋翼无人机制作简单、体积较小、容易上手操作，能够适应各种环境，特别是相对于同尺寸的单旋翼无人机而言，它的负载能力更强、抗干扰能力优越、操控性能优越，近年来在无人机相关领域逐渐兴起，成为热门研究领域。除此之外，四旋翼无人机凭借其绿色环保、组装容易、操作门槛低等众多特点，在多个行业均得到了普遍的应用。在军事领域：无人机能够进行军事勘测、军事预警、军事捜救等任务；在民用领域：无人机可应用于灾情预警、交通管制、病虫害防治、航拍取景等。正是由于它广泛的应用性，许多高校和企业都投入了大量的人力和物力来研究该领域。随着小型化多旋翼飞行器的蓬勃发展，飞行品质问题已经成为制约旋翼飞行器稳健发展的一个重要因素，引起了国内外飞行器供求双方高度重视。然而目前已发表的小型化多旋翼飞行器飞行品质的研究成果或可供参考的文献资料甚少。同时，相比于有人驾驶飞机，多旋翼飞行器在各个方面都有巨大差异，从而使现有的基于有人驾驶飞机的飞行品质规范无法适应多旋翼飞行器发展需求。小型化多旋翼飞行器飞行品质与有人驾驶飞机相比存在的较大差异主要源于系统组成、操作方式和关注焦点等多个方面的不同，表现为导航高度自主化、飞行控制高度自动化和系统综合高度集成化等显著特征。小型化多旋翼飞行器的性能要求、指标体系、评估方法和评价准则等如果照搬有人驾驶飞机的标准和尺度，则显然存在着一定的局限性和不适应性，同时其模拟与评估的结果与实际飞行效果大相径庭。因此，建立一套无人机飞行品质评价体系，对于无人机的设计、研制、试验都具有重要的指导意义，具有很强的理论价值和工程应用价值。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术缺陷，本专利技术实施例的目的在于提供适用于小型化多旋翼飞行器评估的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统及方法。为实现上述目的，第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，包括导入模块、地面站模块、数据模块、控制模块、状态模块和品质评估模块；所述导入模块，用于导入初始数据和进行系统初始化；其中，所述初始数据通过所述地面站模块输入所得，所述初始数据包括飞行日志、地理信息、环境信息和位置信息；所述地面站模块，用于实时显示飞行器的飞行环境数据以及实现对飞行器的路径规划；所述数据模块，用于：在所述飞行器根据所述路径规划进行试飞运行时，实时反馈所检测的飞行数据；其中，所述飞行数据包括高度、风速、运行速率、升高速率以及飞行通道的观测值和飞行器的设备数据；同时结合所述飞行数据、地理信息、环境信息和位置信息进行数据预算；所述控制模块，用于根据所述数据预算与实时的飞行环境数据所产生的偏差对所述飞行器进行自动控制调节，以实现所述飞行器的理想飞行和平稳状态；所述状态模块，用于在所述飞行器为平稳状态时，对飞行器状态进行监控模拟并记录；所述品质评估模块，用于将所述监控模拟所得到的数据与预设的评估指标进行输出对比，以得到评估结果并进行显示。在本申请某些优选实施方式中，所述的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，还包括操作模块，所述操作模块，用于将所述飞行器的自动控制调节切换为手动控制调节。在本申请某些优选实施方式中，所述偏差包括位置/高度跟踪误差、姿态/航向跟踪误差和三轴速度/角速度跟踪误差。在本申请某些优选实施方式中，所述控制模块通过以下公式对所述飞行器进行自动控制调节；其中，u(k)为当前k时刻输出值即总误差、Kp为比例环节、Ki为积分环节、Kd为微分环节、e(i)为积分误差、e(k)为当前k时刻误差。在本申请某些优选实施方式中，所述评估指标包括线性准则和非线性准则；其中，在所述线性准则和非线性准则中拥有不同的评定指标和说明。在本申请某些优选实施方式中，所述线性准则包括姿态带宽准则、等效系统参数准则、稳定储备准则和控制律切换准则；所述姿态带宽准则包括相位带宽、幅值带宽以及时间延迟，在相位和幅值带宽以及时间延迟指标里，通过姿态角对输入指令的开环频率响应计算带宽和时延两个特征值；所述等效系统参数准则包括自然频率、响应周期、相位和滞后时间；在自然频率、响应周期、相位和滞后时间的评定指标中，将飞行器等效为两阶系统，取该等效两阶系统特征变量作为评估参数，从而评估无人机飞行品质；所述稳定储备准则包括增益裕度和相位裕度，在增益裕度和相位裕度指标里，通过绘制相裕/增裕图检查是否达到所要求的值；所述控制律切换准则包括切换时间、振荡次数和实现精度，在切换时间、振荡次数和实现精度指标里，通过利用飞行过程状态参数曲线，检查不同控制模态之间的切换时间、振荡次数，并确定实现精度；其中，所述飞行过程状态参数曲线由所述数据模块和状态模块在飞行过程实时产生。在本申请某些优选实施方式中，所述非线性准则包括鲁棒性准则和故障后响应准则；所述鲁棒性准则包括稳定鲁棒性和性能鲁棒性，在稳定鲁棒性和性能鲁棒性指标里，通过不同类型故障的实时注入，在线检测飞行器系统稳定工作的情况；所述故障后响应准则通过实时干扰、故障注入来检查系统的收敛性和有界性以及性能保持性；其中，通过所述状态模块实现各故障的注入。在本申请某些优选实施方式中，所述状态模块和操作模块具有飞行模态切换特性的功能；其中，所述特性包括耦合特性和模态特性；所述耦合特性包括某通道的控制量给出时，引起的其他通道位置、姿态、速度和侧滑角的变化幅值；所述模态特性包括姿态的回落比、位置的回落比、固有频率、阻尼比(以及谐振频率、谐振峰值，在转换中包括不同模态之间切换所需时间、振荡次数和实现精度。第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估方法，应用于第一方面所述的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，所述方法包括：通过导入模块导入初始数据和进行系统初始化；其中，所述初始数据通过所述地面站模块输入所得，所述初始数据包括飞行日志、地理信息、环境信息和位置信息；由地面站模块实时显示飞行器的飞行环境数据以及实现对飞行器的路径规划；通过所述数据模块，在所述飞行器根据所述路径规划进行试飞运行时，实时反馈所检测的飞行数据；其中，所述飞行数据包括高度、风速、运行速率、升高速率以及飞行通道的观测值和飞行器的设备数据；同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，其特征在于，包括导入模块、地面站模块、数据模块、控制模块、状态模块和品质评估模块；/n所述导入模块，用于导入初始数据和进行系统初始化；其中，所述初始数据通过所述地面站模块输入所得，所述初始数据包括飞行日志、地理信息、环境信息和位置信息；/n所述地面站模块，用于实时显示飞行器的飞行环境数据以及实现对飞行器的路径规划；/n所述数据模块，用于：/n在所述飞行器根据所述路径规划进行试飞运行时，实时反馈所检测的飞行数据；其中，所述飞行数据包括高度、风速、运行速率、升高速率以及飞行通道的观测值和飞行器的设备数据；/n同时结合所述飞行数据、地理信息、环境信息和位置信息进行数据预算；/n所述控制模块，用于根据所述数据预算与实时的飞行环境数据所产生的偏差对所述飞行器进行自动控制调节，以实现所述飞行器的理想飞行和平稳状态；/n所述状态模块，用于在所述飞行器为平稳状态时，对飞行器状态进行监控模拟并记录；/n所述品质评估模块，用于将所述监控模拟所得到的数据与预设的评估指标进行输出对比，以得到评估结果并进行显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，其特征在于，包括导入模块、地面站模块、数据模块、控制模块、状态模块和品质评估模块；
所述导入模块，用于导入初始数据和进行系统初始化；其中，所述初始数据通过所述地面站模块输入所得，所述初始数据包括飞行日志、地理信息、环境信息和位置信息；
所述地面站模块，用于实时显示飞行器的飞行环境数据以及实现对飞行器的路径规划；
所述数据模块，用于：
在所述飞行器根据所述路径规划进行试飞运行时，实时反馈所检测的飞行数据；其中，所述飞行数据包括高度、风速、运行速率、升高速率以及飞行通道的观测值和飞行器的设备数据；
同时结合所述飞行数据、地理信息、环境信息和位置信息进行数据预算；
所述控制模块，用于根据所述数据预算与实时的飞行环境数据所产生的偏差对所述飞行器进行自动控制调节，以实现所述飞行器的理想飞行和平稳状态；
所述状态模块，用于在所述飞行器为平稳状态时，对飞行器状态进行监控模拟并记录；
所述品质评估模块，用于将所述监控模拟所得到的数据与预设的评估指标进行输出对比，以得到评估结果并进行显示。


2.如权利要求1所述的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，其特征在于，还包括操作模块，所述操作模块，用于将所述飞行器的自动控制调节切换为手动控制调节。


3.如权利要求1所述的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，其特征在于，所述偏差包括位置/高度跟踪误差、姿态/航向跟踪误差和三轴速度/角速度跟踪误差。


4.如权利要求1所述的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，其特征在于，所述控制模块通过以下公式对所述飞行器进行自动控制调节；



其中，u(k)为当前k时刻输出值即总误差、Kp为比例环节、Ki为积分环节、Kd为微分环节、e(i)为积分误差、e(k)为当前k时刻误差。


5.如权利要求1所述的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，其特征在于，所述评估指标包括线性准则和非线性准则；其中，在所述线性准则和非线性准则中拥有不同的评定指标和说明。


6.如权利要求5所述的一种基于小型多旋翼飞行器的飞行评估系统，其特征在于，所述线性准则包括姿态带宽准则、等效系统参数准则、稳定储备准则和控制律切换准则；
所述姿态带宽准则包括相位带宽、幅值带宽以及时间延迟，在相位和幅值带宽以及时间延迟指标里，通过姿态角对输入指令的开环频率响应计算带宽和时延两个特征值；
所述等效系统参数准则包括自然频率、响应周期、相位和滞后时间；
在自然频率、响应周期、相位和滞后时间的评...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春鹤，张军国，李恒宝，柴垒，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11