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一種四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法
【專利摘要】本發明公開了一種四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法，屬于組合導航與自主導航領域。本發明利用四旋翼飛行器的氣動模型，與其機載傳感器相結合，對其速度、位置信息進行估計。在本發明中，采用的氣動模型參數包括旋翼半徑、空氣密度、旋翼實度、升力斜率、阻力系數、旋翼安裝角，采用的機載傳感器信息包括旋翼轉速、加速度、角速度、姿態、高度。該方法無需增加任何外部設備，可以提高四旋翼飛行器在無GNSS（衛星導航系統）飛行時的速度、位置估計精度，具有成本低、零載重、自主性強等特點。
【專利說明】一種四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法【技術領域】
[0001]本發明屬于組合導航與自主導航領域，具體涉及一種四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法。
【背景技術】
[0002]四旋翼飛行器具有體積小、結構簡單、可懸停和垂直起降等優點，特別適合在近地面環境(如室內、城區和叢林等)中執行監視、偵察等任務，具有廣闊的軍事和民用前景。導航系統為四旋翼飛行器提供其飛行控制系統所必須的導航信息，是其完成各種復雜飛行任務的必要保障。
[0003]受四旋翼飛行器體積、載重、成本所限，其通常選用低成本、小型化的低精度機載導航傳感器。目前四旋翼飛行器常用的導航方案包含慣性傳感器、衛星導航系統、磁傳感器以及氣壓高度計:其中慣性傳感器與磁傳感器組成航姿系統，可提供姿態信息；慣性傳感器與衛星導航系統進行信息融合，可提供速度與位置信息；氣壓高度計用以修正高度信息。
[0004]由于衛星導航需要接收外界無線電信號，在一些特殊情況下會受到人為或自然干擾(例如室內飛行時)，此時其速度、位置信息僅由慣性傳感器解算得到。當四旋翼飛行器的衛星導航系統不 可用時，慣性傳感器在解算速度、位置信息時采用推算算法，且四旋翼飛行器采用的慣性傳感器精度通常較低，致使其誤差隨時間快速發散，難以保證其定位需求。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是:提供一種四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法，通過采用氣動模型參數作為輔助參數，與其機載傳感器相結合，計算四旋翼飛行器機體系下的速度，進一步計算導航系下的速度，提高了計算精度，解決了四旋翼飛行器在衛星導航系統不可用時的自主測速、定位不精確的問題。
[0006]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0007]—種四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法，包括如下步驟:
[0008]步驟一:周期讀取k時刻四旋翼飛行器機載傳感器信息，并計算k時刻四旋翼飛行
器機體系下的Z軸的速度GLt，然后，構建卡爾曼濾波器計算P,,的在線補償參數，計算補償后的機體系下的z軸的速度0fci—；
[0009]步驟二:按照如下公式計算k時刻四旋翼飛行器機體系下的速度Vbk:
[0010]v\ = [Vnbbxk V:M Vbnkk ]，其中，Vbnbxk、Vbnbyk分別為k時刻四旋翼飛行器速度
在機體系下的X軸分量及Y軸分量；Kbxk、Kirk按照如下公式計算:V^nk = Fhxk / ka2rl，
Vi / = FbykIkalvk，其中Fbxk、Fbyk為k時刻機體系下四旋翼飛行器的水平方向氣動力矢量Fbk在X、Y軸的分量，ka2vk為k時刻四旋翼飛行器的第一氣動參數；Fbk按照如下公式計算:[0011]Fbk = ,Ulfhk -C (24，其中m為四旋翼飛行器質量，fbk為k時刻
三軸加速度的矢量表示，Ct為四旋翼飛行器k時刻導航系到機體系的坐標轉換矩陣，mlk
為k時刻地球自轉角速度矢量在導航系下的投影，為k時刻導航系相對于地球系的角
速度矢量在導航系下的投影，VV1為四旋翼飛行器k-Ι時刻導航系下的速度；
[0012]ka2vk按照如下公式計算:
【權利要求】
1.一種四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一:周期讀取k時刻四旋翼飛行器機載傳感器信息，并計算k時刻四旋翼飛行器機體系下Z軸的速度^fci—，然后，構建卡爾曼濾波器計算Kb±的在線補償參數，計算補償后的機體系下z軸的速度; 步驟二:按照如下公式計算k時刻四旋翼飛行器機體系下的速度Vbk: K = [VL KL KL ]，其中，Kxk、ViIk分別為k時刻四旋翼飛行器速度在機體系下的X軸分量及Y軸分量；Kxk、νχ,按照如下公式計算:v:bxk = Fbxk / ka2rk,yLb, = FhvkIKi'*，其中Fbxk、Fbyk為k時刻機體系下四旋翼飛行器的水平方向氣動力矢量Fbk在X、Y軸的分量，ka2vk為k時刻四旋翼飛行器的第一氣動參數；Fbk按照如下公式計算:
2.根據權利要求1所述的四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法，其特征在于，采用如下公式計算k時刻四旋翼飛行器機體系下的Z軸的速度Ki1:
3.根據權利要求1所述的四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法，其特征在于，計算卡爾曼濾波器對的在線補償參數采用如下方法: (a)計算k時刻卡爾曼濾波器一步預測均方誤差Pkllrl
4.根據權利要求1所述的四旋翼飛行器的氣動模型輔助導航方法，其特征在于，采用如下公 式計算補償后的機體系下的Z軸的速度^1+:
【文檔編號】G01C21/20GK103837151SQ201410079513
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】呂品, 賴際舟, 劉建業, 宋亦凡, 張玲, 賈文峰 申請人:南京航空航天大學