CN113984032A - 一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，适用于小型固定翼质子交换膜燃料电池无人机磁罗盘处的电磁干扰抑制，属于无人机电磁干扰抑制领域。本发明实现方法为：通过对质子交换膜燃料电池进行与飞行轨迹耦合的机理建模，通过调整燃料电池在无人机机舱内的安置倾角，无需其他复杂的电磁屏蔽装置或电子电路设计，实现质子交换膜燃料电池在地磁矢量上的干扰投影最小，从而实现质子交换膜燃料电池在磁罗盘处电磁干扰的自抵消，即能够降低质子交换膜燃料电池对无人机磁罗盘的电磁干扰。本发明具有成本低、操作简单、易实现的优点。此外，本发明操作简单，能够在无人机电磁干扰抑制工程应用中降低无人机电磁干扰的影响。

Description

一种与飞行轨迹耦合的燃料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燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，适用于小型固定翼质子交换膜燃料电池无人机磁罗盘处的电磁干扰抑制，属于无人机电磁干扰抑制领域。

背景技术

质子交换膜燃料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，质子交换膜燃料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，使得质子交换膜燃料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；通电导线和质子交换膜燃料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，质子交换膜燃料电池的电磁干扰是对磁罗盘的主要影响因素，抑制质子交换膜燃料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，抑制质子交换膜燃料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，将质子交换膜燃料电池包裹包覆，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，质子交换膜燃料电池在使用过程中发热严重，需要可靠的散热系统保障，电磁屏蔽装置的包覆导致装置内部温度升高，不利于质子交换膜燃料电池工作，也不利于质子交换膜燃料电池使用寿命，甚至会造成热失控，威胁飞行安全。

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。通过建立质子交换膜燃料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

为了解决质子交换膜燃料电池对磁罗盘的电磁干扰，本发明的目的是提供一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，该方法通过对质子交换膜燃料电池进行与飞行轨迹耦合的机理建模，通过调整燃料电池在无人机机舱内的安置倾角，无需其他复杂的电磁屏蔽装置或电子电路设计，即能够降低质子交换膜燃料电池对无人机磁罗盘的电磁干扰。本发明具有成本低、操作简单、易实现的优点。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，能够在无人机电磁干扰抑制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燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，针对无人机常用的空冷质子交换膜燃料电池，首先对描述质子交换膜燃料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；根据质子交换膜燃料电池的供能机理，确定质子交换膜燃料电池与磁罗盘之间的空间位置关系，通过四段等效电流建立质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型；通过实验测定等效电流的具体位置；将质子交换膜燃料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；通过调整质子交换膜燃料电池在机舱内的安置倾角，实现质子交换膜燃料电池在地磁矢量上的干扰投影最小，从而实现质子交换膜燃料电池在磁罗盘处电磁干扰的自抵消；根据反馈控制实时调整质子交换膜燃料电池的安置倾角，使无人机在飞行的过程中，实时跟踪质子交换膜燃料电池最优倾角，实现质子交换膜燃料电池对磁罗盘的电磁干扰最小。

本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：对描述质子交换膜燃料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：根据质子交换膜燃料电池的供能机理，确定质子交换膜燃料电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立质子交换膜燃料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：质子交换膜燃料电池由多个单池串联而成，每个单池内氢气和氧气发生氧化还原反应，其产生的电子被质子交换膜燃料电池两端的集电板收集形成电流，因此由所述电流产生对外的电磁场。由于描述质子交换膜燃料电池内部微观反应复杂，因此将质子交换膜燃料电池的电流等效成四段具有有限长度的直“等效电流”来描述质子交换膜燃料电池的宏观电磁干扰。其中，第一段和第二段为质子交换膜燃料电池两端的集电板的等效电流；将集电板视为一片有限大的带电载流平板，由于集电板上的集电极在其一角，使平面上收集的电子向集电极汇聚，从而使得描述集电板电流分布的等效电流偏向集电极一侧，而偏置量未知，需要试验测定。第三段为多单池串联的等效电流，该段等效电流整体上体现为电子的定向流动，因此它连接各单池的几何中心。此外，分布在质子交换膜燃料电池两端的集电板被导线牵引，使正负电极在同一侧，以便于使用。因此，在计算质子交换膜燃料电池电磁干扰时，第四段等效电流为质子交换膜燃料电池外部导线的电磁干扰。

步骤2.2：确定质子交换膜燃料电池、磁罗盘相对于无人机的安置位置。

为避免电磁干扰，无人机磁罗盘通常与GPS模块集成并外置，为发挥GPS作用，其通常安置在全机质心上方，贴合在机身上。

另一方面，质子交换膜燃料电池的电池堆质量在无人机全机质量中占比较大，为避免无人机配平的困难，放置质子交换膜燃料电池堆时，使电池堆质心与无人机的质心位置重合。通过上述两个位置安装约束条件确定磁罗盘、质子交换膜燃料电池和无人机的相对位置关系。

步骤2.3：建立第一段位于顶部集电板的等效电流的电磁干扰模型。

测量磁罗盘与质子交换膜燃料电池几何中心的距离R，和质子交换膜燃料电池的尺寸，包括长a，宽b，高c。d为第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离，D为第一段等效电流中点与磁罗盘之间的距离，θ₁为第一段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，

为磁罗盘与第一段等效电流的方位角。

为质子交换膜燃料电池绕转轴的转动角度，记为质子交换膜燃料电池的安置倾角，存在几何关系

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轴指向机头，与y_b轴平行；z_c轴指向机腹，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。第一段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₁及其在磁罗盘处的三轴分量B_1x，B_1y和B_1z为

其中，μ₀＝4π×10^-7V·s/(A·m)为真空磁导率，π为圆周率，I_FC为质子交换膜燃料电池电流。

步骤2.4：建立第二段位于底部集电板的等效电流的电磁干扰模型。

d′为第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离，D′为第二段等效电流中点与磁罗盘之间的距离，θ₂为第二段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，

为磁罗盘与第二段等效电流的方位角，存在几何关系

第二段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₂及其在磁罗盘处的三轴分量B_2x，B_2y和B_2z为

步骤2.5：建立第三段连接各单池的几何中心的等效电流的电磁干扰模型。

θ₃和θ₃′为第三段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，存在几何关系

第三段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₃及其在磁罗盘处三轴分量B_3x，B_3y和B_3z为

步骤2.6：建立第四段连接各单池的几何中心的等效电流的电磁干扰模型。

θ₄和θ₄′为第四段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，存在几何关系

第四段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₄及其在磁罗盘处三轴分量B_4x，B_4y和B_4z为

步骤2.7：建立总的质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型。

将质子交换膜燃料电池在磁罗盘处产生的电磁干扰进行求和，得到质子交换膜燃料电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z为

步骤2.8：测量质子交换膜燃料电池的电磁干扰，通过模型数据和实测数据的对比拟合，确定第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离d和第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离d′。

由于电磁干扰模型与电流成正比关系，而最小二乘法是工程上最常用、最成熟的数学优化方法，可以简便地求得未知的数据，并使得误差的平方和为最小。作为优选，通过最小二乘法确定第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离d和第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离d′。

步骤3：根据质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型，将质子交换膜燃料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，建立投影量B_I与航向和欧拉角耦合关系。

根据质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型，将质子交换膜燃料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，建立投影量B_I与航向和欧拉角耦合关系如公式(12)所示。

步骤4：由于燃料无人机飞行时欧拉角变化较小，因此，将欧拉角视为小角度，根据步骤3得到的电磁干扰投影量B_I，通过调整燃料电池在无人机机舱内的安置倾角，寻找最优的电池安置倾角

使任务环境中相应航向下的质子交换膜燃料电池对磁罗盘电磁干扰投影量B_I最小，无需其他复杂的电磁屏蔽装置或电子电路设计，即能够降低质子交换膜燃料电池对无人机磁罗盘的电磁干扰。

作为优选，通过选用仿真计算的方式寻找最优的电池安置倾角

步骤4具体实现方法包括如下步骤：

步骤4.1：将式(1)线性化，得到

当无人机平飞时，无人机的欧拉角均为0，因此

步骤4.2：根据建立的质子交换膜燃料电池机理模型，通过仿真计算寻找任务环境中相应航向下的质子交换膜燃料电池对磁罗盘电磁干扰绝对值最小时对应的电池安置倾角

为尽快排出质子交换膜燃料电池内生成的水，避免水对质子交换膜燃料电池内氢气和氧气反应的影响，需要保证质子交换膜燃料电池的排气孔始终位于最底部，因此，质子交换膜燃料电池的安置倾角只能在[0,π/2]范围内调整。

还包括步骤5：根据反馈控制实时调整质子交换膜燃料电池的安置倾角，使无人机在飞行的过程中，其质子交换膜燃料电池倾角对步骤4获得的最优倾角实时跟踪，实现质子交换膜燃料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。为了实现质子交换膜燃料电池对最优倾角的跟踪，作为优选，通过PID反馈控制实时跟踪质子交换膜燃料电池最优倾角。

有益效果：

1、本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，通过建立质子交换膜燃料电池在磁罗盘处电磁干扰的机理模型，采用四段等效电流在机理上实现质子交换膜燃料电池在磁罗盘处产生的电磁干扰模型的定量描述，建立质子交换膜燃料电池在磁罗盘处产生的电磁干扰与电流和飞行轨迹之间的耦合关系，根据所述电磁干扰与电流和飞行轨迹之间的耦合关系，通过调整燃料电池在无人机机舱内的安置倾角，寻找最优的电池安置倾角，使任务环境中相应航向下的质子交换膜燃料电池对磁罗盘电磁干扰投影量最小，实现质子交换膜燃料电池在磁罗盘处产生的电磁干扰影响的自抵消，即能够降低质子交换膜燃料电池对无人机磁罗盘的电磁干扰。本发明无需其他复杂的电磁屏蔽装置或电子电路设计，具有成本低、操作简单、易实现的优点。

2、本发明公开的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，根据反馈控制实时调整质子交换膜燃料电池的安置倾角，使无人机在飞行的过程中，实时跟踪质子交换膜燃料电池最优倾角，实现质子交换膜燃料电池对磁罗盘的电磁干扰最小。

附图说明

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

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为质子交换膜燃料电池在磁罗盘处生成的电磁干扰的机理模型和等效电流示意图；

图5为调整机舱内质子交换膜燃料电池的安置倾角后在磁罗盘处生成电磁干扰的几何关系示意图；

图6为具体实施方式中确定等效电流位置后电磁干扰模型表述和实测电磁干扰对比图；

图7为具体实施方式中寻找磁罗盘处电磁干扰最低时质子交换膜燃料电池安置倾角的电磁干扰变化曲线图；

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面通过燃料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额定功率600W的空冷质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池长a＝0.199m，宽b＝0.144m，高c＝0.313m。质子交换膜燃料电池几何中心距离磁罗盘R为0.1565m。无人机从预定的原点位置，坐标(0,0,110)m，飞往坐标(3500,1500,110)m处，航向为θ＝arctan(1500/3500)。如图1所示，本实施例公开的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，包括如下步骤：

步骤1：对描述质子交换膜燃料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(1)建立方位角与欧拉角之间的转换关系。

步骤2：根据质子交换膜燃料电池的供能机理，确定质子交换膜燃料电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立无人机上的质子交换膜燃料电池电磁干扰机理模型。

步骤2的实现方法如下：

步骤2.1：确定质子交换膜燃料电池、磁罗盘相对于无人机的安置位置。

基于质子交换膜燃料电池等效电流产生电磁干扰的机理，综合考虑降低质子交换膜燃料电池电磁干扰效果和无人机质心配平，将质子交换膜燃料电池堆质心与无人机的质心位置重合，将磁罗盘贴合于全机质心上方的机身上。那么，磁罗盘、质子交换膜燃料电池和无人机的相对位置关系得到了确定。

步骤2.2：根据建立的质子交换膜燃料电池电磁干扰机理模型，采用实验方法测量确定第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离d和第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离d′，从而确定全部模型参数。

通过电子负载逐步加载电流，并采集质子交换膜燃料电池的电磁干扰数据。采用最小二乘法对模型数据和实测数据进行对比拟合，确定第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离d＝0.575b和第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离d′＝0.25b，如图6所示。

步骤3：根据质子交换膜燃料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：将方位角线性化，并结合建立的质子交换膜燃料电池机理模型，通过对质子交换膜燃料电池绕机体坐标系y_b轴旋转的仿真，如图5所示，优化找到最优质子交换膜燃料电池安置倾角

如图7所示，此时

步骤5：采用PID控制方法实现质子交换膜燃料电池倾角

对最优倾角

的实时跟踪。

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质子交换膜燃料电池在磁罗盘处产生的电磁干扰B_I对比

燃料电池安置倾角	0°	跟踪最优倾角
			平均电磁干扰	49175nT	0nT

从本实施例的分析结果可以看出，本实施例提出的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法能够有效降低质子交换膜燃料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质子交换膜燃料电池对磁罗盘的电磁干扰影响。在获取质子交换膜燃料电池和磁罗盘相对位置关系、设计的飞行任务轨迹后，仅通过优化质子交换膜燃料电池在机舱内的安置倾角，即可极大地降低质子交换膜燃料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燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，能够得到质子交换膜燃料电池在磁罗盘处产生的电磁干扰的定量描述；能够得到质子交换膜燃料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燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，可以仅通过优化质子交换膜燃料电池在机舱的安置角度实现质子交换膜燃料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。

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 (8)

1.一种与飞行轨迹耦合的燃料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：对描述质子交换膜燃料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2：根据质子交换膜燃料电池的供能机理，确定质子交换膜燃料电池与磁罗盘之间的空间位置关系，建立质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型；

步骤3：根据质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型，将质子交换膜燃料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，建立投影量B_I与航向和欧拉角耦合关系；

步骤4：由于燃料无人机飞行时欧拉角变化较小，因此，将欧拉角视为小角度，根据步骤3得到的电磁干扰投影量B_I，通过调整燃料电池在无人机机舱内的安置倾角，寻找最优的电池安置倾角

使任务环境中相应航向下的质子交换膜燃料电池对磁罗盘电磁干扰投影量B_I最小，无需其他复杂的电磁屏蔽装置或电子电路设计，即能够降低质子交换膜燃料电池对无人机磁罗盘的电磁干扰。

2.如权利要求1所述的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：还包括步骤5，根据反馈控制实时调整质子交换膜燃料电池的安置倾角，使无人机在飞行的过程中，其质子交换膜燃料电池倾角对步骤4获得的最优倾角实时跟踪，实现质子交换膜燃料电池对磁罗盘的电磁干扰最小。

3.如权利要求2所述的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：为了实现质子交换膜燃料电池对最优倾角的跟踪，通过PID反馈控制实时跟踪质子交换膜燃料电池最优倾角。

4.如权利要求1、2或3所述的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：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。

5.如权利要求4所述的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：步骤2具体实现方法包括如下步骤：

步骤2.1：质子交换膜燃料电池由多个单池串联而成，每个单池内氢气和氧气发生氧化还原反应，其产生的电子被质子交换膜燃料电池两端的集电板收集形成电流，因此由所述电流产生对外的电磁场；由于描述质子交换膜燃料电池内部微观反应复杂，因此将质子交换膜燃料电池的电流等效成四段具有有限长度的直“等效电流”来描述质子交换膜燃料电池的宏观电磁干扰；其中，第一段和第二段为质子交换膜燃料电池两端的集电板的等效电流；将集电板视为一片有限大的带电载流平板，由于集电板上的集电极在其一角，使平面上收集的电子向集电极汇聚，从而使得描述集电板电流分布的等效电流偏向集电极一侧，而偏置量未知，需要试验测定；第三段为多单池串联的等效电流，该段等效电流整体上体现为电子的定向流动，因此它连接各单池的几何中心；此外，分布在质子交换膜燃料电池两端的集电板被导线牵引，使正负电极在同一侧，以便于使用；因此，在计算质子交换膜燃料电池电磁干扰时，第四段等效电流为质子交换膜燃料电池外部导线的电磁干扰；

步骤2.2：确定质子交换膜燃料电池、磁罗盘相对于无人机的安置位置；

为避免电磁干扰，无人机磁罗盘通常与GPS模块集成并外置，为发挥GPS作用，其通常安置在全机质心上方，贴合在机身上；

另一方面，质子交换膜燃料电池的电池堆质量在无人机全机质量中占比较大，为避免无人机配平的困难，放置质子交换膜燃料电池堆时，使电池堆质心与无人机的质心位置重合；通过上述两个位置安装约束条件确定磁罗盘、质子交换膜燃料电池和无人机的相对位置关系；

步骤2.3：建立第一段位于顶部集电板的等效电流的电磁干扰模型；

测量磁罗盘与质子交换膜燃料电池几何中心的距离R，和质子交换膜燃料电池的尺寸，包括长a，宽b，高c；d为第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离，D为第一段等效电流中点与磁罗盘之间的距离，θ₁为第一段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，

为磁罗盘与第一段等效电流的方位角；

为质子交换膜燃料电池绕转轴的转动角度，记为质子交换膜燃料电池的安置倾角，存在几何关系

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轴指向机头，与y_b轴平行；z_c轴指向机腹，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；第一段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₁及其在磁罗盘处的三轴分量B_1x，B_1y和B_1z为

其中，μ₀＝4π×10^-7V·s/(A·m)为真空磁导率，π为圆周率，I_FC为质子交换膜燃料电池电流；

步骤2.4：建立第二段位于底部集电板的等效电流的电磁干扰模型；

d′为第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离，D′为第二段等效电流中点与磁罗盘之间的距离，θ₂为第二段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，

为磁罗盘与第二段等效电流的方位角，存在几何关系

第二段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₂及其在磁罗盘处的三轴分量B_2x，B_2y和B_2z为

步骤2.5：建立第三段连接各单池的几何中心的等效电流的电磁干扰模型；

θ₃和θ′₃为第三段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，存在几何关系

第三段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₃及其在磁罗盘处三轴分量B_3x，B_3y和B_3z为

步骤2.6：建立第四段连接各单池的几何中心的等效电流的电磁干扰模型；

θ₄和θ′₄为第四段等效电流两端与磁罗盘位置连线与该等效电流的夹角，存在几何关系

第四段等效电流对磁罗盘产生的电磁干扰B₄及其在磁罗盘处三轴分量B_4x，B_4y和B_4z为

步骤2.7：建立总的质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型；

将质子交换膜燃料电池在磁罗盘处产生的电磁干扰进行求和，得到质子交换膜燃料电池在磁罗盘处的电磁干扰分量B_x，B_y和B_z为

步骤2.8：测量质子交换膜燃料电池的电磁干扰，通过模型数据和实测数据的对比拟合，确定第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离d和第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离d′。

6.如权利要求5所述的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：步骤3实现方法为，

根据质子交换膜燃料电池的电磁干扰机理模型，将质子交换膜燃料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，建立投影量B_I与航向和欧拉角耦合关系如公式(12)所示；

7.如权利要求6所述的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：通过选用仿真计算的方式寻找最优的电池安置倾角

步骤4具体实现方法包括如下步骤，

步骤4.1：将式(1)线性化，得到

当无人机平飞时，无人机的欧拉角均为0，因此

步骤4.2：根据建立的质子交换膜燃料电池机理模型，通过仿真计算寻找任务环境中相应航向下的质子交换膜燃料电池对磁罗盘电磁干扰绝对值最小时对应的电池安置倾角

为尽快排出质子交换膜燃料电池内生成的水，避免水对质子交换膜燃料电池内氢气和氧气反应的影响，需要保证质子交换膜燃料电池的排气孔始终位于最底部，因此，质子交换膜燃料电池的安置倾角只能在[0,π/2]范围内调整。

8.如权利要求7所述的一种与飞行轨迹耦合的燃料电池无人机电磁干扰抑制方法，其特征在于：步骤2.8中，通过最小二乘法确定第一段等效电流偏离集电板对称轴的距离d和第二段等效电流偏离集电板对称轴的距离d′。

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