[发明专利]一种基于侧滑角信息的无人机测风建模方法

说明书

本发明适用于大气科学领域，提供了一种基于侧滑角信息的无人机测风建模方法，包括：建立无人机横侧向开环控制模型；建立无人机横侧向闭环导航模型；建立实测量与侧滑角关系模型；利用风速、地速和空速矢量三角形关系建立风场估计模型。本发明提供的方法不需要安装侧滑角传感器，通过建立无人机侧滑角估算模型，完善了风场估计模型，提高了风场估计准确性，成本低、简单易行。另外，该方法测风范围大、频率高，可用于较大区域包括人类不易到达地区以及恶劣天气下实时连续风场信息的测量，具有较高的工程应用价值。

技术领域

本发明属于大气科学领域，涉及一种基于侧滑角信息的无人机测风建模方法。

背景技术

风的探测对了解大气运动情况、提高天气预报准确率具有重要意义，同时也是研究全球气候变化的重要手段。目前风测量和估计的方法有风速仪测风、气球法测风、雷达测风和无人机测风。其中，风速仪测风通常用于地面的风测量，因此只能得到近地面风场信息；气球法测风能获取从地面到高空不同高度层风场信息，探测精度和探测高度高，但探测成本也高且探测区域小，若要获取大范围风场信息就需要大量气球，经济性低；雷达测风适用于研究特定区域特定高度的风场信息，探测精度较高，但易受天气影响且造价昂贵。随着无人机技术的发展，加之无人机具有探测区域大、续航时间长、连续性好、成本相对较低、环境适应性高、使用灵活方便等优点，无人机测风已日益得到广泛应用。

无人机测风方法从测量原理上可分为水平空速归零法、解析测风法、航位推算法及皮托-静压管测风法。文献“无人机测风技术研究”(传感器世界，2014)以及名称为“一种基于飞行参数计算风速及风向的方法”的发明申请(专利申请号为201711064897.4、申请日为2017.11.02)，对机载测风手段和现有相关测量风速风向的背景技术进行了分析。与该发明申请及所提到的其他相关技术相比，无人机测风算法通常会忽略侧滑角的影响，但侧滑角在飞机飞行过程中一直存在，是飞机控制和导航中的重要信息，忽略侧滑角信息将会影响各部分控制的准确性。目前侧滑角的测量主要是通过安装在飞机上的风标式传感器、压差管式传感器和零压差式传感器来实现，这类传感器受到结冰及飞行状态有关的局部环流影响，几乎不可避免受到很大的零点偏差。此外，飞机上的侧滑角传感器对气流存在干扰，使得在飞机上不同位置处的气流场与理想流场间存在区别，产生局部侧滑角。因此，即使存在侧滑角传感器，要做到精确测量也十分困难。为了改进无人机测风精度，在测风算法中加入侧滑角信息十分必要，而考虑到侧滑角难以精确测量的特点，建立侧滑角估计模型就具有非常重要的现实意义。在此基础上，建立基于侧滑角信息的风场估计模型，最终达到改进测风算法的目的。

发明内容

为了实现无人机测风对准确的侧滑角信息的迫切需求，本发明的目的是，提出一种基于侧滑角信息的无人机测风建模方法，旨在通过建立侧滑角估计模型并应用到无人机测风估计模型中，进而采用矢量三角形算法求得风场信息。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于侧滑角信息的无人机测风建模方法，包括如下步骤：

步骤一，建立无人机横侧向开环控制模型，具体为：

横侧向开环控制模型用状态空间方程可表示为如下形式

式中，为状态量，为状态矩阵，为输入矩阵，为输入量；β为侧滑角，p为滚转角速率，r为偏航角速率，φ为滚转角；Y_b、Y_p、Y_r、Y_ph、L_b、L_p、Lx、N_b、N_p、N_r、Y_da、Y_dr、L_da、L_dr、N_da、N_dr为无人机横侧向参数，可根据无人机给定的气动参数及控制参数解算；δ_a、δ_r为方向舵和副翼的舵偏角；