【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机感知及控制，具体涉及一种无人机空速感测装置及飞行控制方法。尤其涉及一种测量无人机空速和位置的空速惯性里程计，以及相关的飞行状态估计与控制方法。
技术介绍
1、随着无人机技术的快速发展，微型固定翼无人机在各种特殊环境下的应用日益增多，如封闭空间探索、缺乏卫星定位的区域等。在这些情境下，确定无人机的精确位置至关重要，以支持其安全飞行、任务执行及空间定位需求。然而，由于微型无人机的载荷能力有限，传统的大尺寸、大功率、大算力的定位传感器难以搭载，这为实现准确的局部定位带来了挑战。为解决这一问题，研究人员开始探索利用测量流经无人机的气流速度来推断其位置的方法。这一方法被称为气流速度里程计。
2、气流速度里程计通过测量无人机相对于周围气流的位置变化，结合航位推算或数据融合技术，推算出无人机的位置信息。以往的研究主要集中在四旋翼无人机平台上，通过远距离布置传感器以减少螺旋桨流动对空速测量的影响。然而，即使采用这种方法，传统的空速传感器因其尺寸和重量较大在微型无人机上部署时受限制。
3、因此，近年来，研究人员开始探索开发更小型化、轻量化的空速传感器，以适应微型无人机的需求。这些新型传感器基于不同的原理，如量热式、超声波等，旨在提供精确的空速测量，从而支持微型无人机的局部定位。这一领域的进展为微型无人机在复杂环境中的应用提供了新的可能性，同时也为无人机定位技术的发展带来了新的挑战和机遇。
4、此外，如何有效地利用传感器收集的数据进行飞行控制是另一个关键的研究领域。无人机需要实时了解其当前的飞
技术实现思路
1、鉴于上述问题，本专利技术提供了一种无人机空速感测装置及飞行控制方法。无人机空速感测装置通过基于热线的空速传感器实现，并与惯性测量单元imu的量测结合，通过扩展卡尔曼滤波的状态估计方法进行数据融合，实现在线的无人机速度及位置感知，进一步解决无人机在封闭空间探索、缺乏卫星定位的区域等特殊环境下的局部定位问题，并改善飞行控制的效果。
2、本专利技术提供了一种无人机空速感测装置，包括：空速传感器单元一9、空速传感器单元二10、惯性测量单元11和数据融合估算模块；
3、所述空速传感器单元一9和空速传感器单元二10通过导线与所述数据融合估算模块连接；
4、所述惯性测量单元11与数据融合估算模块连接；所述惯性测量单元用于采集无人机的动态运动信息，获得与无人机姿态有关的加速度和角速度信息。
5、所述空速传感器单元一9、空速传感器单元二10分别设置在所述无人机两个机翼上，分别用于产生多个热敏电阻的温差，通过所述多个热敏电阻的温差得到无人机的三维空速；
6、优选的，所述无人机为微型固定翼无人机；
7、优选的，所述空速传感器单元一9包括：热敏电阻单元一2、保护层一以及柔性衬底一1；
8、所述保护层一与所述柔性衬底一连接，设置在所述无人机的机翼外侧；
9、所述热敏电阻单元一2封装着多个热敏电阻对7；
10、所述空速传感器单元一9还包括加热器一8；所述热敏电阻单元一2和加热器一8设置在所述保护层一上；
11、所述加热器一8设置在所述热敏电阻单元一2的中心位置；
12、所述每个热敏电阻对包括两个热敏电阻；所述每个热敏电阻对的两个热敏电阻以加热器一8为中心，对称设置；
13、进一步的，以加热器一8为中心，在加热器一8的外周，由内向外设置多组热敏电阻对7；所述热敏电阻对7中两两热敏电阻以加热器一8为中心，对称地设置在加热器一8的外周；
14、示例性的，所述多个热敏电阻以加热器一8为中心，按照十字形布置，两两对称地设置在加热器外周，呈正交分布；所述多组热敏电阻对通过保护层一和柔性衬底一设置在无人机的机翼外侧，测量正交的两个方向空速，获得无人机的三维空速。
15、所述空速传感器单元二10包括：热敏电阻单元二、加热器二、保护层二以及柔性衬底二；所述空速传感器单元二的设置方式与空速传感器单元一的设置方式一致。
16、可以理解的是，所述柔性衬底一为柔性印刷电路(fpc)线路；
17、所述热敏电阻通过微米级工艺制造并封装在柔性印刷电路(fpc)线路上。
18、本专利技术技术方案中多个热敏电阻按照十字形布置在无人机的机翼外侧，同时测量正交的两个方向，用来准确测量三维风速，在保持无人机外形完整性的前提下，提供了空速方向和大小的精确测量能力。
19、本专利技术中使用了多个超薄的热敏电阻作为每个风速传感器单元的核心元件，在风场中持续发热，在风速流动的上下游之间产生温差，通过所述温差反映热对流，抵消环境热影响，进一步推断出空气流动的方向性，反映出空速的变化。
20、优选的，所述数据融合估算模块包括：模拟和/或数字转换单元、处理器和数据存储模块；
21、所述处理器分别连接所述模拟和/或数字转换单元和数据存储模块；
22、所述多个热敏电阻产生温差，所述温差经模拟和/或数字转换单元得到电压数据，所述电压数据传输至处理器；
23、优选的，所述惯性测量单元11包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计；所述惯性测量单元11为感应元件，用于输出测量信息；
24、所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计并联；所述三轴加速度计连接处理器；
25、所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计输出无人机的加速度和角速度，传输至处理器；如附图3所示，所述电压数据和无人机的加速度和角速度通过数据融合算法，得到无人机的位置。
26、优选的，所述无人机空速感应装置还包括：采样模块；
27、所述采样模块包括热敏电阻接口一12-1、热敏电阻接口二12-2和数据传输接口13；
28、所述热敏电阻接口一12-2分别连接空速传感器单元一和所述模拟和/或数字转换单元；所述热敏电阻接口二12-2分别连接空速传感器单元二和所述模拟和/或数字转换单元；
29、所述数据传输接口13连接所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计；
30、进一步的，所述热敏电阻接口一12-1和热敏电阻接口二12-2用于将空速传感器单元一和空速传感器单元二的电压数据传输至数据融合估算模块；
31、所述数据传输接口13用于将无人机的加速度和角速度等惯性测量信息传输至数据融合估算模块。
32、更进一步，所述处理器为滤波器数据融合模型；
33、更进一步，所述滤波器数据融合模型包括：滤波器一、神经网络、扩展滤波器一、滤波本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无人机空速感测装置，其特征在于，包括：空速传感器单元一(9)、空速传感器单元二(10)、惯性测量单元(11)和数据融合估算模块；所述空速传感器单元一(9)包括热敏电阻单元一(2)；所述空速传感器单元一(9)、空速传感器单元二(10)和所述惯性测量单元(11)均与所述数据融合估算模块连接；
2.根据权利要求1所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述空速传感器单元一(9)包括保护层一以及柔性衬底一(1)；
3.根据权利要求2所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述空速传感器单元一(9)还包括加热器一(8)；
4.根据权利要求1所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述数据融合估算模块包括：模拟和/或数字转换单元、处理器和数据存储模块；所述处理器分别连接所述模拟和/或数字转换单元和数据存储模块；所述多个热敏电阻产生温差，所述温差经模拟和/或数字转换单元得到电压数据，所述电压数据传输至处理器。
5.根据权利要求4所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述惯性测量单元(11)包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计；
7.根据权利要求6所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述扩展滤波器一和扩展滤波器二均为扩展卡尔曼滤波器。
8.根据权利要求5所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述无人机空速感应装置还包括采样模块；
9.根据权利要求1-8中任一项所述的无人机空速感测装置的飞行控制方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的无人机空速感测装置的飞行控制方法，其特征在于，所述姿态数据的表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种无人机空速感测装置，其特征在于，包括：空速传感器单元一(9)、空速传感器单元二(10)、惯性测量单元(11)和数据融合估算模块；所述空速传感器单元一(9)包括热敏电阻单元一(2)；所述空速传感器单元一(9)、空速传感器单元二(10)和所述惯性测量单元(11)均与所述数据融合估算模块连接；
2.根据权利要求1所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述空速传感器单元一(9)包括保护层一以及柔性衬底一(1)；
3.根据权利要求2所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述空速传感器单元一(9)还包括加热器一(8)；
4.根据权利要求1所述的无人机空速感测装置，其特征在于，所述数据融合估算模块包括：模拟和/或数字转换单元、处理器和数据存储模块；所述处理器分别连接所述模拟和/或数字转换单元和数据存储模块；所述多个热敏电阻产生温差，所述温差经模拟和/或数字转换单元得...
【专利技术属性】
技术研发人员：李道春，屠展，邸伟承，张佳慧，党世豪，卫子兴，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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