[发明专利]一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法

权利要求书

1.一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对描述锂电池和飞行轨迹的导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系、大地坐标系，以及方位角与欧拉角进行定义，并推导方位角与欧拉角之间的转换关系；

步骤1具体实现方法包括如下步骤：

步骤1.1：定义导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系和大地坐标系；导航坐标系采用北东地导航系，记作Σ_e，其x_e轴指向地理正北，y_e轴指向地理正东，z_e轴指向地面；地磁坐标系，记作Σ_m，通过地磁场强度B_e、磁偏角D和磁倾角I描述地磁矢量，磁偏角是地磁正北与地理正北的夹角，磁倾角是地磁矢量与地磁正北的夹角；地磁坐标系x_m轴指向地磁正西，y_m轴指向地磁正北，z_m轴指向地面；机体坐标系与无人机机体固连，记作Σ_b，其x_b轴指向左翼，y_b轴指向机头，z_b轴指向机腹；大地坐标系，记作Σ_g，其y_g轴为航向的水平分量，z_g轴指向地面，x_g轴与y_b和z_g满足右手螺旋定则；无人机航向，记作θ，为y_g轴与x_e轴之间的夹角；无人机磁航向，记作为y_g轴与y_m轴之间的夹角；那么，可以得到

步骤1.2：推导方位角与欧拉角的角度转换关系；地磁矢量与机体坐标系三轴的夹角为方位角，分别记作X，Y，Z；其中，X为机体坐标系x_b轴与地磁矢量的夹角；Y为机体坐标系y_b轴与地磁矢量的夹角；Z为机体坐标系z_b轴与地磁矢量的夹角；无人机欧拉角为俯仰角λ，偏航角Ω和滚转角ψ；由于无人机飞行时仅能测量欧拉角，无法直接得知方位角，因此，需要进行方位角与欧拉角之间的转换，得到

其中，为了简化公式的表达形式，c代表cos，s代表sin；

步骤2：根据锂电池的供能机理，结合锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立锂电池的电磁干扰机理模型；

步骤2具体实现方法包括如下步骤：

步骤2.1：建立锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系；

测量锂电池的尺寸，包括锂电池的宽度l，每一片锂电池的厚度d；测量锂电池和磁罗盘之间的相对距离，包括第i片锂电池中心与磁罗盘的距离D_i，第i片锂电池中心与磁罗盘距离的水平分量l₁，第i片锂电池中心与磁罗盘距离的垂直分量l_2i，Λ_i为第i片锂电池中心到磁罗盘的方位角；那么，存在几何关系

其中，l₂₁为第1片锂电池与磁罗盘距离的垂直分量；

步骤2.2：建立每一片锂电池的电磁干扰机理模型；

根据毕奥萨伐尔定理，锂电池内部长等于锂电池宽度l的电流I_b产生的电磁干扰B_I为

其中，μ₀＝4π×10^-7V·s/(A·m)为真空磁导率，π为圆周率；

在磁罗盘处建立与机体坐标系固连的电磁干扰坐标系，记作Σ_c，x_c轴指向左翼，与x_b轴平行；y_c轴指向机尾，与y_b轴平行；z_c轴指向机背，与z_b轴平行；电磁干扰坐标系用于描述电磁干扰在机体坐标系x_b轴、y_b轴和z_b轴的分量；

B_I在磁罗盘处的三轴分量为B_Ix，B_Iy和B_Iz，表示为

其中，Θ为锂电池的安置倾角；

步骤2.3：建立多片锂电池的电磁干扰机理模型；

将多片锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰进行求和，得到多片锂电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z为

其中，N为锂电池总片数；C₁，C₂和C₃为公式化简后的常数项；(-1)ⁱ表示第i片锂电池在磁罗盘处产生电磁干扰的方向；

步骤3：根据多片锂电池的电磁干扰机理模型，将多片锂电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z投影到磁罗盘所在位置的地磁矢量上，此投影量B_I为磁罗盘对地磁场的测量影响量，投影后，B_I与航向和欧拉角耦合；

步骤4：由于无人机飞行时欧拉角变化较小，因此，将欧拉角视为小角度，将步骤3得到的电磁干扰投影量B_I线性化；

步骤4具体实现方法包括如下步骤：

步骤4.1：将式线性化，得到

步骤4.2：将式化简，得到

步骤5：根据辅助角公式，优化得到最优锂电池安置倾角；

其中，当无人机航向固定，欧拉角均为0时，

那么，当锂电池安置倾角满足

此时，B_I＝0，即，锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰对磁罗盘的影响实现自抵消，与电流大小无关；此时，锂电池的安置倾角为最优倾角，最优倾角记作Θ*；

步骤6：根据反馈控制实时调整锂电池的安置倾角，使无人机在飞行的过程中，其锂电池倾角对式获得的最优倾角实时跟踪，实现锂电池对磁罗盘的电磁干扰最小。