CN116560412A - 一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，其包括：确定无人机的起飞构型状态和起飞重量；求取无人机最大平飞速度测试高度对应的风速、风向，无人机根据该风向确定飞行方向；无人机进行往程飞行，求取往程最大平飞速度；无人机盘旋掉头，进行返程飞行，求取返程最大平飞速度；往程最大平飞速度和返程最大平飞速度的平均值为实际测得的最大平飞速度，根据实际测得的最大平飞速度和预设最大平飞速度指标，判断是否满足最大平飞速度指标。本发明在风客观存在的情况下，仍然能够得到试飞无人机准确的最大平飞速度数据。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别是一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法。
背景技术
无人机设计主要是围绕着实现其性能与使用特性要求而展开的。因此，如何验证其性能指标与使用特性的要求，对于无人机而言，是至关重要的。
在所有性能指标中，最大平飞速度对于无人机的设计、销售、适航认证和运营都具有重要的意义。最大平飞速度能够反映无人机改变速度的能力，不同的构型和重量，最大平飞速度数据有一定差异，速度越大，则速度机动性能越好；且可以表征无人机重量、推力、升阻比的设计水平；较高的最大平飞速度有很强的市场吸引力，在竞争无人机的速度较低时尤为明显；从适航认证的角度看，最大平飞速度反映了机体承受的最大载荷以及气动弹性要求；另外，从无人机运营角度上讲，最大平飞速度通过增加发动机功率从而影响了燃油消耗量。
最大平飞速度验证方式主要有以下三种：理论经验公式、计算仿真和实飞验证。其中最直接、最有效的手段是实飞验证。通过在无人机内部安装位置传感器（含经度、纬度、高度信息），能够实时记录无人机位置信息，利用飞行一段时间内的航程除以时间的基本原理，可以得到最大平飞速度。
同时，风对无人机飞行速度会产生影响，特别是低速无人机，尤为明显。一方面，遭遇逆风，无人机速度小；遭遇顺风，无人机速度大；正逆风和正顺风影响最大；另一方面，绝大多数低速无人机活动的区域在大气对流层，不可避免的会遭遇到风，且不依赖探空气球等手段的情况下大气风难以实时预测。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，对于低速无人机，通过实飞验证，在风客观存在的情况下，利用无人机自身数据解算大气风，并解算起始时刻和终止时刻之间的距离，以及利用距离除以时间得到最大平飞速度的基本原理，通过科学合理的试飞规划，得到试飞无人机准确的最大平飞速度数据。
本发明公开了一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，其包括：
确定无人机的起飞构型状态和起飞重量；
求取无人机最大平飞速度测试高度对应的风速、风向，无人机根据该风向确定飞行方向；其中，往返飞行求平均的情况下，以最大平飞速度飞行的方向与该风向平行；
无人机进行往程飞行，求取往程最大平飞速度；无人机盘旋掉头，进行返程飞行，求取返程最大平飞速度；
往程最大平飞速度和返程最大平飞速度的平均值为实际测得的最大平飞速度，根据实际测得的最大平飞速度和预设最大平飞速度指标，判断是否满足最大平飞速度指标。
进一步地，所述求取无人机最大平飞速度测试高度对应的风速、风向，包括：
通过第一转换矩阵将风轴系下的飞行真空速转换为体轴系下的速度/>；
通过第二转换矩阵将体轴系下的速度转换为地轴系下的速度/>；
基于得到的速度，求取风的大小和方向。
进一步地，所述第一转换矩阵为：
所述第二转换矩阵为：
其中，为第一转换矩阵，/>为第二转换矩阵，无人机最大平飞速度测试高度飞行对应的迎角为/>、侧滑角为/>、俯仰角为/>、滚转角为/>、航向角为/>。
进一步地，所述求取风的大小和方向，包括：
求取风的大小，将其分解为东向风速/>、北向风速/>、天向风速/>；
其中，预设的飞行地速分解为东向地速/>、北向地速/>、天向地速/>；
求取风的方向：
。
进一步地，无人机调整好状态后，发动机由巡航状态推至最大连续功率状态，加速至最大平飞速度并稳定后，计时开始，无人机保持水平、直线、定高、无侧滑飞行，直至最大平飞速度测试采样时间T结束，发动机可恢复至巡航状态。
进一步地，所述无人机进行往程飞行，求取往程最大平飞速度，包括：
根据预设的无人机往程起始时刻的经度、纬度/>、高度/>，无人机往程终止时刻的经度/>、纬度/>、高度/>，得到往程经度方向的距离/>和往程纬度方向的距离/>；
根据所述往程经度方向的距离和所述往程纬度方向的距离/>，得到往程水平距离/>；
基于往程水平距离和最大平飞速度测试采样时间T，得到往程最大平飞速度。
进一步地，所述往程经度方向的距离为：
所述往程纬度方向的距离为：
所述往程水平距离为：
所述往程最大平飞速度为：
其中，无人机调整好状态后，发动机由巡航状态推至最大连续功率状态，加速至最大平飞速度并稳定后，计时开始，无人机保持水平、直线、定高、无侧滑飞行，直至最大平飞速度测试采样时间T结束，发动机可恢复至巡航状态。
进一步地，所述无人机盘旋掉头，进行返程飞行，求取返程最大平飞速度，包括：
根据无人机返程起始时刻的经度、纬度/>、高度/>，无人机返程终止时刻的经度/>、纬度/>、高度/>，得到返程经度方向的距离/>和返程纬度方向的距离/>；
根据所述返程经度方向的距离和所述返程纬度方向的距离/>，得到返程水平距离/>；
根据返程最大平飞速度和最大平飞速度测试采样时间T，得到返程最大平飞速度。
进一步地，所述往程最大平飞速度和返程最大平飞速度的平均值为实际测得的最大平飞速度，根据实际测得的最大平飞速度和预设最大平飞速度指标，判断是否满足最大平飞速度指标，包括：
求取实际测得的最大平飞速度：
其中，为往程最大平飞速度，/>为返程最大平飞速度；
若实际测得的最大平飞速度大于或等于最大平飞速度指标/>，即
则满足最大平飞速度指标要求；否则不满足最大平飞速度指标要求。
进一步地，所述求取返程最大平飞速度之后，还包括：
无人机下滑着陆，无人机着陆后称重。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1.一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，基于实飞验证，通过顺逆风方向往返飞行求平均的方法消除大气风对最大平飞速度的影响，数据准确可用；
2.一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，明确了起飞加油量，规划了试飞全过程，对实飞最大平飞速度过程提出约束，并提出无人机最大平飞速度指标是否达标的条件，过程完整，条件清晰，判据可行；
3.一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，可实时解算大气风的大小和方向，为无人机开展最大平飞速度的飞行方向提供支撑；
4.一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，通过位置传感器（含经度、纬度、高度信息）可解算起始时刻和终止时刻之间的距离，利用距离除以时间得到最大平飞速度的基本原理，为无人机求取最大平飞速度提供方法支撑；
5.一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，提出了顺逆风方向往返飞行对最大平飞速度最有利，并且无人机应保持水平、直线、定高、无侧滑飞行的试飞方法，综合保证了最大平飞速度的最大化；
6.一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，适用于低速无人机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的最大平飞速度飞行剖面示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
参见图1，本发明提供了一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法的实施例，本实施例中已知的参数包括：
a)无人机最大平飞速度测试高度对应的飞行真空速、飞行地速/>（可分解为东向地速/>、北向地速/>、天向地速/>），单位均为：千米/小时；
b)无人机最大平飞速度测试高度飞行对应的迎角、侧滑角/>、俯仰角/>、滚转角、航向角/>，单位均为：度；
c)无人机一次最大平飞速度测试采样时间T，等于终止时刻与起始时刻之差，往返两次数值均相同，单位：分钟；
d)无人机往程起始时刻的经度、纬度/>、高度/>，单位分别为：度、度、米；
e)无人机往程终止时刻的经度、纬度/>、高度/>，单位分别为：度、度、米；
f)无人机返程起始时刻的经度、纬度/>、高度/>，单位分别为：度、度、米；
g)无人机返程终止时刻的经度、纬度/>、高度/>，单位分别为：度、度、米；
h)无人机最大平飞速度指标，单位：千米/小时。
具体地，本实施例包括以下步骤：
S1：按设计要求或者用户规定，确定起飞构型状态和起飞重量。
对于无人机构型而言，基于任务需求，不同的构型对应不同的任务载荷设备，一般含多种构型，需要提前确认起飞前的构型状态，或基于设计要求，或基于用户规定。
不同的构型和重量，最大平飞速度数据有一定差异。例如：无外挂构型，1000千克，最大平飞速度200千米/小时；外挂构型，1200千克，最大平飞速度160千米/小时。
最大平飞速度对于起飞重量的设计要求主要有：满油起飞或者半油以上起飞等；最大平飞速度对于起飞重量的用户规定主要有：半油以上起飞、最大平飞速度测试时半油以上或者着陆半油以上等。
S2：无人机经历起飞滑跑、离地、爬升至最大平飞速度测试高度，该高度为有利最大平飞速度的高度或者用户规定。参见图2所示。
S3：求取无人机最大平飞速度测试高度对应的风速、风向/>，单位分别为：千米/小时、度。
该步骤需要提前写入无人机飞行管理系统内部软件，实时解算。
S3.1：坐标轴转换：将风轴系速度飞行真空速向体轴系转换为/>，单位：千米/小时；
转换矩阵为
S3.2：坐标轴转换：将体轴系速度向地轴系转换为/>，单位：千米/小时；
转换矩阵为
S3.3：求取风的大小和方向
求取风的大小，可分解为东向风速/>、北向风速/>、天向风速/>，单位均为：千米/小时。
求取风的方向，单位：度。风吹向正北方向定义为0°，顺时针分别表示90°（正东）、180°（正南）、270°（正西）。
S4：无人机根据风向确定飞行方向；往返飞行求平均的情况下，该飞行方向与无人机最大平飞速度测试高度对应的风向平行。
以下为原理分析：
S4.1：正顺逆风往返飞行情况：以往程顺风，返程逆风为例（反之不影响结果）：
S4.2：侧风往返飞行情况：
S4.3：在大气风客观存在的情况下：
结论：
S5：无人机开展往程飞行，求取往程最大平飞速度，单位：千米/小时。
该步骤可提前写入无人机飞行管理系统内部软件实时解算或者飞行结束后对飞行数据进行再处理。
无人机调整好状态后，发动机由巡航状态推至最大连续功率状态，加速至最大平飞速度并稳定后，计时开始，无人机保持水平、直线、定高、无侧滑飞行（曲线飞行，距离会变短；带侧滑飞行，阻力会大），直至最大平飞速度测试采样时间T结束，发动机可恢复至巡航状态。
S5.1：求取往程经度方向的距离，单位：千米：
S5.2：求取往程纬度方向的距离，单位：千米：
S5.3：求取往程水平距离，单位：千米：
S5.4：求取往程最大平飞速度，单位：千米/小时：
S6：无人机盘旋掉头，开展返程飞行，求取返程最大平飞速度，单位：千米/小时。
该步骤可提前写入无人机飞行管理系统内部软件实时解算或者飞行结束后对飞行数据进行再处理。
无人机调整好状态后，发动机由巡航状态推至最大连续功率状态，加速至最大平飞速度并稳定后，计时开始，无人机保持水平、直线、定高、无侧滑飞行（曲线飞行，距离会变短；带侧滑飞行，阻力会大），直至最大平飞速度测试采样时间T结束，发动机可恢复至巡航状态。
S6.1：求取返程经度方向的距离，单位：千米：
S6.2：求取返程纬度方向的距离，单位：千米：
S6.3：求取返程水平距离，单位：千米：
S6.4：求取返程最大平飞速度，单位：千米/小时：
S7：求取实际测得的最大平飞速度，单位：千米/小时。
该步骤可提前写入无人机飞行管理系统内部软件实时结算或者飞行结束后对飞行数据进行再处理。
S8：无人机下滑着陆；
S9：无人机着陆后称重；
该步骤可以用于满足用户可能对着陆重量有规定的要求。
S10：最大平飞速度指标符合性判据：
若实际测得的最大平飞速度大于等于最大平飞速度指标/>，即
则满足指标要求；否则不满足指标要求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低速无人机验证最大平飞速度指标的试飞规划方法，其特征在于，包括：
确定无人机的起飞构型状态和起飞重量；
求取无人机最大平飞速度测试高度对应的风速、风向，无人机根据该风向确定飞行方向；其中，往返飞行求平均的情况下，以最大平飞速度飞行的方向与该风向平行；
无人机进行往程飞行，求取往程最大平飞速度；无人机盘旋掉头，进行返程飞行，求取返程最大平飞速度；
往程最大平飞速度和返程最大平飞速度的平均值为实际测得的最大平飞速度，根据实际测得的最大平飞速度和预设最大平飞速度指标，判断是否满足最大平飞速度指标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求取无人机最大平飞速度测试高度对应的风速、风向，包括：
通过第一转换矩阵将风轴系下的飞行真空速转换为体轴系下的速度/>；
通过第二转换矩阵将体轴系下的速度转换为地轴系下的速度/>；
基于得到的速度，求取风的大小和方向。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一转换矩阵为：
所述第二转换矩阵为：
其中，为第一转换矩阵，/>为第二转换矩阵，无人机最大平飞速度测试高度飞行对应的迎角为/>、侧滑角为/>、俯仰角为/>、滚转角为/>、航向角为/>。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述求取风的大小和方向，包括：
求取风的大小，将其分解为东向风速/>、北向风速/>、天向风速/>；
其中，预设的飞行地速分解为东向地速/>、北向地速/>、天向地速/>；
求取风的方向：
。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无人机调整好状态后，发动机由巡航状态推至最大连续功率状态，加速至最大平飞速度并稳定后，计时开始，无人机保持水平、直线、定高、无侧滑飞行，直至最大平飞速度测试采样时间T结束，发动机可恢复至巡航状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述无人机进行往程飞行，求取往程最大平飞速度，包括：
根据预设的无人机往程起始时刻的经度、纬度/>、高度/>，无人机往程终止时刻的经度/>、纬度/>、高度/>，得到往程经度方向的距离/>和往程纬度方向的距离/>；
根据所述往程经度方向的距离和所述往程纬度方向的距离/>，得到往程水平距离/>；
基于往程水平距离和最大平飞速度测试采样时间T，得到往程最大平飞速度/>。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述往程经度方向的距离为：
所述往程纬度方向的距离为：
所述往程水平距离为：
所述往程最大平飞速度为：
其中，无人机调整好状态后，发动机由巡航状态推至最大连续功率状态，加速至最大平飞速度并稳定后，计时开始，无人机保持水平、直线、定高、无侧滑飞行，直至最大平飞速度测试采样时间T结束，发动机可恢复至巡航状态。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述无人机盘旋掉头，进行返程飞行，求取返程最大平飞速度，包括：
根据无人机返程起始时刻的经度、纬度/>、高度/>，无人机返程终止时刻的经度/>、纬度/>、高度/>，得到返程经度方向的距离/>和返程纬度方向的距离；
根据所述返程经度方向的距离和所述返程纬度方向的距离/>，得到返程水平距离/>；
根据返程最大平飞速度和最大平飞速度测试采样时间T，得到返程最大平飞速度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述往程最大平飞速度和返程最大平飞速度的平均值为实际测得的最大平飞速度，根据实际测得的最大平飞速度和预设最大平飞速度指标，判断是否满足最大平飞速度指标，包括：
求取实际测得的最大平飞速度：
其中，为往程最大平飞速度，/>为返程最大平飞速度；
若实际测得的最大平飞速度大于或等于最大平飞速度指标/>，即
则满足最大平飞速度指标要求；否则不满足最大平飞速度指标要求。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求取返程最大平飞速度之后，还包括：
无人机下滑着陆，无人机着陆后称重。
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