CN104535082A - 一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，本发明分为步骤如下：获取无人机惯导元件的实际测量频率；获取无人机惯导元件的理论测量频率；将得到的无人机惯导元件的实际测量频率与得到的无人机惯导元件的理论测量频率，进行比较，若两个频率的差值的绝对值小于等于一定阈值，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。本发明可有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的缺陷，为惯导元件性能评估提供一种可信的测量手段。

Description

一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法

技术领域

本发明涉及一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，可有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的缺陷，为惯导元件性能和测量性能状况评估提供一种可信的测量手段，属于无人机飞行试验测量技术领域。

背景技术

在无人机飞行试验中，装配的惯导元件只能测量姿态角度的时域信号，但测量是否满足无人机飞行性能频域要求未知，可采用频域数据处理方法分析姿态测量数据，并与有控无人机飞行品质属性进行对比，满足对惯导元件测量频域性能的考察要求。

在已有的姿态测量元件评估方法中，一般只引用惯导元件出厂测量的指标为其依据，例如，惯导元件的测量精度，带宽等，但在惯导元件经过一段时间使用或者发生碰撞的物理损坏后，其测量精度能否得到保障，这是个需要验证的问题。从惯导元件测量的时域信号上较难得到惯导元件的频率指标性能，而仅仅将时域信号转变为频域信号也没有可对比的依据，故需要一种方法能在获取惯导元件的频率信号后，从理论上分析出惯导元件频率性能指标是否满足测量要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：本发明提出了一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，本发明通过对比试验测量数据频率特性和理论飞行运动模态所具有的频率特性，从而对惯导元件的性能进行分析，对惯导元件的测量性能问题实现评估，可有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的问题，为惯导元件性能评估提供一种可信的测量手段。

本发明的技术方案：

一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，包括步骤如下：

(1)获取无人机惯导元件的实际测量频率；

具体的实现方式如下：

(1a)通过无人机上安装的垂直陀螺获取无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ(以一定的采样频率在一定时间内对无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ进行测量获取)；

(1b)对步骤(1a)中获得的俯仰角θ和滚转角γ进行数据处理；

俯仰角θ的处理方式如下：

(1b1)假设当前处理的俯仰角θ的数据点为θ(i)，则截取i到i+n这段数据进行求平均 $E\left(\mathrm{\θ}\left(i\right)\right)=\underset{i}{\overset{i+200}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\θ}\left(i\right)/N$ 和方差 $\mathrm{\σ}\left(i\right)=\sqrt{\underset{i}{\overset{i+N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\θ}\left(i\right)-E\left(\mathrm{\θ}\left(i\right)\right)/(N-i)},$ 以此均值作为当前数据i的平均值，其中i、n均为正整数，1≤i≤N，N为步骤(1a)试验数据的某段数据量；

(1b2)按照(1b1)的方法，对第i+1点到第N个点进行依次处理，获得平均数列θ_ave和方差数列σ；

(1b3)设定方差数列σ的上下门限值±ζ，若存在任意数据点|σ|>|ζ|，则认为从i点到第N点的数据段为波段剧烈振荡的数据段，并进入步骤(1b4)，若|σ|≤|ζ|，认为该数据段波动平缓，则不再进行后续处理；

(1b4)对波段剧烈振荡的数据段进行观察，若满足一个及以上的周期振荡，则可进行频率转换，否则不再进行后续处理；

(1b5)按照步骤(1b1)-(1b4)的方式对滚转角γ的实验数据进行处理；

(1c)对满足步骤(1b4)的俯仰角θ数据段或(1b5)条件的滚转角γ数据段进行快速FFT变换，得到俯仰角θ或滚转角γ的飞行频率值；

(2)获取无人机惯导元件的理论测量频率；

(2a)建立无人机六自由度运动学方程；

(2b)在特定的高度和速度下对无人机的六自由度运动学方程进行处理，获得无人机线性化运动学方程；

(2c)根据步骤(2b)中的线性化运动学方程，通过根轨迹方法实现无人机PID控制器设计；

(2d)步骤(2b)中的线性化运动学方程与步骤(2c)中的PID控制器，合并为姿态角跟随指令的闭环传递函数，从而得到无人机俯仰角和滚转角的理论测量频率，将俯仰角和滚转角的理论测量频率作为惯导元件的理论测量频率；

(3)将步骤(1)得到的无人机惯导元件的实际测量频率与步骤(2)得到的无人机惯导元件的理论测量频率，进行比较，若两个频率的差值的绝对值小于等于一定阈值，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。

所述步骤(1b)中只要存在任意一段波动剧烈的俯仰角θ或滚转角γ数据经过数据处理满足步骤(3)的条件，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)惯导元件用于测量无人机飞行姿态，如俯仰角和滚转角等，一般出厂时会对惯导元件的测量精度和带宽等进行标定，但出厂后，对惯导元件的测量性能情况无法做进一步的测试，导致惯导元件在老化或损伤后仍然在空中服役，测量精度不准确，现阶段没有很好的办法解决服役中的元件测量性能问题。而本发明可通过无人机空中测量数据，通过频域转换，将飞行数据与理论数据进行对比，从而对惯导元件的测量性能情况进行评估，有效解决无人机飞行试验中姿态只能测量时域值，而频域数据无法测量的问题，本发明方法简单易于实现，但是通用性较强，填补了国内外在该领域的技术空白。

(2)现在没有一个合适的惯导元件老化或损伤后测量数据的评估标准和界定方案，本发明将无人机飞行模态作为惯导元件测量性能的一个评估标准，这是因为无人机飞行模态在总体设计阶段就已经定型，故其飞行模态频率是不会随惯导元件的测量而改变，因此飞行频率评估标准是惯导元件性能评判的最好依据，本发明通过惯导元件的飞行频率的分析，发明了一种惯导元件老化或损伤后测量数据的评估标准和方法。

(3)本发明中的滤波将当前采样数据之前紧邻的多个采样数据计算均值,并以此取代当前采样数据作为输出量，可有效避免单次测量点噪声或测量误差过大情况，在步长选择合理情况下，即可避免数据处理失真，又可以保持测量信息的准确性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明试验数据中满足波动剧烈的滚转角测量数据段；

图3为本发明满足波动剧烈的滚转角FFT转换频率值，图3a为全频谱图，图3b为滚转通道主频谱放大图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释和说明。

无人机空中飞行试验，采用惯导元件对飞行姿态角度如俯仰角和滚转角等进行测量，但对于测量信号的准确程度需要进一步的考核，无人机机体安装了可测量姿态角度的惯导元件：垂直陀螺可测量无人机俯仰角θ和滚转角γ。其测量的时域姿态角值并不是全程都可用，为激发出无人机的飞行模态，需要考察在有风干扰或飞行方式转变的情况下，无人机姿态有较大抖动响应，对这种信号可以进行处理。

采用的频域理论分析工具为快速傅里叶变化FFT,可将垂直陀螺测量的时域姿态角值转换为频域值。无人机的飞行模态主要分析带控无人机系统的纵向长周期模态和横向滚转模态。

本发明的原理：

本发明的特点是依据惯性元件测量的无人机姿态信号，将其中变化较为剧烈，能反映飞行模态的信号提取出来，采用频域数据处理的方法，提取出其频率性能参数，同时从理论分析考察带控无人机的飞行模态参数，将两种参数进行比较，相差不大的说明惯导元件测量较为准确，否则惯导元件出现问题。本发明可解决惯导元件频率性能测量的问题，同时能检测惯导元件的测量性能状态。

如图1所示，一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，包括步骤如下：

(1)获取无人机惯导元件的实际测量频率；

具体的实现方式如下：

(1a)通过无人机上安装的垂直陀螺获取无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ(以一定的采样频率在一定时间内对无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ进行测量获取)；

(1b)对步骤(1a)中获得的俯仰角θ和滚转角γ进行数据处理；

俯仰角θ的处理方式如下：

(1b1)假设当前处理的俯仰角θ的数据点为θ(i)，则截取i到i+n这段数据进行求平均 $E\left(\mathrm{\θ}\left(i\right)\right)=\underset{i}{\overset{i+200}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\θ}\left(i\right)/N$ 和方差 $\mathrm{\σ}\left(i\right)=\sqrt{\underset{i}{\overset{i+N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\θ}\left(i\right)-E\left(\mathrm{\θ}\left(i\right)\right)/(N-i)},$ 以此均值作为当前数据i的平均值，其中i、n均为正整数，1≤i≤N，N为步骤(1a)试验数据的某段数据量；

(1b2)按照(1b1)的方法，对第i+1点到第N个点进行依次处理，获得平均数列θ_ave和方差数列σ；

(1b3)设定方差数列σ的上下门限值±ζ，若存在任意数据点|σ|>|ζ|，则认为从i点到第N点的数据段为波段剧烈振荡的数据段，如图2所示，并进入步骤(1b4)，若|σ|≤|ζ|，认为该数据段波动平缓，则不再进行后续处理；

(1b4)对波段剧烈振荡的数据段进行观察，若满足一个及以上的周期振荡，则可进行频率转换，否则不再进行后续处理；

(1b5)按照步骤(1b1)-(1b4)的方式对滚转角γ的实验数据进行处理；

(1c)对满足步骤(1b4)的俯仰角θ数据段或(1b5)条件的滚转角γ数据段进行快速FFT变换，得到俯仰角θ或滚转角γ的飞行频率值，如图3所示；

(2)获取无人机惯导元件的理论测量频率；

(2a)建立无人机六自由度运动学方程；

(2b)在特定的高度和速度下对无人机的六自由度运动学方程进行处理，获得无人机线性化运动学方程；

(2c)根据步骤(2b)中的线性化运动学方程，通过根轨迹方法实现无人机PID控制器设计；

(2d)步骤(2b)中的线性化运动学方程与步骤(2c)中的PID控制器，合并为姿态角跟随指令的闭环传递函数，从而得到无人机俯仰角和滚转角的理论测量频率，将俯仰角和滚转角的理论测量频率作为惯导元件的理论测量频率；

(3)将步骤(1)得到的无人机惯导元件的实际测量频率与步骤(2)得到的无人机惯导元件的理论测量频率，进行比较，若两个频率的差值的绝对值小于等于一定阈值，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。

只要存在任意一段波动剧烈的俯仰角θ或滚转角γ数据经过数据处理满足步骤(3)的条件，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。

无人机在试样和初样阶段，总体设计会对无人机进行性能分析和PID控制器设计，并会在无人机飞行试验前进行地面半实物仿真。带控无人机模型在空中进行飞行试验前就已经定型，因此无人机飞行模态是不会随着飞行试验的变化而改变的，这种模态可通过理论分析的方法计算出来，以此作为评定惯导元件的基础。

无人机飞行试验中，可实时记录以上飞行参数，并以文本文件的格式保持下来，当飞行试验结束后，可从计算机里方便调用试验数据进行分析。本发明需要安装包含有快速傅里叶变换的MATLAB程序，能方便对飞行数据数据处理。

下面以一个具体实施例对本发明的具体工作原理和工作过程做进一步解释和说明；

假设本发明的无人机飞行试验数据可在地面数据处理时读取出来，当满足无人机转弯后平飞，含有较大扰动的测量值有21条，选取其中第一条滚转曲线如图2所示，应用本发明步骤(1b)中记载的处理方法计算出此滚转角度均值为-0.68度，方差为0.063度，属于较大波动范围，满足对无人机滚转频率的研究要求，其中N取200。

采用快速傅里叶转换方法，可将滚转角曲线对应的频谱计算处理，如图3所示，可见此含控制器的滚转角振荡主频为0.0167Hz。

表1显示了图2所示的滚转曲线对应的飞行条件，可据此对无人机进行滚转通道的控制器设计。

表1 第1数据段对应的飞行条件

本实施例中的PID控制器结构的滚转角和滚转角速率的反馈为K_{r_δx}和K_{ωx_δx}，I_{ωx_δx}为滚转角的积分环节，γ_c为控制信号。其控制律可以写为：

$\mathrm{\δx}=K_{\mathrm{\ωx}\_\mathrm{\δx}}\·{\mathrm{\ω}}_x+(K_{\mathrm{\γ}\_\mathrm{\δx}}+I_{\mathrm{\γ}\_\mathrm{\δx}}\·\frac{1}{s})\·(\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_c)$

在设计滚转PID控制回路中，滚转角速率起阻尼作用，滚转PID控制回路的内回路为反馈回路。所以在设计时首先应设计滚转角速率回路，随着反馈增益K_{ωx_δx}的增大，滚转模态的根在向左移动。因此为了避免使副翼达到饱和。反馈增益的取值不宜取的太大。K_{ωx_δx}取0.1，此时的自然频率为0.123r/s，阻尼比为0.0864。

在固定滚转角速率的反馈增益之后，再设计滚转角的反馈增益。在验证对滚转角的阶跃响应时，由于要满足一定快速性，所以选取反馈增益的数值较大，取K_{r_δx}＝0.8，此时的自然频率为0.114r/s，阻尼比为0.119。

这样含闭环回路的滚转角振荡频率为：

ω_n＝0.114/2π＝0.018(Hz)

0.018Hz是无人机设计频率，与惯导元件测量状态无关，任何情况下无人机闭环振荡时都会以这个频率实现，而这与无人机飞行试验获取的滚转角姿态数据的FFT变换频率数据0.0167Hz基本一致，说明垂直陀螺测量正常。

此算例以滚转角为基础进行了发明方法分析，对俯仰角以及各通道角速率曲线，也可基于此发明进行分析，对惯导元件的测量性能状况有了可靠的分析手段。

本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，其特征在于步骤如下：

(1)获取无人机惯导元件的实际测量频率；

具体的实现方式如下：

(1a)通过无人机上安装的垂直陀螺获取无人机飞行试验中的俯仰角θ和滚转角γ；

(1b)对步骤(1a)中获得的俯仰角θ和滚转角γ进行数据处理；

俯仰角θ的处理方式如下：

(1b1)假设当前处理的俯仰角θ的数据点为θ(i)，则截取i到i+n这段数据进行求平均 $E\left(\mathrm{\θ}\left(i\right)\right)=\underset{i}{\overset{i+200}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\θ}\left(i\right)/N$ 和方差 $\mathrm{\σ}\left(i\right)=\sqrt{\underset{i}{\overset{i+N}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\θ}\left(i\right)-E\left(\mathrm{\θ}\left(i\right)\right)/(N-1)},$ 以此均值作为当前数据i的平均值，其中i、n均为正整数，1≤i≤N，N为步骤(1a)试验数据的某段数据量；

(1b2)按照(1b1)的方法，对第i+1点到第N个点进行依次处理，获得平均数列θ_ave和方差数列σ；

(1b3)设定方差数列σ的上下门限值±ζ，若存在任意数据点|σ|＞|ζ|，则认为从i点到第N点的数据段为波段剧烈振荡的数据段，并进入步骤(1b4)，若|σ|≤|ζ|，认为该数据段波动平缓，则不再进行后续处理；

(1b4)对波段剧烈振荡的数据段进行观察，若满足一个及以上的周期振荡，则可进行频率转换，否则不再进行后续处理；

(1b5)按照步骤(1b1)-(1b4)的方式对滚转角γ的实验数据进行处理；

(1c)对满足步骤(1b4)的俯仰角θ数据段或(1b5)条件的滚转角γ数据段进行快速FFT变换，得到俯仰角θ或滚转角γ的飞行频率值；

(2)获取无人机惯导元件的理论测量频率；

(2a)建立无人机六自由度运动学方程；

(2b)在特定的高度和速度下对无人机的六自由度运动学方程进行处理，获得无人机线性化运动学方程；

(2c)根据步骤(2b)中的线性化运动学方程，通过根轨迹方法实现无人机PID控制器设计；

(2d)步骤(2b)中的线性化运动学方程与步骤(2c)中的PID控制器，合并为姿态角跟随指令的闭环传递函数，从而得到无人机俯仰角和滚转角的理论测量频率，将俯仰角和滚转角的理论测量频率作为惯导元件的理论测量频率；

(3)将步骤(1)得到的无人机惯导元件的实际测量频率与步骤(2)得到的无人机惯导元件的理论测量频率，进行比较，若两个频率的差值的绝对值小于等于一定阈值，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞行试验和理论计算判断惯导元件性能的方法，其特征在于：所述步骤(1b)中只要存在任意一段波动剧烈的俯仰角θ或滚转角γ数据经过数据处理满足步骤(3)的条件，则认为惯导元件能够满足无人机飞行频率测量要求，否则认为惯导元件测量性能不满足要求。