[发明专利]一种四旋翼飞行器动力学模型/机载传感器组合导航方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼飞行器的动力学模型/机载传感器组合导航方法，属于组合导航领域。本发明利用四旋翼飞行器的动力学模型，与机载传感器相结合，对其角速度、姿态、速度、位置信息进行估计，在本发明中，采用的动力学模型包括升力模型、阻力模型、扭矩模型、横滚力矩模型、俯仰力矩模型，采用的机载传感器包括旋翼转速传感器、磁传感器、卫星导航系统、气压高度计。在该方法中，没有采用目前四旋翼飞行器中常用的惯性传感器如陀螺仪与加速度计，通过四旋翼飞行器的动力学模型输出加速度、角加速度信息，对惯性传感器进行替代。该方法可用于解决惯性传感器失效时的四旋翼飞行器导航问题。

技术领域

本发明属于组合导航领域，具体涉及一种四旋翼飞行器的动力学模型/机载传感器组合导航方法。

背景技术

四旋翼飞行器具有体积小、结构简单、可悬停和垂直起降等优点，特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等)中执行监视、侦察等任务，具有广阔的军事和民用前景。导航系统为四旋翼飞行器提供其飞行控制系统所必须的导航信息，是其完成各种复杂飞行任务的必要保障。

目前四旋翼飞行器常用的传感器包括惯性传感器、GNSS(卫星导航系统)、磁传感器、气压高度计，其中惯性传感器包括陀螺仪与加速度计。受成本、体积所限，四旋翼飞行器中选用的惯性传感器精度、可靠性较低，易受外界温度、振动干扰而产生性能下降，甚至失效。此时，会导致导航系统精度下降，影响飞行安全。目前，尚未有针对惯性传感器失效情况下的四旋翼飞行器导航方法。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种四旋翼飞行器的动力学模型/机载传感器组合导航方法，通过四旋翼飞行器的动力学模型，与GNSS、磁传感器、气压高度计相融合，计算四旋翼飞行器的角速度、姿态、速度、位置信息，解决四旋翼飞行器在惯性传感器失效时的导航问题。

技术方案：一种四旋翼飞行器的动力学模型/机载传感器组合导航方法，包括如下步骤：

步骤一：周期读取k时刻四旋翼飞行器机载传感器信息，包括旋翼转速传感器信息ω₁(k)、ω₂(k)、ω₃(k)、ω₄(k)，其分别为四个旋翼的转速；GPS信息V_NG(k)、V_EG(k)、V_DG(k)，其分别为北向速度、东向速度、地向速度，P_NG(k)、P_EG(k)，其分别为北向位置、东向位置；h_b(k)为气压高度计信息；ψ_m(k)为磁传感器信息；

步骤二：计算k时刻四旋翼飞行器的加速度、角加速度；

加速度信息通过下式进行计算：

其中，为k时刻机体系相对于导航系的加速度在机体系X、Y、Z轴上的分量；k_Hx、k_Hy、k_T为模型参数，均为常数，通过离线辨识方法获得；为k-1时刻机体系相对于导航系的线速度在机体系X、Y轴上的分量；

角加速度信息通过下式进行计算：

其中，为k时刻机体系相对于导航系的角速度在机体系X、Y、Z轴上的分量，是的微分，即角加速度；k_R1、k_R2、k_P1、k_P2、k_Q为模型参数，均为常数，通过离线辨识方法获得；

步骤三：预测k时刻四旋翼飞行器的角速度、姿态、速度、位置；