CN112986612B - 一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，属于风速测量领域。本发明的四旋翼无人机起飞后，在空中飞行或悬停，无人机通过机载设备将飞行参数以无线传输方式传给地面接收系统，地面接收系统利用程序将飞行参数解算，得出无人机所处的位置(高度、经纬度)；根据事先确定的飞行参数和风速的对应关系，结合飞行参数(旋翼转速、无人机倾角、无人机加速度、无人机速度、无人机质量等)得出所处位置的风速和风向。本发明既具备旋翼式无人机飞行平稳、适合慢速移动测量的特点，同时又不需搭载测风仪器，仅靠无人机在风场中获得的自身飞行参数即可进行测风作业，可以非常方便、准确地测量出风速和风向。

Description

一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法

技术领域

本发明属于风速测量领域，具体涉及一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法。

背景技术

目前的移动式测风手段，主要有探空气球探测和无人机探测。探空气球多为一次性探测，移动路径是自下而上，难以应用于低空风的探测，且探测时间较短。无人机探测，又分固定翼无人机探测和旋翼式无人机探测。其中，固定翼无人机移动速度较快，不适合对特定位置风速进行持续、反复测量。旋翼式无人机可以垂直升降，移动速度可慢可快，飞行路径比较容易控制，并且适合持续测量。而且，这种测量方法，测量高度和位置可以随时调整，相对于固定的测量方式，测量区域更加广泛，便携性较好，可以在更加复杂多变的场地使用，尤其是野外。

目前，几乎所有的旋翼式无人机测风方法，都是把无人机作为一个载具平台，依靠搭载的测风仪器或传感器实现风力和风向的测量，如搭载风压传感器正交矩阵联合求解、搭载超声波测风仪直接测量等。但此类方法，其搭载的测风仪器受无人机旋翼气流的影响很大，测量数据修正的难度较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，以解决旋翼式无人机搭载的测风仪器测量风力和风向容易受旋翼气流影响，修正难度大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，该方法包括如下步骤：

S1、四旋翼无人机起飞后，在空中飞行或悬停；

S2、无人机通过机载设备获取飞行参数并将飞行参数以无线传输方式传给地面接收系统；

S3、地面接收系统利用程序将飞行参数解算，得出无人机所处的位置，根据预先确定的飞行参数和风速的对应关系，结合飞行参数得出所处位置的风速和风向。

进一步地，所述飞行参数包括：

1)四个旋翼的转速，分别为r₁、r₂、r₃、r₄；

2)倾斜角，倾斜角相对于大地坐标系可分解为三个分量：无人机Z轴的水平面投影与大地坐标X₀的夹角α，以及无人机Z轴的水平面投影与大地坐标Y₀的夹角β，无人机Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ；

3)X、Y、Z三个方向所受的加速度，分别为a_x、a_y、a_z；

4)X、Y、Z三个方向的飞行速度，分别为V_dx、V_dy、V_dz；

5)无人机自身Y轴与机载地磁仪夹角，为Φ；

6)无人机质量m。

进一步地，所述飞行参数中的旋翼转速由外置的霍尔传感器获取。

进一步地，所述飞行参数中的无人机自身质量由电子天平获取。

进一步地，所述飞行参数中的倾斜角由无人机内置的三轴稳定系统、或者外置的倾角传感器获取。

进一步地，所述飞行参数中的自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ是无人机固定参数，由地磁仪在无人机中安装的位置和姿态决定。

进一步地，所述三个方向所受的加速度由飞行控制系统加速度计获取。

进一步地，所述三个方向的飞行速度通过导航模块获取。

进一步地，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31、根据无人机Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ，由重力G算出总升力F：

其中，g为重力加速度；

S32、将总升力F按照α、β、θ三个角度分解成三个方向，再去掉三个方向所受加速度产生的力，得到分力F_x、F_y、F_z，则有：

F_x＝F·sinθ·cosβ-m·a_x (1)

F_y＝F·sinθ·cosα-m·a_y (2)

F_Z＝F·cosθ-m·a_z (3)

S33、利用X轴的相对气流速度——分力曲线即V_x——F_x曲线，得出F_x对应的X向相对气流速度V_x，Y向相对气流速度V_y由V_y——F_y曲线根据对应的F_y得出，Z向相对气流速度V_z由V_z——F_z曲线根据对应的F_z得出；

S34、将无人机本身的移动速度V_dx、V_dy、V_dz去掉，得到无人机测得的风速V_wx、V_wy、V_wz，V_wx和V_wy为水平方向的风速，V_wz为垂直方向的风速；

V_wx＝V_x-V_dx (4)

V_wy＝V_y-V_dy (5)

V_wz＝V_z-V_dz (7)

S35、利用风速V_wx、V_wy、V_wz和自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ计算风速V_w水平和风向α_w，V_wz为垂直方向的风速；

V_wz＝V_z-V_dz (7)

进一步地，所述相对气流速度——分力曲线是指在无人机静止状态时，在气流作用下，所受气流作用力与气流速度的对应关系，该曲线通过风洞实验获得。

(三)有益效果

本发明提出一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，四旋翼无人机起飞后，在空中飞行或悬停，无人机通过机载设备将飞行参数以无线传输方式传给地面接收系统，地面接收系统利用程序将飞行参数解算，得出无人机所处的位置(高度、经纬度)；根据事先确定的飞行参数和风速的对应关系，结合飞行参数(旋翼转速、无人机倾角、无人机加速度、无人机速度、无人机质量等)得出所处位置的风速和风向。本发明既具备旋翼式无人机飞行平稳、适合慢速移动测量的特点，同时又不需搭载测风仪器，仅靠无人机在风场中获得的自身飞行参数即可进行测风作业，可以非常方便、准确地测量出风速和风向。

附图说明

图1为本发明的风速与四旋翼无人机的飞行参数的对应关系示意图；

图2为本发明的风速与四旋翼无人机的飞行参数存在对应关系；

图3为本发明的总升力、倾斜角、转速等关系示意图；

图4为本发明的重力、总升力、倾斜角、转速等关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

针对以上情况，本发明提出了一种基于四旋翼无人机本身飞行参数的测风方法，既具备旋翼式无人机飞行平稳、适合慢速移动测量的特点，同时又不需搭载测风仪器，仅靠无人机在风场中获得的自身飞行参数即可进行测风作业。因此，确定飞行参数和风速的对应关系是关键技术。

此方法无需额外搭载任何风速测量仪器设备，因为无人机本身就有风速补偿功能，将之进行一定转化，即可测得风速和风向。实际上，可将无人机本身看作是一台测风设备。

本发明利用四旋翼无人机布局特点和空气动力学原理，通过获取四旋翼无人机飞行参数，可对低空区域任意位置、高度的风力进行移动式测量，支持持续测量。

如图1所示，本发明利用四旋翼无人机布局特点，以空气动力学原理为基础，提出了一种低空移动式测量风速和风向的方法。该方法不需要在无人机上搭载测风仪器，而是确立无人机飞行姿态与相对气流的相关性，利用无人机飞行参数反向计算出风速和风向，可在低空对风速风向进行飞行中测量和悬停测量。

本发明中的四旋翼无人机，指的是具有飞行控制系统和刚性机架，在机架上对称安装四个独立电机驱动的旋翼(或螺旋桨)作为动力，能够垂直起降、不载人的飞行器。基本结构和外形特征类如图2所示。

如图1所示，当无人机飞行时，必将受到附近气流的影响，设其受到的风力也即是相对气流速度为V_w。为克服这个影响，维持预定飞行状态，无人机内置的惯性模块会敏感机身姿态，根据机身倾斜、飘移、旋转等情况，实时发出相应姿态信号，飞控模块会将定位模块和惯性模块的信号进行处理，向四个旋翼马达发出飞行稳定补偿电平，四个马达协同工作,使得无人机获得一个与即时风速相反的飞行速度即补偿飞行速度-V_w，以抵消受到的风速V_w，从而维持机身稳定飞行。而这个时刻，无人机具有应对风速V_w、维持飞行稳定而生成的一组特定飞行参数，包括电机的电压、电流、转速r，无人机的倾角θ、三轴加速度、飞行速度等。通过机载的数据采集和无线传输模块，将飞行数据获取并发送出去，地面控制系统接收到飞行稳定补偿的数据后，根据内置的计算策略和算法，反算出无人机的补偿飞行速度-V_w，此速度即对应了无人机所处位置风速和风向。

如图3所示描述了本发明的飞行参数与风速的对应关系，其中的无人机升力、倾斜角与风速的对应关系。

本发明的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法需要用到的无人机飞行参数有：

1)四个旋翼的转速，分别为r₁、r₂、r₃、r₄。

2)倾斜角。倾斜角相对于大地坐标系可分解为三个分量：无人机Z轴的水平面投影与大地坐标X₀的夹角α，以及无人机Z轴的水平面投影与大地坐标Y₀的夹角β，无人机Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ。

3)三个方向所受的加速度，分别为a_x、a_y、a_z。

4)三个方向的飞行速度，分别为V_dx、V_dy、V_dz。

5)无人机自身Y轴与机载地磁仪夹角，为Φ。

6)无人机质量m。

此外，还需要预先获取无人机在X轴、Y轴、Z轴三个分量上相对气流的作用力与反作用力数据，建立X轴、Y轴、Z轴三个分量上相对气流速度——分力曲线。

将总升力F按照α、β、θ三个角度分解成三个方向，再去掉三个方向所受加速度产生的力，得到分力F_x、F_y、F_z，则有：

F_x＝F·sinθ·cosβ-m·a_x (1)

F_y＝F·sinθ·cosα-m·a_y (2)

F_Z＝F·cosθ-m·a_z (3)

然后利用X轴的相对气流速度——分力曲线，得出F_x对应的X向相对气流速度，Y向和Z向的速度可由F_y和F_z得出：

X向相对气流速度V_x由V_x——F_x曲线根据对应的F_x得出。

Y向相对气流速度V_y由V_y——F_y曲线根据对应的F_y得出。

Z向相对气流速度V_z由V_z——F_z曲线根据对应的F_z得出。

由此，可以得到无人机在三个方向上相对于气流的速度V_x、V_y、V_z，再将无人机本身的移动速度V_dx、V_dy、V_dz去掉，就是无人机测得的风速V_wx、V_wy、V_wz。V_wx和V_wy为水平方向的风速，V_wz为垂直方向的风速。

V_wx＝V_x-V_dx (4)

V_wy＝V_y-V_dy (5)

风向α_w可由V_wx、V_wy，以及自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ进行计算。于是风速V_w水平和风向α_w为：

V_wz＝V_z-V_dz (7)

进一步地，所述的飞行参数，飞行速度、所受的加速度、方位角可由无人机自身搭载的机载设备(包括但不限于：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、导航模块、地磁仪)获取，并通过无线模块发送，地面接收设备接收后，进行处理，计算出无人机所处位置的风向和风速。

进一步地，所述的飞行参数中旋翼转速可由外置的霍尔传感器等获取。

进一步地，所述的飞行参数中无人机自身质量和重力可由电子天平获取，该值一般为定值。

进一步地，所述的飞行参数中无人机的倾斜角可由无人机内置的三轴稳定系统(包括但不限于：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪)、或者外置的倾角传感器获取。

进一步地，自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ是无人机固定参数，由地磁仪在无人机中安装的位置和姿态决定。

进一步地，三个方向所受的加速度由飞行控制系统加速度计获取。

进一步地，三个方向的飞行速度通过导航模块获取。

进一步地，获取无人机在X轴、Y轴、Z轴三个分量上相对气流的作用力与反作用力数据，建立X轴、Y轴、Z轴三个分量上相对气流速度——分力曲线，相对气流速度——分力曲线是指在无人机静止状态时，在气流作用下，所受气流作用力与气流速度的对应关系，该曲线通过风洞实验获得。

如图4所示描述了本发明的飞行参数与风速的对应关系，其中的无人机重力、倾斜角与风速的对应关系。

需要用到的无人机飞行参数有：

1)倾斜角。倾斜角相对于大地坐标系可分解为三个分量：Z轴的水平面投影与大地坐标X₀的夹角α，以及Z轴的水平面投影与大地坐标Y₀的夹角β，Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ。

2)三个方向所受的加速度，分别为a_x、a_y、a_z。

3)三个方向的飞行速度，分别为V_dx、V_dy、V_dz。

4)自身Y轴与机载地磁仪夹角，为Φ。

5)无人机质量m。

无人机重力G应与总升力F的垂直分量F_z平衡，所以根据无人机Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ，可由重力G算出总升力F：

其中，g为重力加速度。将总升力F与图3所描述的无人机升力、倾斜角与风速的对应关系的方法相结合，可以得出风速和风向。

本发明的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法包括如下步骤：

S1、四旋翼无人机起飞后，在空中飞行或悬停；

S2、无人机通过机载设备获取飞行参数并将飞行参数以无线传输方式传给地面接收系统；

S3、地面接收系统利用程序将飞行参数解算，得出无人机所处的位置(高度、经纬度)；根据预先确定的飞行参数和风速的对应关系，结合飞行参数(旋翼转速、无人机质量、无人机倾角等)得出所处位置的风速和风向。

其中，所述步骤S2中的飞行参数包括无人机的旋翼转速、倾斜角(无人机机架水平面与大地坐标系水平面或垂线的夹角)、无人机所受的加速度、无人机飞行速度(含速度和方向)、无人机自身Y轴与机载地磁仪夹角和无人机自身重力。

所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31、根据无人机Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ，由重力G算出总升力F：

其中，g为重力加速度；

S32、将总升力F按照α、β、θ三个角度分解成三个方向，再去掉三个方向所受加速度产生的力，得到分力F_x、F_y、F_z，则有：

F_x＝F·sinθ·cosβ-m·a_x (1)

F_y＝F·sinθ·cosα-m·a_y (2)

F_Z＝F·cosθ-m·a_z (3)

S33、利用X轴的相对气流速度——分力曲线，得出F_x对应的X向相对气流速度，Y向和Z向相对于气流的速度可由F_y和F_z得出：

X向相对气流速度V_x由V_x——F_x曲线根据对应的F_x得出。

Y向相对气流速度V_y由V_y——F_y曲线根据对应的F_y得出。

Z向相对气流速度V_z由V_z——F_z曲线根据对应的F_z得出。

S34、将无人机本身的移动速度V_dx、V_dy、V_dz去掉，得到无人机测得的风速V_wx、V_wy、V_wz，V_wx和V_wy为水平方向的风速，V_wz为垂直方向的风速。

V_wx＝V_x-V_dx (4)

V_wy＝V_y-V_dy (5)

V_wz＝V_z-V_dz (7)

S35、利用风速V_wx、V_wy、V_wz和自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ计算风速V_w水平和风向α_w，V_wz为垂直方向的风速；

V_wz＝V_z-V_dz (7)

本发明的一种基于四旋翼无人机飞行参数的低空移动式风速测量方法，包括：

飞行参数，指该测量方法中需要用到的无人机自身的飞行参数，包括无人机的倾斜角(无人机机架水平面与大地坐标系水平面或垂线的夹角)、旋翼转速、无人机自身重力、无人机飞行速度(含速度和方向)、无人机所受的加速度、无人机方位角。

移动式，该测量方法，不局限于无人机飞行速度，无人机可在移动中测量，也可在悬停中测量。

低空，该测量方法的范围是0-1000米的低空区域。

该测量方法不需要搭载专门的测风设备。

风速测量，该测量方法不仅可以测量风力，还可测量风向。

飞行参数与风速的对应关系，通过风洞实验、建模计算等方法，获取飞行参数与风速的对应关系，从而根据飞行参数计算风速。

进一步地，所述的飞行参数，飞行速度、所受的加速度、方位角可由无人机自身搭载的机载设备(包括但不限于：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、导航模块、地磁仪)获取，并通过无线模块发送，地面接收设备接收后，进行处理，计算出无人机所处位置的风向和风速。

进一步地，所述的飞行参数，旋翼转速可由外置的霍尔传感器等获取。

进一步地，所述的飞行参数，无人机自身重力可由电子天平获取，该值一般为定值。

进一步地，所述的飞行参数，无人机的倾斜角可由无人机内置的三轴稳定系统(包括但不限于：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪)、或者外置的倾角传感器获取。

进一步地，自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ是无人机固定参数，由地磁仪在无人机中安装的位置和姿态决定。

进一步地，三个方向所受的加速度由飞行控制系统加速度计获取。

进一步地，三个方向的飞行速度通过导航模块获取。

进一步地，获取无人机在X轴、Y轴、Z轴三个分量上相对气流的作用力与反作用力数据，建立X轴、Y轴、Z轴三个分量上相对气流速度——分力曲线，相对气流速度——分力曲线是指在无人机静止状态时，在气流作用下，所受气流作用力与气流速度的对应关系，该曲线通过风洞实验获得。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、四旋翼无人机起飞后，在空中飞行或悬停；

S2、无人机通过机载设备获取飞行参数并将飞行参数以无线传输方式传给地面接收系统；

S3、地面接收系统利用程序将飞行参数解算，得出无人机所处的位置，根据预先确定的飞行参数和风速的对应关系，结合飞行参数得出所处位置的风速和风向；

其中，

所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31、根据无人机Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ，由重力G算出总升力F：

其中，g为重力加速度；

S32、将总升力F按照α、β、θ三个角度分解成三个方向，再去掉三个方向所受加速度产生的力，得到分力F_x、F_y、F_z，则有：

F_x＝F·sinθ·cosβ-m·a_x (1)

F_y＝F·sinθ·cosα-m·a_y (2)

F_Z＝F·cosθ-m·a_z (3)

S33、利用X轴的相对气流速度——分力曲线即V_x——F_x曲线，得出F_x对应的X向相对气流速度V_x，Y向相对气流速度V_y由V_y——F_y曲线根据对应的F_y得出,Z向相对气流速度V_z由V_z——F_z曲线根据对应的F_z得出；

S34、将无人机本身的移动速度V_dx、V_dy、V_dz去掉，得到无人机测得的风速V_wx、V_wy、V_wz，V_wx和V_wy为水平方向的风速，V_wz为垂直方向的风速；

V_wx＝V_x-V_dx (4)

V_wy＝V_y-V_dy (5)

V_wz＝V_z-V_dz (7)

S35、利用风速V_wx、V_wy、V_wz和自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ计算风速V_w水平和风向α_w，V_wz为垂直方向的风速；

V_wz＝V_z-V_dz (7)

2.如权利要求1所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述飞行参数包括：

1)四个旋翼的转速，分别为r₁、r₂、r₃、r₄；

2)倾斜角，倾斜角相对于大地坐标系可分解为三个分量：无人机Z轴的水平面投影与大地坐标X₀的夹角α，以及无人机Z轴的水平面投影与大地坐标Y₀的夹角β，无人机Z轴与大地坐标Z₀的夹角θ；

3)X、Y、Z三个方向所受的加速度，分别为a_x、a_y、a_z；

4)X、Y、Z三个方向的飞行速度，分别为V_dx、V_dy、V_dz；

5)无人机自身Y轴与机载地磁仪夹角，为Φ；

6)无人机质量m。

3.如权利要求2所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述飞行参数中的旋翼转速由外置的霍尔传感器获取。

4.如权利要求2所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述飞行参数中的无人机自身质量由电子天平获取。

5.如权利要求2所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述飞行参数中的倾斜角由无人机内置的三轴稳定系统、或者外置的倾角传感器获取。

6.如权利要求2所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述飞行参数中的自身Y轴与机载地磁仪夹角Φ是无人机固定参数，由地磁仪在无人机中安装的位置和姿态决定。

7.如权利要求2所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述三个方向所受的加速度由飞行控制系统加速度计获取。

8.如权利要求2所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述三个方向的飞行速度通过导航模块获取。

9.如权利要求1所述的基于四旋翼无人机的低空移动式风速测量方法，其特征在于，所述相对气流速度——分力曲线是指在无人机静止状态时，在气流作用下，所受气流作用力与气流速度的对应关系，该曲线通过风洞实验获得。