CN111222082A - 适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法 - Google Patents

适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111222082A
CN111222082A CN202010039860.1A CN202010039860A CN111222082A CN 111222082 A CN111222082 A CN 111222082A CN 202010039860 A CN202010039860 A CN 202010039860A CN 111222082 A CN111222082 A CN 111222082A
Authority
CN
China
Prior art keywords
queue
unmanned aerial
aerial vehicle
updraft
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010039860.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111222082B (zh
Inventor
史志伟
陈杰
耿玺
朱佳晨
周梦贝
兰子奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202010039860.1A priority Critical patent/CN111222082B/zh
Publication of CN111222082A publication Critical patent/CN111222082A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111222082B publication Critical patent/CN111222082B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明公开了一种适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，包括以下步骤：根据无人飞行器和地面的经纬度计算出笛卡尔坐标系下无人飞行器的位置，根据无人飞行器飞行的真空速、迎角和侧滑角计算出真空速在机体坐标系下的三维分量；根据无人飞行器的位置、迎角和真空速的分量构建一个先入先出的队列q1，对队列q1的第三和第四行进行负处理得到队列qs；根据qs计算出两个坐标点，通过两个坐标点得出上升气流的漂移速度；根据漂移速度得到漂移校正队列q2；根据漂移校正队列q2计算得到上升气流中心的位置，根据队列q1里最大的真空速分量得到上升气流的垂向速度。

Description

适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法
技术领域
本发明涉及上升气流位置和速度的辨识方法，具体涉及一种适用于无人飞行器的上升气 流位置和速度的辨识方法。
背景技术
在自然界中，如鹰、军舰鸟等鸟类可以在不扑动或极少扑动翅膀的情况下实现长距 离甚至环球飞行，这是因为它们利用上升气流进行滑翔，通过爬升高度提高重力势能来存储上升气流提供的动能，然后通过重力滑翔飞向下一个存在上升气流的区域，进而实 现持久飞行。基于此原理，无人飞行器可以将上升气流通过盘旋上升转化为自身的重力 势能，在无上升气流时将重力势能转化为动能以续航。
利用上升气流的无人机，对于大范围地质勘探、大跨度地理测绘、长时间气象信息采集、山区灾后救援、山区物资运输、临时通讯信号中继以及战区战况侦察等领域有极 大优势。相比于侦察卫星，利用上升气流的无人机造价低廉，成本更低；机动性强，并 且可以持续侦察，截获、收集目标区完整情报；分辨率高，且无云层干扰，获取情报质 量高；距离信息源更近，有机会获得移动电话等设备的低功率信息情报。相比于其他无 人机，利用上升气流的无人机可以自主获取飞行环境中的上升气流能量，可以持续更长 时间的飞行任务，为侦察、勘探任务提供更完备的信息。现有方法是利用飞行器的总能 量来辨识上升气流的，但该方法在飞行器进行定高定速飞行时是不适用的，且辨识准确 度不高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨 识方法，解决上升气流位置和速度的辨识不准确的问题。
技术方案：本发明所述的适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，包括以 下步骤：
(1)根据无人飞行器和地面的经纬度计算出笛卡尔坐标系下无人飞行器的位置，根据无人飞行器飞行的真空速、迎角和侧滑角计算出真空速在机体坐标系下的三维分量；
(2)根据无人飞行器的位置、迎角和真空速的分量构建一个先入先出的队列q1，对队列q1的第三和第四行进行去负值处理得到队列qs；
(3)根据qs计算出两个坐标点，通过两个坐标点得出上升气流的漂移速度；
(4)根据漂移速度得到漂移校正队列q2；
(5)根据漂移校正队列q2计算得到上升气流中心的位置，根据队列q1里最大的真空速分量得到上升气流的垂向速度。
所述步骤(1)中利用经纬度计算的公式为：PX＝(Lat-Lat0)a， PY＝(Lon-Lon0)acos(Lat0)，真空速在机体坐标系中的三维分量
Figure RE-GDA0002436138250000021
Figure RE-GDA0002436138250000022
其中，a为地球赤道半径，Lat、Lon为飞行器当前所处位 置的经纬度，Lat0、Lon0为选取的原点的经纬度，v为真空速、α为迎角，β为侧滑角， PX、PY为根据经纬度计算出的笛卡尔坐标系下飞行器的位置。
所述步骤(2)中构建队列
Figure RE-GDA0002436138250000023
其中，队列的采样时间步长dtq为1s，队列的长度Mq为45个采样数；构建队列qs，其中qs(iq,3)＝q1(iq,3)- min(q1(:,3))，qs(iq,4)＝q1(iq,4)-min(q1(:,4))，qs是对q1第三、四列进行去负值处理 得到的队列，q1为记录飞行器位置、迎角和真空速在机体坐标系下z轴分量的队列，q2为 记录漂移修正后的飞行器位置、迎角和真空速在机体坐标系下z轴分量的队列，k为当 前测量值索引，iq为队列索引。
所述步骤(3)中，利用qs的前MD行来计算得到
Figure BDA0002367348560000026
利用qs的后MD行来计算得到
Figure BDA0002367348560000027
上升气流的漂移速度
Figure BDA0002367348560000028
Figure BDA0002367348560000029
其中，Pth为估算的上升气流中心位置，
Figure BDA00023673485600000210
为利用队列qs的前20行数据 计算出的上升气流中心位置，
Figure BDA00023673485600000211
为利用队列qs的后20行数据计算出的上升气流中心 位置，Mq为队列中的行数，MD为队列中用来计算漂移速度的行数。
所述步骤(4)得到的漂移校正队列q2，具体如下：
q2(iq，1)＝(iq-1)VD(1)*dtq+qs(iq，1)
q2(iq，2)＝(iq-1)VD(2)*dtq+qs(iq，2)
q2(iq，3)＝qs(iq，3)，q2(iq，4)＝qs(iq，4)，
其中，dtq为队列中数据的采样时间步长，VD为根据qs计算出的上升气流漂移速度。
所述步骤(5)上升气流中心的估计位置
Figure BDA0002367348560000031
上升气流垂直方向速度wth由q1中 的vz来近似得到，wth＝max(q1(:，4))。
有益效果：本发明可用于无人机在飞行过程中实时辨识上升气流，并根据估计出的 上升气流位置和速度，控制无人机的飞行姿态和飞行轨迹，使无人机能够利用上升气流提高续航能力，上升气流位置和速度的辨识准确度高。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，用于无人飞行器的上升气流辨识方法，包括以下步骤。
获得无人飞行器在笛卡尔坐标系下的位置P，利用经纬度来计算：PX＝(Lat- Lat0)a，PY＝(Lon-Lon0)acos(Lat0)，其中：a为地球赤道半径，Lat、Lon为飞行器的 经纬度，Lat0、Lon0为选取的原点的经纬度，可以选取飞行器地面站作为原点。
获得无人飞行器飞行的真空速v、迎角α和侧滑角β，计算出真空速在机体坐标 系中的三维分量
Figure BDA0002367348560000033
使用一个先入先出的队列来记录飞行器的位置P、迎角α和vz，其为：
Figure BDA0002367348560000034
其中：队列的采样时间步长dtq为1s，队列的长度Mq为45个采样数。
热上升气流移动或漂移的估计对于获得良好的热上升气流位置和半径的估计是很 重要的。热上升气流的漂移主要是由风引起的。热上升气流的漂移可以通过比较队列前MD个与后MD个飞行器的位置来估计。
构建队列qs：其中qs(iq,[1,2])＝q1(iq,[1,2])， qs(iq,3)＝q1(iq,3)-min(q1(:,3))，qs(iq,4)＝q1(iq,4)-min(q1(:,4))。
利用qs的前MD行来计算得到
Figure BDA0002367348560000042
利用qs的后MD行来计算得到
Figure BDA0002367348560000043
上升气流的漂移速度
Figure BDA0002367348560000044
利用估计的漂移速度，得到一个漂移校正队列q2。其中：q2(iq,1)＝(iq-1)VD(1)*dtq+qs(iq,1)，q2(iq,2)＝(iq-1)VD(2)*dtq+qs(iq,2)， q2(iq,3)＝qs(iq,3)，q2(iq,4)＝qs(iq,4)。
根据修正后的队列q2来计算出热上升气流中心的估计位置 Pth。
Figure BDA0002367348560000045
上升气流垂直方向速度wth由q1中的vz来近似得到。wth＝max(q1(:,4))， 其中，Lat0、Lon0：选取的原点(比如地面站所处位置)的经度和纬度，单位rad； Lat、Lon：飞行器当前所处位置的经度和纬度，单位rad；v：真空速，单位m/s； α：迎角，单位°；β：侧滑角，单位°；vx、vy、vz：真空速在机体坐标系下的三维分量， 单位m/s；a：地球赤道半径，单位m；
PX、PY：根据经纬度计算出的笛卡尔坐标系下飞行器的位置，单位m；
qs：对q1第三、四列进行去负值处理得到的队列；
q1：记录飞行器位置、迎角和真空速在机体坐标系下z轴分量的队列；
q2：记录漂移修正后的飞行器位置、迎角和真空速在机体坐标系下z轴分量的队列；
dtq为队列中数据的采样时间步长，单位s；iq：队列索引；k：当前测量值索引；
VD：根据qs计算出的上升气流漂移速度，单位m/s；Pth：估算的上升气流中心位置，单 位m；
Figure BDA0002367348560000051
利用队列qs的前20行数据计算出的上升气流中心位置，单位m；
Figure BDA0002367348560000052
利 用队列qs的后20行数据计算出的上升气流中心位置，单位m；wth：估算的上升气流垂 直方向速度，单位m/s；Mq：队列中的行数；MD：队列中用来计算漂移速度的行数。

Claims (6)

1.一种适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据无人飞行器和地面的经纬度计算出笛卡尔坐标系下无人飞行器的位置，根据无人飞行器飞行的真空速、迎角和侧滑角计算出真空速在机体坐标系下的三维分量；
(2)根据无人飞行器的位置、迎角和真空速的分量构建一个先入先出的队列q1，对队列q1的第三和第四行进行去负值处理得到队列qs；
(3)根据qs计算出两个坐标点，通过两个坐标点得出上升气流的漂移速度；
(4)根据漂移速度得到漂移校正队列q2；
(5)根据漂移校正队列q2计算得到上升气流中心的位置，根据队列q1里最大的真空速分量得到上升气流的垂向速度。
2.根据权利要求1所述的适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，其特征在于，所述步骤(1)中利用经纬度计算的公式为：PX＝(Lat-Lat0)a，
Figure FDA0002367348550000011
真空速在机体坐标系中的三维分量
Figure FDA0002367348550000012
Figure FDA0002367348550000013
其中，a为地球赤道半径，Lat、Lon为飞行器当前所处位置的经纬度，Lat0、Lon0为选取的原点的经纬度，v为真空速、α为迎角，β为侧滑角，PX、PY为根据经纬度计算出的笛卡尔坐标系下飞行器的位置。
3.根据权利要求1所述的适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)中构建队列
Figure FDA0002367348550000014
其中，队列的采样时间步长dtq为1s，队列的长度Mq为45个采样数；构建队列qs，其中qs(iq,3)＝q1(iq,3)-min(q1(:,3))，
Figure FDA0002367348550000015
qs是对q1第三、四列进行去负值处理得到的队列，q1为记录飞行器位置、迎角和真空速在机体坐标系下z轴分量的队列，q2为记录漂移修正后的飞行器位置、迎角和真空速在机体坐标系下z轴分量的队列，k为当前测量值索引，iq为队列索引。
4.根据权利要求1所述的适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，其特征在于，所述步骤(3)中，利用qs的前MD行来计算得到
Figure FDA0002367348550000021
利用qs的后MD行来计算得到
Figure FDA0002367348550000022
上升气流的漂移速度
Figure FDA0002367348550000023
Figure FDA0002367348550000024
其中，Pth为估算的上升气流中心位置，
Figure FDA0002367348550000025
为利用队列qs的前20行数据计算出的上升气流中心位置，
Figure FDA0002367348550000026
为利用队列qs的后20行数据计算出的上升气流中心位置，Mq为队列中的行数，MD为队列中用来计算漂移速度的行数。
5.根据权利要求1所述的适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，其特征在于，所述步骤(4)得到的漂移校正队列q2，具体如下：
q2(iq,1)＝(iq-1)VD(1)*dtq+qs(iq,1)
q2(iq,2)＝(iq-1)VD(2)*dtq+qs(iq,2)
q2(iq,3)＝qs(iq,3)，q2(iq,4)＝qs(iq,4)，
其中，dtq为队列中数据的采样时间步长，VD为根据qs计算出的上升气流漂移速度。
6.根据权利要求1所述的适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法，其特征在于，所述步骤(5)上升气流中心的估计位置Pth，
Figure FDA0002367348550000027
上升气流垂直方向速度wth由q1中的vz来近似得到，wth＝max(q1(:,4))。
CN202010039860.1A 2020-01-15 2020-01-15 适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法 Active CN111222082B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010039860.1A CN111222082B (zh) 2020-01-15 2020-01-15 适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010039860.1A CN111222082B (zh) 2020-01-15 2020-01-15 适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111222082A true CN111222082A (zh) 2020-06-02
CN111222082B CN111222082B (zh) 2022-01-04

Family

ID=70832316

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010039860.1A Active CN111222082B (zh) 2020-01-15 2020-01-15 适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111222082B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112650261A (zh) * 2020-11-30 2021-04-13 北京机电工程研究所 一种飞行器的滑翔控制方法及装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150203215A1 (en) * 2014-01-17 2015-07-23 Eric T. Falangas Early performance evaluation of conceptual flight and space vehicles
US20160238481A1 (en) * 2013-11-27 2016-08-18 U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Aerodynamic Modeling Using Flight Data
CN106096091A (zh) * 2016-05-31 2016-11-09 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 一种飞机运动模拟方法
CN106568386A (zh) * 2016-10-25 2017-04-19 南京航空航天大学 一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法
CN108152529A (zh) * 2017-11-02 2018-06-12 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种基于飞行参数计算风速及风向的方法
CN108195558A (zh) * 2017-12-06 2018-06-22 太原航空仪表有限公司 一种用于人工影响天气飞机的上升气流测量方法
CN110309579A (zh) * 2019-06-27 2019-10-08 复旦大学 一种针对弹性飞机阵风响应的仿真分析方法和系统
CN110414110A (zh) * 2019-07-19 2019-11-05 中仿智能科技（上海）股份有限公司 一种用于飞行失速状态下的飞机受力仿真方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160238481A1 (en) * 2013-11-27 2016-08-18 U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Aerodynamic Modeling Using Flight Data
US20150203215A1 (en) * 2014-01-17 2015-07-23 Eric T. Falangas Early performance evaluation of conceptual flight and space vehicles
CN106096091A (zh) * 2016-05-31 2016-11-09 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 一种飞机运动模拟方法
CN106568386A (zh) * 2016-10-25 2017-04-19 南京航空航天大学 一种基于持续烟线的空间流场自动化测量装置及测量方法
CN108152529A (zh) * 2017-11-02 2018-06-12 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种基于飞行参数计算风速及风向的方法
CN108195558A (zh) * 2017-12-06 2018-06-22 太原航空仪表有限公司 一种用于人工影响天气飞机的上升气流测量方法
CN110309579A (zh) * 2019-06-27 2019-10-08 复旦大学 一种针对弹性飞机阵风响应的仿真分析方法和系统
CN110414110A (zh) * 2019-07-19 2019-11-05 中仿智能科技（上海）股份有限公司 一种用于飞行失速状态下的飞机受力仿真方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
包一鸣 等: ""适宜于间歇滑翔飞行的气流环境建模研究"", 《飞行力学》 *
杜海 等: ""Vortex dynamics over an airfoil controlled by a nanosecond pulse discharge plasma actuator at low wind speed"", 《PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112650261A (zh) * 2020-11-30 2021-04-13 北京机电工程研究所 一种飞行器的滑翔控制方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111222082B (zh) 2022-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10928549B2 (en) High altitude UAV for monitoring meteorological parameters
CN109597427B (zh) 一种基于无人机的炸弹随遇攻击规划方法及系统
CN103472503B (zh) 探空仪及基于ins的高空风探测方法
CN109683629B (zh) 基于组合导航和计算机视觉的无人机电力架线系统
CN106885918B (zh) 一种面向多旋翼飞行器的多信息融合实时风速估计方法
CN102607639A (zh) 基于bp神经网络的大攻角飞行状态下大气数据测量方法
CN105549614A (zh) 无人机目标跟踪方法
CN109710961B (zh) 一种基于gps数据的高空无人机升限数据处理方法
CN107844128B (zh) 一种基于复合比例导引的高超声速飞行器巡航段制导方法
CN109374924A (zh) 一种基于四旋翼无人机倾斜角的横侧向风场估计方法
CN107101636B (zh) 一种使用卡尔曼滤波器辨识多旋翼动力学模型参数的方法
CN105892289A (zh) 一种基于风场精确测量的无人机伞降回收方法
Donnell et al. Wind characterization using onboard IMU of sUAS
CN102175882B (zh) 基于自然地标的无人直升机视觉测速方法
CN109725649A (zh) 一种基于气压计/imu/gps多传感器融合的旋翼无人机定高算法
JP2020173138A (ja) 風向風速計測方法及び風向風速計測システム
CN111222082B (zh) 适用于无人飞行器的上升气流位置和速度的辨识方法
CN104458202A (zh) 发射式风洞自由飞试验中拍摄记录时间获取方法
CN106290969B (zh) 一种考虑减速伞气动力影响的风速风向探测方法
US10876920B1 (en) Auxiliary aerial vehicles for flow characterization
Andersson et al. Cooperating uavs using thermal lift to extend endurance
KR102193905B1 (ko) 고정익 무인 비행기의 비행 제어 방법과 이를 이용한 기상 관측 시스템 및 이를 수행하기 위한 컴퓨팅 장치
He et al. Gaussian-based kernel for multi-agent aerial chemical-plume mapping
CN112650261B (zh) 一种飞行器的滑翔控制方法及装置
Lorenz Flight and attitude dynamics measurements of an instrumented Frisbee

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant