CN113218379B - 一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，属于磁传感技术领域。本发明针对无人机常用的航模锂电池，首先对描述锂电池和飞行轨迹的导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系、大地坐标系，以及方位角与欧拉角进行定义，并推导方位角与欧拉角之间的转换关系；根据锂电池的供能机理，结合锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立锂电池的电磁干扰机理模型；将多片锂电池电磁干扰机理模型的三轴分量投影到磁罗盘所在位置的地磁矢量上；对模型进行线性化，优化得到锂电池在机舱内的安置倾角，并采用反馈控制实现锂电池安置倾角对最优倾角进行实时跟踪，从而实现锂电池在磁罗盘处电磁干扰的自抵消。

Description

一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，适用于小型固定翼锂电池无人机磁罗盘处的电磁干扰抑制，属于磁传感技术领域。

背景技术

锂电池动力无人机具有振动低、噪声低、能源清洁环保、系统简单可靠的优势，可执行复杂多样的任务，因而得到了广泛的应用，具有广阔的应用前景。无人机依靠磁罗盘进行航向导航，磁罗盘测量无人机所在位置的地磁场强度大小，来判断无人机的航向。但是，随着任务需求的增多，锂电池无人机携带了大量的电子设备，狭小的机舱内电子设备密度激增，各种设备及电源产生的电磁干扰在时域上持续不断，在频域上互相重叠，使得锂电池无人机的磁罗盘面临着恶劣的电磁干扰环境。这种电磁干扰将导致磁罗盘对地磁场的测量误差增大，导致飞行控制器对航向误判，对飞行安全造成极大危害，使得无人机发生速度漂移，甚至飞行失稳、坠毁。

为降低电磁干扰对磁罗盘的干扰，需对复杂的电磁干扰进行分析。根据电磁干扰的产生来源，将无人机的电磁干扰分为与轨迹无关的电磁干扰和与轨迹相关的电磁干扰。开关电路和电机的高频电磁干扰为与轨迹无关的电磁干扰，其对磁罗盘的电磁干扰可通过低通滤波器进行滤波消除；通电导线和锂电池产生的电磁干扰是低频电磁干扰，与无人机的飞行需求功率相关，因而与轨迹相关，且无法通过滤波器消除。通电导线的电磁干扰可以通过导线双绞的方式消除。因此，锂电池的电磁干扰是对磁罗盘的主要影响因素，抑制锂电池产生的电磁干扰，对磁罗盘的正常工作具有重要意义，直接关系到无人机的航向测量和飞行安全。

在磁传感技术领域的实际应用中，根据电磁干扰产生、传播和影响的环节不同，抑制锂电池无人机中通电导线和锂电池的电磁干扰的方法主要分为2类：

第一类是通过电磁屏蔽的方法，通过设计合适的电磁屏蔽装置，将锂电池包裹包覆，隔断电磁干扰的传播途径。电磁屏蔽装置中，通常采用由磁屏蔽材料，如坡莫合金、镀锡铜丝，编织成屏蔽网或制成壳体结构，并通过一层或多层的组合搭配，既抑制电磁干扰对外辐射，又避免外部干扰对所包覆设备产生影响。但是，锂电池在使用过程中发热，电磁屏蔽装置的包覆导致装置内部温度升高，不利于锂电池工作，也不利于锂电池使用寿命。

第二类是通过电路设计的方法，对电池内部开关电路图进行特殊设计，并对电路板进行抗干扰印刷制作，在电磁干扰源头降低电磁干扰。电路设计和电路板制作不仅需要专业的电路设计知识，对广泛的无人机使用人员不够简单、友好，而且不能完全消除电磁干扰，对磁罗盘的影响依然存在。

综上所述，上述方法从电磁干扰的源头和传播途径入手，对影响磁罗盘的电磁干扰进行干预，但均缺乏对无人机内电磁干扰的模型描述，无法完全消除电磁干扰。同时，电磁屏蔽设备制作成本较高，电路设计需要专业的人员与知识。

近年来，通过建模描述系统行为得到了广泛的关注。建模方法可分为3类，第一类方法通过理论分析建立机理模型，第二类方法通过实验数据建立数据模型，第三类方法结合前两种方法建立混合模型。通过建立锂电池在磁罗盘处的电磁干扰机理模型，依据模型描述，在电磁干扰的影响对象处，精准降低电磁干扰，使对磁罗盘的影响最小，是降低电磁干扰影响的新思路。

发明内容

本发明的目的是为了解决锂电池对磁罗盘的电磁干扰，提供一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，该方法通过对锂电池进行与飞行轨迹耦合的机理建模，从模型的数学机理角度，降低锂电池对无人机磁罗盘的电磁干扰。具有下述优点：成本低，操作简单，易实现，效果显著等优点。此外，本发明即使在缺乏专业知识背景的情况下也能进行操作，能够在磁传感技术工程应用中广泛应用于降低无人机电磁干扰的影响。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，针对无人机常用的航模锂电池，首先对描述锂电池和飞行轨迹的导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系、大地坐标系，以及方位角与欧拉角进行定义，并推导方位角与欧拉角之间的转换关系；根据锂电池的供能机理，结合锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立锂电池的电磁干扰机理模型；将多片锂电池电磁干扰机理模型的三轴分量投影到磁罗盘所在位置的地磁矢量上；对模型进行线性化，优化得到锂电池在机舱内的安置倾角，并采用反馈控制实现锂电池安置倾角对最优倾角进行实时跟踪，从而实现锂电池在磁罗盘处电磁干扰的自抵消。

一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：对描述锂电池和飞行轨迹的导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系、大地坐标系，以及方位角与欧拉角进行定义，并推导方位角与欧拉角之间的转换关系。

步骤1具体实现方法包括如下步骤：

步骤1.1：定义导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系和大地坐标系，如图2所示。导航坐标系采用北东地导航系，记作Σ_e，其x_e轴指向地理正北，y_e轴指向地理正东，z_e轴指向地面。地磁坐标系，记作Σ_m，通过地磁场强度B_e、磁偏角D和磁倾角I描述地磁矢量，磁偏角是地磁正北与地理正北的夹角，磁倾角是地磁矢量与地磁正北的夹角；地磁坐标系x_m轴指向地磁正西，y_m轴指向地磁正北，z_m轴指向地面。机体坐标系与无人机机体固连，记作Σ_b，其x_b轴指向左翼，y_b轴指向机头，z_b轴指向机腹。大地坐标系，记作Σ_g，其y_g轴为航向的水平分量，z_g轴指向地面，x_g轴与y_b和z_g满足右手螺旋定则。无人机航向，记作θ，为y_g轴与x_e轴之间的夹角。无人机磁航向，记作

为y_g轴与y_m轴之间的夹角。那么，可以得到

步骤1.2：推导方位角与欧拉角的角度转换关系。地磁矢量与机体坐标系三轴的夹角为方位角，分别记作X，Y，Z，如图3所示。其中，X为机体坐标系x_b轴与地磁矢量的夹角；Y为机体坐标系y_b轴与地磁矢量的夹角；Z为机体坐标系z_b轴与地磁矢量的夹角。无人机欧拉角为俯仰角λ，偏航角Ω和滚转角ψ。由于无人机飞行时仅能测量欧拉角，无法直接得知方位角，因此，需要进行方位角与欧拉角之间的转换，得到

其中，为了简化公式的表达形式，c代表cos，s代表sin。

步骤2：根据锂电池的供能机理，结合锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立锂电池的电磁干扰机理模型。

步骤2具体实现方法包括如下步骤：

步骤2.1：建立锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系。

测量锂电池的尺寸，包括锂电池的宽度l，每一片锂电池的厚度d。如图4所示，测量锂电池和磁罗盘之间的相对距离，包括第i片锂电池中心与磁罗盘的距离D_i，第i片锂电池中心与磁罗盘距离的水平分量l₁，第i片锂电池中心与磁罗盘距离的垂直分量l_2i，Λ_i为第i片锂电池中心到磁罗盘的方位角。那么，存在几何关系

其中，l₂₁为第1片锂电池与磁罗盘距离的垂直分量。

步骤2.2：建立每一片锂电池的电磁干扰机理模型。

根据毕奥萨伐尔定理，锂电池内部长等于锂电池宽度l的电流I_b产生的电磁干扰B_I为

其中，μ₀＝4π×10^-7V·s/(A·m)为真空磁导率，π为圆周率。

在磁罗盘处建立与机体坐标系固连的电磁干扰坐标系，记作Σ_c，x_c轴指向左翼，与x_b轴平行；y_c轴指向机尾，与y_b轴平行；z_c轴指向机背，与z_b轴平行，如图4所示。电磁干扰坐标系用于描述电磁干扰在机体坐标系x_b轴、y_b轴和z_b轴的分量。

B_I在磁罗盘处的三轴分量为B_Ix，B_Iy和B_Iz，表示为

其中，Θ为锂电池的安置倾角。

步骤2.3：建立多片锂电池的电磁干扰机理模型。

将多片锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰进行求和，得到多片锂电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z为

其中，N为锂电池总片数；C₁，C₂和C₃为公式化简后的常数项；(-1)ⁱ表示第i片锂电池在磁罗盘处产生电磁干扰的方向。

步骤3：根据多片锂电池的电磁干扰机理模型，将多片锂电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z投影到磁罗盘所在位置的地磁矢量上，此投影量B_I为磁罗盘对地磁场的测量影响量，投影后，B_I与航向和欧拉角耦合。

步骤4：由于无人机飞行时欧拉角变化较小，因此，将欧拉角视为小角度，将步骤3得到的电磁干扰投影量B_I线性化。

步骤4具体实现方法包括如下步骤：

步骤4.1：将式线性化，得到

步骤4.2：将式化简，得到

步骤5：根据辅助角公式，优化得到最优锂电池安置倾角。

其中，

当无人机航向固定，欧拉角均为0时，

那么，当锂电池安置倾角满足

此时，B_I＝0，即，锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰对磁罗盘的影响实现自抵消，与电流大小无关。此时，锂电池的安置倾角为最优倾角，最优倾角记作Θ*。

步骤6：根据反馈控制实时调整锂电池的安置倾角，使无人机在飞行的过程中，其锂电池倾角对式获得的最优倾角实时跟踪，实现锂电池对磁罗盘的电磁干扰最小。

PID控制是工程上最常用、最成熟的反馈控制方法。为了实现锂电池对最优倾角的跟踪，作为优选，通过PID反馈控制实时跟踪锂电池最优倾角。

有益效果：

1、本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，建立了锂电池在磁罗盘处电磁干扰的机理模型，在机理上实现锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰模型的定量描述，揭示了锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰与电流之间的关系。

2、本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，在机理上实现锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰与飞行轨迹的耦合描述，揭示了锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰与飞行轨迹之间的关系，并通过模型线性化简化了模型的表述，易于工程应用，具有广泛的工程应用前景。

3、本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，可仅通过调整锂电池在无人机机舱内的安置倾角，实现锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰影响的自抵消，无需其他复杂的电磁屏蔽装置或电子电路设计，有模型理论支持，易于工程实现，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法的流程图；

图2为坐标系定义中的导航坐标系、地磁坐标系、大地坐标系；

图3为坐标系定义中的机体坐标系和方位角；

图4为锂电池在磁罗盘处生成的电磁干扰的几何关系示意图；

图5为具体实施方式中无人机的飞行轨迹；

图6为具体实施方式中采用和未采用本发明中方法时锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰的对比。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面通过锂电池无人机点到点飞行的实施例，并结合附图与表格对本发明做出详细解释。

实施例：

本实施例的无人机采用6S锂电池，电池容量22Ah，放电倍率25C，宽9cm，单片锂电池厚度0.01m；锂电池距离磁罗盘l₁为0.1m，l₂₁为0.15m。无人机从预定的原点位置，坐标(0,0,100)m，飞往坐标(3500,1500,110)m处。如图1所示，本实施例公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，包括如下步骤：

步骤1：对描述锂电池和飞行轨迹的导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系、大地坐标系，以及方位角与欧拉角进行定义，并推导方位角与欧拉角之间的转换关系。

步骤1的实现方法如下：

步骤1.1：根据选取的飞行任务区域，选取当地的地理北向、地理东向和地面分别作为导航坐标系的x_e轴，y_e轴和z_e轴。

步骤1.2：测量选取的飞行任务区域的地磁场信息，包括磁偏角D和磁倾角I，并以此标定地磁坐标系，指向地磁正西为x_m轴，指向地磁正北位y_m轴，指向地面为z_m轴。飞行任务区域内，磁偏角D＝π/36，磁倾角I＝π/6。

步骤1.3：标定无人机，选取无人机质心位置为机体坐标系原点，指向左机翼为x_b轴，指向机头为y_b轴，指向机腹为z_b轴。

步骤1.4：依据式建立方位角与欧拉角之间的转换关系。

步骤2：根据锂电池的供能机理，结合锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立无人机上的锂电池电磁干扰机理模型。

步骤2的实现方法如下：

步骤2.1：建立每一片锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰机理模型

考虑到

将B_I的三轴分量化简得到

步骤2.2：建立6片锂电池的电磁干扰机理模型

步骤3：根据锂电池的电磁干扰机理模型，将其投影到磁罗盘所在位置的地磁矢量上，此投影量B_I为磁罗盘对地磁场的测量影响量，投影后，B_I与航向和欧拉角耦合。

步骤4：由于无人机飞行时欧拉角变化较小，因此，可将欧拉角视为小角度，将步骤3得到的电磁干扰投影量线性化，如式所示。并将式代入式，得到

B_I＝[cXC₁sinΘ-(cYC₂+cZC₃)cosΘ]·I_b (15)

步骤5：根据辅助角公式，优化得到最优锂电池安置倾角。

步骤6：采用PID控制方法实现锂电池倾角Θ对最优倾角Θ*的实时跟踪。

步骤7：设计无人机的飞行轨迹，使无人机按照预定轨迹飞行，测量无人机在采用本发明方法和未采用本发明方法时磁罗盘测得的地磁线的电磁干扰量。

表1锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰B_I对比

锂电池安置倾角	0°	跟踪最优倾角
			平均电磁干扰	3947nT	0nT

从本实施例的计算结果可以看出，本发明提出的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法能够有效降低锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰，在本实施例中能够完全消除锂电池对磁罗盘的电磁干扰影响。在获取锂电池和磁罗盘相对位置关系、设计的飞行任务轨迹后，仅通过优化锂电池在机舱内的安置倾角，即可极大地降低锂电池对磁罗盘的干扰。

根据本实例公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，能够得到锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰的定量描述；能够得到锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰与飞行轨迹的耦合关系，具有较高的应用价值。此外，根据本实例公开的一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，可以仅通过优化锂电池在机舱的安置角度实现锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰的自抵消，应用规则简单，符合无人机应用需求，对无人机应用人员友好，易于工程实现，具有广泛的应用前景。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种与飞行轨迹耦合的锂电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对描述锂电池和飞行轨迹的导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系、大地坐标系，以及方位角与欧拉角进行定义，并推导方位角与欧拉角之间的转换关系；

步骤1具体实现方法包括如下步骤：

步骤1.1：定义导航坐标系、地磁坐标系、机体坐标系和大地坐标系；导航坐标系采用北东地导航系，记作Σ_e，其x_e轴指向地理正北，y_e轴指向地理正东，z_e轴指向地面；地磁坐标系，记作Σ_m，通过地磁场强度B_e、磁偏角D和磁倾角I描述地磁矢量，磁偏角是地磁正北与地理正北的夹角，磁倾角是地磁矢量与地磁正北的夹角；地磁坐标系x_m轴指向地磁正西，y_m轴指向地磁正北，z_m轴指向地面；机体坐标系与无人机机体固连，记作Σ_b，其x_b轴指向左翼，y_b轴指向机头，z_b轴指向机腹；大地坐标系，记作Σ_g，其y_g轴为航向的水平分量，z_g轴指向地面，x_g轴与y_b和z_g满足右手螺旋定则；无人机航向，记作θ，为y_g轴与x_e轴之间的夹角；无人机磁航向，记作

为y_g轴与y_m轴之间的夹角；那么，可以得到

步骤1.2：推导方位角与欧拉角的角度转换关系；地磁矢量与机体坐标系三轴的夹角为方位角，分别记作X，Y，Z；其中，X为机体坐标系x_b轴与地磁矢量的夹角；Y为机体坐标系y_b轴与地磁矢量的夹角；Z为机体坐标系z_b轴与地磁矢量的夹角；无人机欧拉角为俯仰角λ，偏航角Ω和滚转角ψ；由于无人机飞行时仅能测量欧拉角，无法直接得知方位角，因此，需要进行方位角与欧拉角之间的转换，得到

其中，为了简化公式的表达形式，c代表cos，s代表sin；

步骤2：根据锂电池的供能机理，结合锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立锂电池的电磁干扰机理模型；

步骤2具体实现方法包括如下步骤：

步骤2.1：建立锂电池与磁罗盘之间的空间位置关系；

测量锂电池的尺寸，包括锂电池的宽度l，每一片锂电池的厚度d；测量锂电池和磁罗盘之间的相对距离，包括第i片锂电池中心与磁罗盘的距离D_i，第i片锂电池中心与磁罗盘距离的水平分量l₁，第i片锂电池中心与磁罗盘距离的垂直分量l_2i，Λ_i为第i片锂电池中心到磁罗盘的方位角；那么，存在几何关系

其中，l₂₁为第1片锂电池与磁罗盘距离的垂直分量；

步骤2.2：建立每一片锂电池的电磁干扰机理模型；

根据毕奥萨伐尔定理，锂电池内部长等于锂电池宽度l的电流I_b产生的电磁干扰B_I为

其中，μ₀＝4π×10^-7V·s/(A·m)为真空磁导率，π为圆周率；

在磁罗盘处建立与机体坐标系固连的电磁干扰坐标系，记作Σ_c，x_c轴指向左翼，与x_b轴平行；y_c轴指向机尾，与y_b轴平行；z_c轴指向机背，与z_b轴平行；电磁干扰坐标系用于描述电磁干扰在机体坐标系x_b轴、y_b轴和z_b轴的分量；

B_I在磁罗盘处的三轴分量为B_Ix，B_Iy和B_Iz，表示为

其中，Θ为锂电池的安置倾角；

步骤2.3：建立多片锂电池的电磁干扰机理模型；

将多片锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰进行求和，得到多片锂电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z为

其中，N为锂电池总片数；C₁，C₂和C₃为公式化简后的常数项；(-1)ⁱ表示第i片锂电池在磁罗盘处产生电磁干扰的方向；

步骤3：根据多片锂电池的电磁干扰机理模型，将多片锂电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z投影到磁罗盘所在位置的地磁矢量上，此投影量B_I为磁罗盘对地磁场的测量影响量，投影后，B_I与航向和欧拉角耦合；

步骤4：由于无人机飞行时欧拉角变化较小，因此，将欧拉角视为小角度，将步骤3得到的电磁干扰投影量B_I线性化；

步骤4具体实现方法包括如下步骤：

步骤4.1：将式线性化，得到

步骤4.2：将式化简，得到

步骤5：根据辅助角公式，优化得到最优锂电池安置倾角；

其中，

当无人机航向固定，欧拉角均为0时，

那么，当锂电池安置倾角满足

此时，B_I＝0，即，锂电池在磁罗盘处产生的电磁干扰对磁罗盘的影响实现自抵消，与电流大小无关；此时，锂电池的安置倾角为最优倾角，最优倾角记作Θ*；

步骤6：根据反馈控制实时调整锂电池的安置倾角，使无人机在飞行的过程中，其锂电池倾角对式获得的最优倾角实时跟踪，实现锂电池对磁罗盘的电磁干扰最小。

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