无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法技术

本发明专利技术提供一种无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，包括如下步骤：S1、控制无人机悬停；S2、通过GPS测量地面速度矢量与无人机飞行姿态的方向余弦阵对风速矢量估计值进行计算；S3、计算风速矢量估计值与y轴之间的夹角；S4、控制无人机偏航，当时，则表明无人机的侧面处于迎风面，无人机正常进行垂直起降运动。本发明专利技术通过风矢量与无人机机头方向的夹角去控制无人机偏航运动，从而使无人机侧面迎着风向，极大程度减小了无人机的迎风面积，使侧风对无人机的影响最小。使侧风对无人机的影响最小。使侧风对无人机的影响最小。

【技术实现步骤摘要】
无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法


[0001]本专利技术涉及无人机控制
，特别涉及一种无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法。

技术介绍

[0002]尾座式垂直起降无人机垂直起降过程中，在存在侧风扰动的情况下，由于无人机正面的迎风面积很大，无人机会受到很大的外部干扰，从而偏离预期位置，导致控制失灵和安全风险；由于风速难以预测的，而风向通常在很短的时间内变化不大，通过多风速计的方式测量机体各轴向风速成本较高，并且工程实现复杂。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，能够通过估计风矢量，通过风矢量与无人机机头方向的夹角去控制无人机偏航运动，从而使无人机侧面迎着风向，极大程度减小了无人机的迎风面积，使侧风对无人机的影响最小。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0005]本专利技术提供的无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，无人机包括机翼、副翼、螺旋桨和机体，两组机翼的一端分别固定连接在机体的两侧，螺旋桨和副翼分别固定在机翼上；建立机体系，设机体系的原点为无人机的质心，无人机的对称轴所在的平面穿过质心并平行于机体，机体系的x轴在对称平面内并指向机头，机体系的y轴垂直于对称平面，机体系的z轴在对称平面内，与x轴垂直并指向机体下方；建立惯性系，设惯性系的原点为无人机飞行航线的起飞点，惯性系的x
e
轴在水平面内指向北方，惯性系的z
e
垂直于地面并指向地心，惯性系的y
e
在水平面内垂直于x
e
轴；包括如下步骤：
[0006]S1、控制无人机悬停；
[0007]S2、通过GPS测量地面速度矢量与无人机飞行姿态的方向余弦阵对风速矢量估计值进行计算；
[0008]S3、计算风速矢量估计值与y轴之间的夹角，风速矢量估计值通过方向余弦阵在机体系中表示为：
[0009]b
W＝R
bee
W
ꢀꢀꢀ
(12)
[0010]式中，
e
W为风速矢量估计值；
b
W为风速矢量估计值通过方向余弦阵在机体系中的表示；R
eb
为由惯性系旋转到机体系的方向余弦阵；
[0011]y轴表示为[010]T
，则y轴与风速矢量估计值的夹角为：
[0012][0013]式中，
b
W
x
为风速矢量估计值通过方向余弦阵在x轴中的表示；
b
W
y
为风速矢量估计值通过方向余弦阵在y轴中的表示；
b
W
z
为风速矢量估计值通过方向余弦阵在z轴中的表示；
[0014]S4、控制无人机偏航，当时，则表明无人机的侧面处于迎风面，无人机正常进行垂直起降运动。
[0015]优选地，步骤S2具体包括：
[0016]S21、地面速度矢量为在惯性系下表示的空速矢量和在惯性系下的风速矢量之和，表示为：
[0017]V
e
＝
e
V
a
+
e
W
ꢀꢀꢀ
(1)
[0018]在预定时间内测量两次地面速度矢量与空速矢量并做差，可得出风速矢量估计值表示式，表示为：
[0019][0020]S22、计算地面速度矢量与空速矢量，将计算后的结果带入到式(2)中，得到风速矢量估计值。
[0021]优选地，步骤S22具体包括：
[0022]S221、计算空速矢量在惯性坐标系下的表示：
[0023][0024]式中，V为空速的大小；R
eb
为由机体系旋转到惯性系的方向余弦阵，表示机体系到惯性系的旋转矩阵；
[0025]待消除存在的偏航误差，表示为：
[0026][0027]进一步表示为：
[0028][0029]式中，
e
F＝R
eb
[1 0 0]T
为方向余弦阵的第一列或者机体系
x
轴的单位矢量在惯性坐标系下的表示；ψ为存在的偏航误差；
[0030]对两次空速矢量和地面速度矢量做差，可以得到：
[0031][0032]将(5)带入(6)得到：
[0033][0034]对方程(7)两边同时取模运算，得出空速矢量：
[0035][0036]S222、计算存在的偏航误差，
[0037]由(7)和(8)可以得到：
[0038][0039]由(9)计算出偏航误差：
[0040][0041]将式(7)、(8)、(9)带入式(2)，计算出风速矢量估计值：
[0042][0043]优选地，步骤S4具体包括：
[0044]S41、无人机的偏航力矩方程为：
[0045][0046]式中，s为螺旋桨(6)后方气流流过机翼(1)的面积；为与副翼(2)偏转相关的滚转控制导数；D为螺旋桨(6)的直径；为舵面偏转角度；K
T
为螺旋桨(6)拉力系数；b为翼展；Ω
i
为螺旋桨(6)转速；
[0047]S42、无人机的偏航运动学方程为：
[0048][0049]对偏航力矩方程和运动方程进行线性化，得到：
[0050][0051]式中，δ
yaw
为虚拟的偏航控制输入；而螺旋桨(6)转速为常数；大小表示为：
[0052][0053]最后，偏航动力学表示为：
[0054][0055]S43、外环动力学表示为：
[0056]ψ
des
＝K
η
η
ꢀꢀꢀ
(19)
[0057]S44、虚拟输入表示为：
[0058]δ
gaw
＝k
p
(k
η
η
‑
ψ)+k
i
∫(k
α
α
‑
ψ)dt
‑
k
d
r
ꢀꢀꢀ
(20)
[0059]则舵面的偏转角度由虚拟输入得到：
[0060][0061]偏航角度误差经过PID控制器控制舵面，进而控制无人机偏航，当时，表示y轴与风速矢量平行。
[0062]本专利技术能够取得如下技术效果：通过估计风矢量、风矢量与无人机机头方向的夹角去控制无人机偏航运动，从而使无人机侧面迎着风向，极大程度减小了无人机的迎风面积，使侧风对无人机的影响最小。
附图说明
[0063]图1是根据本专利技术实施例提供的无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法的第一流程图。
[0064]图2是根据本专利技术实施例提供的无人机的结构示意图。
[0065]图3是根据本专利技术实施例提供的无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法的控制器结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，无人机包括机翼(1)、副翼(2)、螺旋桨(6)和机体(7)，两组所述机翼(1)的一端分别固定连接在所述机体(7)的两侧，所述螺旋桨(6)和所述副翼(2)分别固定在所述机翼(1)上；建立机体系，设所述机体系的原点为所述无人机的质心，无人机的对称轴所在的平面穿过质心并平行于所述机体，所述机体系的x轴在所述对称平面内并指向机头，所述机体系的y轴垂直于所述对称平面，所述机体系的z轴在所述对称平面内，与x轴垂直并指向所述机体下方；建立惯性系，设所述惯性系的原点为无人机飞行航线的起飞点，所述惯性系的x
e
轴在水平面内指向北方，所述惯性系的z
e
垂直于地面并指向地心，所述惯性系的y
e
在水平面内垂直于x
e
轴；其特征在于，包括如下步骤：S1、控制所述无人机悬停；S2、通过GPS测量地面速度矢量与无人机飞行姿态的方向余弦阵对风速矢量估计值进行计算；S3、计算所述风速矢量估计值与y轴之间的夹角，风速矢量估计值通过方向余弦阵在机体系中表示为：
b
W＝R
bee
W
ꢀꢀꢀꢀ
(12)式中，
e
W为所述风速矢量估计值；
b
W为所述风速矢量估计值通过方向余弦阵在机体系中的表示；R
eb
为由惯性系旋转到机体系的方向余弦阵；y轴表示为[0 1 0]
T
，则y轴与风速矢量估计值的夹角η为：式中，W＝[
b
W
xb
W
yb
W
z
]
T
，
b
W
x
为风速矢量估计值通过方向余弦阵在x轴中的表示；
b
W
y
为风速矢量估计值通过方向余弦阵在y轴中的表示；
b
W
z
为风速矢量估计值通过方向余弦阵在z轴中的表示；S4、控制无人机偏航，当时，则表明无人机的侧面处于迎风面，无人机正常进行垂直起降运动。2.如权利要求1所述的无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，其特征在于，步骤S2具体包括：S21、所述地面速度矢量为在惯性系下表示的空速矢量和在惯性系下的风速矢量之和，表示为：V
e
＝
e
V
a
+

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，白越，乔正，高源觐，裴信彪，
申请(专利权)人：长春长光博翔无人机有限公司，
类型：发明
国别省市：