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专利号: 2025101074068
申请人: 苏州博枫智能科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:授权未缴费
更新日期:2025-08-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,飞行状态分析方法步骤为:在无人飞行器关键部位部署多类传感器,实时采集飞行时的加速度、角速度和气压数据,所述传感器包括:加速度传感器、陀螺仪和气压传感器;

对传感器进行静态和动态校准,运用四元数法处理陀螺仪数据,然后利用数据融合算法处理加速度数据,使用陀螺仪数据矫正加速度速度数据;

结合处理后的信息对高度测量进行补偿,利用磁力计数据修正航向并考虑磁场干扰;

对GPS定位和空速数据进行综合分析评估精度,并考虑环境影响修正空速测量误差;

依据计算得出的飞行状态,分析飞行器受力情况,包括空气动力及合力、合力矩;

实时监测飞行状态数据,诊断故障,运用控制算法优化飞行控制。

2.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,部署多类传感器,实时采集飞行时的加速度、角速度和气压数据具体包括:无人飞行器的下方部署有距离传感器,所述距离传感器包括:第一传感器和第二传感器,第二传感器与第一传感器呈3~5度夹角ω且控制其实时朝向前进方向;

所述第一传感器测量飞行器与垂直下方的接触物距离为L1;

所述第二传感器测量飞行器与即将前进方向的接触物距离为L2;

第二传感器与第一传感器呈3~5度夹角ω且控制其实时朝向前进方向;第二传感器与第一传感器呈3~5度夹角ω且控制其实时朝向前进方向;

通过计算未来地形变化趋势完成飞行控制,其中,未来地形变化趋势计算公式为:DX=L2*cosω/L1

式中,DX表示未来地形变化趋势。

加速度传感器测量飞行器在三个轴向(x,y,2)的加速度,依据牛顿第二定律:F=ma

式中,F表示合力,m表示飞行器质量,a表示加速度,通过测量得到的加速度数据可计算飞行器所受合力;

陀螺仪测量飞行器绕三个轴的角速度,根据角速度积分得到角度变化,确定飞行器的姿态;

气压传感器测量飞行高度,根据标准大气公式:

h=(P0‑P气)/(ρg)

式中,h表示高度,P0表示海平面气压,P气表示当前气压,ρ表示空气密度,g表示重力加速度,获取飞行器的高度信息;

GPS定位传感器获取飞行器的位置信息,通过连续的位置数据计算飞行速度和轨迹;

空速传感器测量飞行器相对于周围空气的速度,磁力计测量地磁场方向,辅助确定飞行器的航向;

温度传感器测量飞行环境的温度,结合飞行状态,通过理想气体状态方程,分析发动机性能及其他部件的工作环境,其中理想气体状态方程表达式为:P压V体=n物R气T温

式中,P压表示压强,V体表示体积,n物表示物质的量,R气表示气体常数,T温表示温度;

通过对上述传感器数据的实时采集和综合分析,准确判断无人飞行器的飞行状态,包括飞行速度、高度、姿态、航向、飞行轨迹、受力情况。

3.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,对传感器进行静态和动态校准具体包括:静态校准时,将飞行器置于水平静止状态,记录加速度传感器的输出,根据重力加速度的已知值,对传感器的零偏和比例因子进行调整,使其在该状态下的输出符合预期;

动态校准时,让飞行器进行已知动力学状态的飞行运动,对比理论计算的加速度和传感器测量的加速度,进一步调整传感器的性能参数,所述已知动力学状态的飞行运动包括:匀速直线运动和圆周运动;

采用多轴加速度传感器,通过数据融合算法对不同轴的加速度数据进行处理,以消除误差和噪声,确保测量的加速度数据能精确反映飞行器的实际受力情况:设测量得到的加速度数据分别为a1、a2、a3,权重分别为w1、w2、w3,则融合后的加速度为:a=w1a1+w2a2+w3a3

式中,a表示融合后的加速度。

4.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,利用四元数法处理陀螺仪数据具体方法为:设四元数为q=[q0,q1,q2,q3],初始四元数根据飞行器的初始姿态确定;

在飞行过程中,根据陀螺仪测量的角速度ω=[ω1,ω2,ω3],利用四元数更新公式,实时更新飞行器的姿态四元数:q′=0.5*q×ω

式中,×表示四元数乘法,q′表示更新后的姿态四元数;

通过四元数转换为欧拉角公式,将四元数转换为俯仰角、滚转角和偏航角,以直观地表示飞行器的姿态;

为了避免陀螺仪的积分漂移,结合磁力计的数据进行修正,当磁力计测量到地磁场的方向时,根据飞行器的姿态四元数和已知的地磁场方向,建立误差方程,使用梯度下降算法对姿态四元数进行优化,确保姿态测量的准确性和长期稳定性。

5.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,结合处理后的信息对高度测量进行补偿具体包括:根据湿空气状态方程通过湿度和温度的测量,计算出湿空气密度,对气压传感器的高度测量公式进行修正,得到更准确的飞行高度信息,其中湿空气状态方程公式为:P湿=ρ湿RdT湿(1+1.609ω湿)

式中,P湿表示湿空气的压强,ρ湿表示湿空气的密度,Rd表示干空气的气体常数,T湿表示湿空气的热力学温度,ω湿表示湿度。

6.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,对GPS信号的精度进行评估具体包括:使用GPS接收机接收来自多颗卫星的信号,并获取各卫星在空间的分布信息;

基于获取各卫星在空间的分布信息,分析GPS信号的卫星分布因素,评估GPS定位的精度,其中,评估GPS定位的精度的方法为:设卫星在空间直角坐标系中的坐标为(xi,yi,zi)(i=1,2,…,n),接收机的近似坐标为(x0,y0,z0),则单位权中误差为σ0,定位误差的协方差矩阵为:式中,Q表示协方差矩阵,H表示观测矩阵,其中H观测矩阵表达式为:H观测矩阵表达式中,di表示接收机到第i颗卫星的距离,其中,di的计算公式为:几何精度因子为 式中,tr(Q)表示协方差矩阵Q的迹;

当几何精度因子小于3时,定位精度高;当几何精度因子大于6时,定位精度差。

7.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,对空速数据进行综合分析评估精度,并考虑环境影响修正空速测量误差具体包括:对于空速传感器,除了测量飞行器的空速外,考虑空气密度和温度的影响;根据伯努利方程的变形结合气压传感器和温度传感器的数据,计算出准确的空速,其中,空速的计算公式为V=sqrt(2(P0‑P)/ρ)

V空=sqrt(2(P总‑P静)/ρ)

式中,V空表示空速,P总表示总压,P静表示静压;

通过风洞实验获取空速传感器在不同空速下的校准曲线,在飞行过程中根据当前空速对测量结果进行校准。

8.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,依据计算得出的飞行状态,分析飞行器受力情况具体包括:计算无人飞行器的升力和阻力,得到飞行器在飞行中的净空气动力,其中,升力计算公式为:2

L=0.5ρVSCL

式中,L表示无人飞行器的升力,S表示机翼面积,CL表示升力系数,升力系数通过风洞实验确定;

其中,阻力计算公式为:

2

D=0.5ρVSCD

式中,D表示无人飞行器的阻力,CD为阻力系数;

通过测量飞行器的姿态、速度、机翼面积,根据飞行器的动力系统参数,计算飞行器的合力和合力矩,所述动力参数包括:发动机推力和螺旋桨产生的推力,结合牛顿定律分析飞行器的动力学性能,判断是否存在异常受力情况,所述异常受力情况包括:尾旋和失速。

9.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,实时监测飞行状态数据,诊断故障具体包括:设定各项数据的正常范围,飞行速度的正常范围为[Vmin,Vmax],加速度的正常范围为[amin,amax];

当数据超出正常范围时,根据异常数据的类型和程度判断可能的故障原因,采用故障树分析方法,构建以飞行状态异常为顶事件,以各个部件和系统故障为底事件的故障树,通过对异常数据的分析和逻辑推理,确定故障的来源和可能的传播路径,同时存储故障信息并发出相应的故障警报,提醒操作人员采取相应的维修或调整措施,根据所述故障的来源,确定故障恢复策略,所述故障恢复策略包括:若故障的来源为器件故障,则发送返修厂商信息至用户,所述器件故障包括但不限于:旋翼故障、电池故障和电机故障;

若故障的来源为交互故障,则发送指示信息至用户,所述交互故障包括但不限于:软件交互故障、软硬件交互故障和系统交互故障,所述指示信息为无人机返航后进行关机重启处理。

10.根据权利要求1所述的一种无人飞行器飞行状态分析方法,其特征在于,运用控制算法优化飞行控制具体包括:根据飞行状态分析得到的飞行器性能数据,所述飞行器性能数据包括:飞行速度、姿态、受力情况;

通过控制算法调整飞行器的控制面和动力系统;

对于控制面的调整,采用比例-积分‑微分控制算法:e=r‑y

式中,e表示误差,r表示目标值,y表示实际测量值;

控制输出为:

u=Kp*e+Ki*∫edt+Kd*de/dt式中,Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分系数;

根据飞行状态的变化实时调整这些系数,实现对飞行器姿态和轨迹的精确控制;

对于动力系统的控制,根据飞行状态的分析结果,所述分析结果包括但不限于:速度偏差、高度偏差,调整发动机的油门或电机的转速,以达到最佳的飞行性能和能源利用效率。