[发明专利]一种模拟四轴飞行器卫星导航定位的方法

权利要求书

1.一种模拟四轴飞行器卫星导航定位的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：在四轴飞行器位置固定的条件下，基于已有三自由度飞行器姿态模拟平台，搭建模拟四轴飞行器卫星导航定位的装置；

所述的模拟四轴飞行器卫星导航定位的装置包括模拟定位模块、四轴飞行器和地面站；所述的模拟定位模块包括姿态传感器、单片机、反相器；姿态传感器通过串口把四轴飞行器姿态数据发送给单片机；四轴飞行器输出S.BUS信号，并将S.BUS信号经反相器后通过串口将电机转速发送给单片机；单片机通过串口模拟导航定位信号的数据协议格式，将模拟卫星导航定位信息发送给四轴飞行器；四轴飞行器连续接收到的模拟卫星导航定位信息能够显示在地面站的地图界面形成飞行轨迹；

步骤二：根据实际使用的四轴飞行器各部分元件的型号，设置四轴飞行器初始化参数，所述的初始化参数包括质量m、桨叶面积A、电机最大、最小转速、四轴飞行器侧面面积、四轴飞行器正面面积、四轴飞行器初始高度；此外，在模拟四轴飞行器卫星导航定位状态之前，需要确定四轴飞行器在卫星导航中的初始位置；

步骤三：接收并解析四轴飞行器姿态信息和电机转速Ω；

姿态传感器通过串口发送四轴飞行器当前姿态信息，单片机通过解析得出四轴飞行器当前的俯仰角θ、横滚角φ和偏航角ψ；四轴飞行器的S.BUS信号经过反相器反相后经过单片机解析，得出四轴飞行器油门大小G，油门的最小值和最大值对应四轴飞行器的电机转速Ω的最大值和最小值，所述的电机转速Ω的最大值和最小值在步骤二中设置，而且，由于当前四轴飞行器多采用无刷直流电机，速度由电调自动调节并稳定在目标速度上，所以油门大小G和电机转速Ω呈线性关系：

Ω＝k(G-G_min)+Ω_min 公式1

其中：Ω为电机旋翼转速；

G为油门大小，最大值与最小值之间一般相差1000；

G_min,Ω_min分别为油门最小值和电机转速最小值；

k为油门大小和电机转速之间的系数，且其值满足：

Ω_max＝k(G_max-G_min)+Ω_min 公式2

其中：G_max,Ω_max分别为油门最大值和电机转速最大值；

通过公式1和公式2，经过单片机处理，得出四轴飞行器的电机转速Ω；

步骤四：滤波处理；

为避免由于姿态、电机转速采集异常造成的模拟卫星导航定位位置信息计算异常，单片机需要对采集的数据进行滤波处理；

步骤五：计算四轴飞行器受到的升力T、阻力f；

电机产生的升力T的大小通过电机转速和飞行器参数计算：

T＝C_τρAR²Ω² 公式3

其中：C_τ为旋翼姿态参数，可近似取为常数；

ρ为空气密度，可近似取为常数；

A为桨叶面积，根据实际飞行器设置数值；

R为旋翼半径，根据实际飞行器设置数值；

空气阻力f的计算公式为：

其中：C为空气阻力系数，根据四轴飞行器形状改变，可设置为常数；

ρ为空气密度，可近似取为常数；

S为物体迎风面积，与飞行器大小及姿态相关，可根据飞行器设置为常数；

V为物体与空气的相对运动速度，由于本方法不考虑风速对飞行器的影响，所以V也是四轴飞行器的飞行速度，四轴飞行器的初始飞行速度为0；

根据公式4能够计算出四轴飞行器在东、北、天三个方向的空气阻力；

步骤六：计算四轴飞行器在东-北-天三个方向的加速度、速度和位移；

电机转速产生的力的方向与四轴飞行器坐标系右X-前Y-上Z的Z轴正方向重合；将四轴飞行器坐标系中与Z轴正方向重合的升力，转化到东-北-天的惯性坐标系中，通过坐标变换得出电机产生的升力在东-北-天的惯性坐标系中的坐标表示，公式如下：

其中：F_E,F_N,F_S分别为四轴飞行器所受合力在东、北、天三个方向的分力；

θ,φ,ψ分别为四轴飞行器的俯仰角、横滚角和偏航角；

f_E,f_N,f_S为四轴飞行器在东、北、天三个方向的空气阻力；

m为飞行器质量；

g为重力常数；

根据四轴飞行器在东、北、天三个方向的分力和牛顿第二定律计算出四轴飞行器在东、北、天三个方向的加速度、通过对加速度的积分累加，得到四轴飞行器在东、北、天三个方向的速度，通过对速度的积分累加，得到四轴飞行器在东、北、天三个方向的位移；

步骤七：根据步骤六的位移数据计算需要模拟的卫星导航定位信息位置坐标，并发送给四轴飞行器；四轴飞行器通过广播或串口与地面站通讯，并在地面站中显示四轴飞行器的卫星导航定位信息；

水平方向位置的经纬度计算方法如下公式：

Latitude＝Latitude_Init+Shift_Nouth*9.009*10^-6 公式6

Longitude＝Longitude_Init+Shift_East*9.009*10^-6*cos(Latitude) 公式7

其中：Latitude为纬度，取值范围为-90°到90°，其中负数代表南纬，正数代表北纬；

Longitude为经度，取值范围为-180°到180°，其中负数代表东经，正数代表西经；

Shift_East，Shift_Nouth分别为计算出的四轴飞行器在东、北方向的位移；

垂直方向位置和步骤六中天方向的位移相同；

根据计算出的飞行器的模拟卫星导航定位信息的位置坐标，通过串口发送给四轴飞行器，在四轴飞行器相连的地面站中即能够观察到四轴飞行器接收到的卫星导航定位信息；

步骤七中通过串口发送给四轴飞行器，串口发送协议根据四轴飞行器的固件进行选择；

步骤八：重复进行步骤三到七，与四轴飞行器相连的地面站中即能够观察到四轴飞行器接收到的卫星导航定位信息飞行器的连续轨迹，即四轴飞行器的飞行轨迹。