CN110726851A - 一种利用旋翼无人机测算风速的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用旋翼无人机测算风速的方法，包括：获取无人机主体的坐标信息和旋翼飞行的倾角数据；利用获取的坐标信息和飞行角度计算出无人机整体的飞行倾角；建立无人机飞行数据模型，用于观测不同负载、不同型号和不同风向下无人机飞行倾角与飞行速度的关系；根据实验数据建立无人机飞行倾角的风速估算模型。本发明利用无人机对风速进行检测，削弱天气情况对风速测算的影响，测速过程中使用更加灵活，且无人机能够重复使用，降低风速检测的成本，通过正确的操作过程，能够有效控制风速测算的精度，避免出现较大的误差。

Description

一种利用旋翼无人机测算风速的方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体为一种利用旋翼无人机测算风速的方法。
背景技术
随着科技发展及无人机技术的普及，无人机应用的行业越发广泛，包括公安侦查、森林资源调查、森林火灾扑救、电力巡检、抢险救灾、广告宣传等方面。空中风向风速的探测对掌握大气层运动状态具有重要意义，在特定场景下，如森林火灾扑救指挥现场、抗险救灾指挥现场等，风速风向信息的获取，直接影响扑救指挥作战方案；实时掌握风场信息，也是预测天气变化的重要数据支撑，尤其在山谷海拔落差大的小气候环境，掌握风场信息显得风更迫切，然而目前大部分民用无人机都不具备测量风场参数的功能。
目前测量高空风速的主要方法包括，风廓线雷达测风、气球法测风和卫星根据云图上云的运动推算出风向和风速；风廓线雷达探测某一特定区域的风场情况虽精度高，但受天气情况影响很大；目前测量小范围风向风速精度最高的方法为气球法测风，但其成本相对昂贵且测量范围小；卫星根据云图上云的运动推算出风向和风速，因云的水平分布和铅直分布都不均匀，所以其测量精度得不到保障。为此，需要设计一种新的技术方案给予解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用旋翼无人机测算风速的方法，利用无人机对风速进行检测，削弱天气情况对风速测算的影响，测速过程中使用更加灵活，且无人机能够重复使用，降低风速检测的成本，通过正确的操作过程，能够有效控制风速测算的精度，避免出现较大的误差。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用旋翼无人机测算风速的方法，包括：
获取无人机主体的坐标信息和旋翼飞行的倾角数据；
利用获取的坐标信息和飞行角度计算出无人机整体的飞行倾角；
建立无人机飞行数据模型，用于观测不同负载、不同型号和不同风向下无人机飞行倾角与飞行速度的关系；
根据实验数据建立无人机飞行倾角的风速估算模型。
作为上述技术方案的改进，所述无人机主体的内部装备有RTK定位系统，用以实时监测无人机主体的坐标信息，并控制精度在厘米级。
作为上述技术方案的改进，所述无人机旋翼上安装相对于无人机主体方位角测量装备，可以测量出螺旋桨方位角及倾角。
作为上述技术方案的改进，所述利用获取的坐标信息和飞行角度计算出无人机整体的飞行倾角，包括：建立旋翼端部螺旋桨的坐标方程，以获取各个螺旋桨相对于无人机主体的坐标信息；根据螺旋桨的坐标和无人机主体的坐标计算出无人机主体的倾角。
作为上述技术方案的改进，进一步改进地，所述旋翼端部螺旋桨的坐标方程为：
xi＝x+s×cosθi
yi＝y+s×sinθi
zi＝z+s×sinαi
其中x,y,z为飞行器主体的坐标，利用RTK定位系统自动获取，xi,yi,zi为各个螺旋桨坐标，s为螺旋桨与主机RTK的距离，θi为方位角，αi为倾角。
作为上述技术方案的改进，所述飞行速度具体为：以飞行无人机作为静止参考系，无人机承受的风速，无人机逆风飞行状态为V＝ν机+ν风，无人机顺风飞行状态为V＝ν机-ν风，V模拟无人机匀速飞行状态情境下，以飞行无人机作为静止参考系，无人机承受的风速，ν机为无人机匀速飞行速度，ν风实验过程中实际的风速。
作为上述技术方案的改进，所述不同负载具体操作为是否在无人机体下方挂载云台，所述云台的重量为648g。
作为上述技术方案的改进，所述无人机包括两种型号，分别为：电机轴距955mm±10mm、最大翼展1412±20mm、标准起飞重量10±0.2Kg的KWT-X6M无人机；电机轴距1600±10mm、最大翼展2323±20mm、标准起飞重量11.5±0.2Kg的KWT-X6L无人机。
作为上述技术方案的改进，所述无人机飞行倾角的风速估算模型以KWT-X6M型号无人机为基础，估算模型为：
y＝-1.0435+1.1501*x
其中y为风速，单位为m/s，x为六旋翼无人机倾角，单位为度，该公式的相关系数为R＝0.9968。
一种旋翼无人机，包括无人机主体、旋翼、螺旋桨、支架、RTK定位模块、方位角测量模块和飞行控制器，所述无人机主体的底部固定连接有支架，所述无人机主体的边缘处固定连接有六组均匀分布的旋翼，所述旋翼的端部设有螺旋桨，所述RTK定位模块固定在无人机主体内，所述方位角测量模块固定连接在旋翼的端部，所述RTK定位模块和方位角测量模块分别与飞行控制器相连接。
作为上述技术方案的改进，所述旋翼采用上翘机臂的设计，增加无人机飞行过程中的稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明利用无人机对风速进行检测，削弱天气情况对风速测算的影响，测速过程中使用更加灵活，且无人机能够重复使用，降低风速检测的成本，通过正确的操作过程，能够有效控制风速测算的精度，避免出现较大的误差。
2、本发明利用无人机飞行过程中的倾角变化，直接估算出当前风场中风速的大小，且估算精度达到90％以上，为风速的实时检测提供了低成本、高效率、高精准度的检测方法，使民用无人机能够进行风速测算。
附图说明
图1为本发明所述利用旋翼无人机测算风速的方法框架示意图；
图2为本发明所述KWT-X6系列无人机结构示意图；
图3为本发明所述KWT-X6系列无人机不同条件下飞行速度与飞机倾角的关系示意图；
图4为本发明所述风速干扰下不同载重无人机与飞机倾角响应关系示意图；
图5为本发明所述顺逆风干扰与飞机倾角相应关系示意图；
图6为本发明所述两种系列无人机在风速干扰下与飞机倾角的响应关系示意图；
图7为本发明所述无人机飞行不同高度在风速干扰下与飞机倾角的响应关系示意图；
图8为本发明所述无人机倾角测算风速模型精度分析表示意图。
图中：无人机主体-1，旋翼-2，螺旋桨-3，支架-4，RTK定位模块-5，方位角测量模块-6，飞行控制器-7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种利用旋翼无人机测算风速的方法，包括：
获取无人机主体的坐标信息和旋翼飞行的倾角数据；
利用获取的坐标信息和飞行角度计算出无人机整体的飞行倾角；
建立无人机飞行数据模型，用于观测不同负载、不同型号和不同风向下无人机飞行倾角与飞行速度的关系；
根据实验数据建立无人机飞行倾角的风速估算模型。
进一步改进地，所述无人机主体的内部装备有RTK定位系统，用以实时监测无人机主体的坐标信息，并控制精度在厘米级，利用RTK定位系统能够对无人机主体的位置进行实时定位，配合飞行控制器，对数据进行传输和记录。
进一步改进地，所述无人机旋翼上安装相对于无人机主体方位角测量装备，可以测量出螺旋桨方位角及倾角，在旋翼的端部安装有方位角测量装备，便于各个旋翼飞行时的角度进行监测，从而确定无人机整体的飞行倾角。
进一步改进地，所述利用获取的坐标信息和飞行角度计算出无人机整体的飞行倾角，包括：建立旋翼端部螺旋桨的坐标方程，以获取各个螺旋桨相对于无人机主体的坐标信息；根据螺旋桨的坐标和无人机主体的坐标计算出无人机主体的倾角。
进一步改进地，所述旋翼端部螺旋桨的坐标方程为：
xi＝x+s×cosθi
yi＝y+s×sinθi
zi＝z+s×sinαi
其中x,y,z为飞行器主体的坐标，利用RTK定位系统自动获取，xi,yi,zi为各个螺旋桨坐标，s为螺旋桨与主机RTK的距离，θi为方位角，αi为倾角。
进一步改进地，所述飞行速度具体为：以飞行无人机作为静止参考系，无人机承受的风速，无人机逆风飞行状态为V＝ν机+ν风，无人机顺风飞行状态为V＝ν机-ν风，V模拟无人机匀速飞行状态情境下，以飞行无人机作为静止参考系，无人机承受的风速，ν机为无人机匀速飞行速度，ν风实验过程中实际的风速，利用牛顿定律的相对运动定律，有效的解决了无人机在受到风场干扰时的影响，更加方便对飞行速度与倾斜角度进行探究。
进一步改进地，所述不同负载具体操作为是否在无人机体下方挂载云台，所述云台的重量为648g，通过挂载或不挂在云台，能够探究出不同重量对风速测量的影响。
进一步改进地，所述无人机包括两种型号，分别为：电机轴距955mm±10mm、最大翼展1412±20mm、标准起飞重量10±0.2Kg的KWT-X6M无人机；电机轴距1600±10mm、最大翼展2323±20mm、标准起飞重量11.5±0.2Kg的KWT-X6L无人机。
进一步改进地，所述无人机飞行倾角的风速估算模型以KWT-X6M型号无人机为基础，估算模型为：
y＝-1.0435+1.1501*x
其中y为风速，单位为m/s，x为六旋翼无人机倾角，单位为度，该公式的相关系数为R＝0.9968。
一种旋翼无人机，包括无人机主体1、旋翼2、螺旋桨3、支架4、RTK定位模块5、方位角测量模块6和飞行控制器7，所述无人机主体1的底部固定连接有支架4，所述无人机主体1的边缘处固定连接有六组均匀分布的旋翼2，所述旋翼2的端部设有螺旋桨3，所述RTK定位模块5固定在无人机主体1内，所述方位角测量模块6固定连接在旋翼2的端部，所述RTK定位模块5和方位角测量模块6分别与飞行控制器7相连接，飞行控制器对无人机的各项数据进行收集，并通过无线传输的方式传回地面站，方便实时对无人机的飞行状态进行监控。
进一步改进地，所述旋翼2采用上翘机臂的设计，增加无人机飞行过程中的稳定性，通过使用上翘机臂的结构设计，使无人机在风场中飞行更加平稳，方便对风速的大小进行估算，从而降低噪点对估算值的影响。
本发明在进行操作时，先进行实验分组，如下：(1)KWT-X6M无人机50米高度飞行时速度和机身倾角对应关系(对照测试组:空机飞行、挂载648g云台飞行)；(2)KWT-X6L无人机50米高度飞行时速度和机身倾角对应关系(对照测试组:空机飞行、挂载648g云台飞行)；(3)KWT-X6L无人机挂标准载荷(648g云台)飞行时机身倾角和速度的对应关系(对照测试组：50米高度飞行、100米高度飞行)。设定好实验方法后，用地面站航点飞行方式控制无人机在不同高度，设置不同载荷时以1m/s，2m/s，3m/s，4m/s，5m/s，6m/s，7m/s，8m/s，9m/s，10m/s，11m/s，12m/s，13m/s，14m/s，15m/s的飞行速度分别完成顺风、逆风往返飞行(速度稳定后保持20秒执行下一个飞行计划)，如无风状态下同样速度正南正北各飞一次后取平均值以降低环境风对测试结果的影响。
根据实验数据可得KWT-X6系列无人机匀速飞行速度与无人机的飞机倾角呈正相关关系，无风状态的飞行速度与飞机倾角呈线性关系，逆风飞行的无人机倾角大于无风和顺风无人机飞行倾角，说明风速直接影响无人机的倾角；无人机负载加重时，对应受风速干扰的倾角会相对减小；顺逆风干扰对飞机姿态倾角对应同等受力情况数据相同；无人机外形上体积与自重偏大的无人机，受风速干扰下飞机倾角幅度，小于外形上体积与自重偏小型号的无人机；无人机飞行在高海拔受阵风干扰出现噪点的概率相对低海拔大一点。
最后将KWT-X6M型号无人机在空载无风高50米的条件下进行测试飞行，通过无人机飞行角度与风速之间关系，结合牛顿定律相对运动定律等相关理论，多次飞行取平均值，保证了数据精度的条件下，建立KWT-X6M型号六旋翼无人机飞行倾角的风速估算模型：y＝-1.0435+1.1501*x，通过检测无人机飞行时的倾角，直接估算出当前风速的大小，使民用无人机能够实现风速的测算，同时提高操作的方便性，降低风速测算的成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于，包括：
获取无人机主体的坐标信息和旋翼飞行的倾角数据；
利用获取的坐标信息和飞行角度计算出无人机整体的飞行倾角；
建立无人机飞行数据模型，用于观测不同负载、不同型号和不同风向下无人机飞行倾角与飞行速度的关系；
根据实验数据建立无人机飞行倾角的风速估算模型。
2.根据权利要求1所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：所述无人机主体的内部装备有RTK定位系统，用以实时监测无人机主体的坐标信息，并控制精度在厘米级。
3.根据权利要求1所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：所述无人机旋翼上安装相对于无人机主体方位角测量装备，可以测量出螺旋桨方位角及倾角。
4.根据权利要求1所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：所述利用获取的坐标信息和飞行角度计算出无人机整体的飞行倾角，包括：建立旋翼端部螺旋桨的坐标方程，以获取各个螺旋桨相对于无人机主体的坐标信息；根据螺旋桨的坐标和无人机主体的坐标计算出无人机主体的倾角。
5.根据权利要求4所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：进一步改进地，所述旋翼端部螺旋桨的坐标方程为：
xi＝x+s×cosθi
yi＝y+s×sinθi
zi＝z+s×sinαi
其中x,y,z为飞行器主体的坐标，利用RTK定位系统自动获取，xi,yi,zi为各个螺旋桨坐标，s为螺旋桨与主机RTK的距离，θi为方位角，αi为倾角。
6.根据权利要求1所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：所述飞行速度具体为：以飞行无人机作为静止参考系，无人机承受的风速，无人机逆风飞行状态为V＝ν机+ν风，无人机顺风飞行状态为V＝ν机-ν风，V模拟无人机匀速飞行状态情境下，以飞行无人机作为静止参考系，无人机承受的风速，ν机为无人机匀速飞行速度，ν风实验过程中实际的风速。
7.根据权利要求1所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：所述不同负载具体操作为是否在无人机体下方挂载云台，所述云台的重量为648g。
8.根据权利要求1所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：所述无人机包括两种型号，分别为：电机轴距955mm±10mm、最大翼展1412±20mm、标准起飞重量10±0.2Kg的KWT-X6M无人机；电机轴距1600±10mm、最大翼展2323±20mm、标准起飞重量11.5±0.2Kg的KWT-X6L无人机。
9.根据权利要求1所述的一种利用旋翼无人机测算风速的方法，其特征在于：所述无人机飞行倾角的风速估算模型以KWT-X6M型号无人机为基础，估算模型为：
y＝-1.0435+1.1501*x
其中y为风速，单位为m/s，x为六旋翼无人机倾角，单位为度，该公式的相关系数为R＝0.9968。
10.根据权利要求1-9所述的一种旋翼无人机，包括无人机主体(1)、旋翼(2)、螺旋桨(3)、支架(4)、RTK定位模块(5)、方位角测量模块(6)和飞行控制器(7)，其特征在于：所述无人机主体(1)的底部固定连接有支架(4)，所述无人机主体(1)的边缘处固定连接有六组均匀分布的旋翼(2)，所述旋翼(2)的端部设有螺旋桨(3)，所述RTK定位模块(5)固定在无人机主体(1)内，所述方位角测量模块(6)固定连接在旋翼(2)的端部，所述RTK定位模块(5)和方位角测量模块(6)分别与飞行控制器(7)相连接。
11.根据权利要求10所述的一种旋翼无人机，其特征在于：所述旋翼(2)采用上翘机臂的设计，增加无人机飞行过程中的稳定性。
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