[发明专利]无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法

权利要求书

1.一种无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，无人机包括机翼(1)、副翼(2)、螺旋桨(6)和机体(7)，两组所述机翼(1)的一端分别固定连接在所述机体(7)的两侧，所述螺旋桨(6)和所述副翼(2)分别固定在所述机翼(1)上；建立机体系，设所述机体系的原点为所述无人机的质心，无人机的对称轴所在的平面穿过质心并平行于所述机体，所述机体系的x轴在所述对称平面内并指向机头，所述机体系的y轴垂直于所述对称平面，所述机体系的z轴在所述对称平面内，与x轴垂直并指向所述机体下方；建立惯性系，设所述惯性系的原点为无人机飞行航线的起飞点，所述惯性系的x_e轴在水平面内指向北方，所述惯性系的z_e垂直于地面并指向地心，所述惯性系的y_e在水平面内垂直于x_e轴；其特征在于，包括如下步骤：

S1、控制所述无人机悬停；

S2、通过GPS测量地面速度矢量与无人机飞行姿态的方向余弦阵对风速矢量估计值进行计算；

S3、计算所述风速矢量估计值与y轴之间的夹角，风速矢量估计值通过方向余弦阵在机体系中表示为：

^bW＝R_be^eW (12)

式中，^eW为所述风速矢量估计值；^bW为所述风速矢量估计值通过方向余弦阵在机体系中的表示；R_eb为由惯性系旋转到机体系的方向余弦阵；

y轴表示为[0 1 0]^T，则y轴与风速矢量估计值的夹角η为：

式中，W＝[^bW_x^bW_y^bW_z]^T，^bW_x为风速矢量估计值通过方向余弦阵在x轴中的表示；^bW_y为风速矢量估计值通过方向余弦阵在y轴中的表示；^bW_z为风速矢量估计值通过方向余弦阵在z轴中的表示；

S4、控制无人机偏航，当时，则表明无人机的侧面处于迎风面，无人机正常进行垂直起降运动。

2.如权利要求1所述的无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21、所述地面速度矢量为在惯性系下表示的空速矢量和在惯性系下的风速矢量之和，表示为：

V_e＝^eV_a+^eW (1)

在预定时间内测量两次地面速度矢量与空速矢量并做差，可得出风速矢量估计值表示式，表示为：

S22、计算地面速度矢量与空速矢量，将计算后的结果带入到式(2)中，得到风速矢量估计值。

3.如权利要求2所述的无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，其特征在于，步骤S22具体包括：

S221、计算空速矢量，所述空速矢量在惯性坐标系下的表示：

式中，y为空速的大小；R_eb为由机体系旋转到惯性系的方向余弦阵，表示机体系到惯性系的旋转矩阵；

所述空速矢量表示为：

进一步表示为：

式中，^eF＝R_eb[1 0 0]^T为方向余弦阵的第一列或者机体系x轴的单位矢量在惯性坐标系下的表示；ψ为待消除的偏航误差；

对两次空速矢量和地面速度矢量做差，可以得到：

将(5)带入(6)得到：

对方程(7)两边同时取模运算，得出空速矢量：

S222、计算待消除的偏航误差，

由(7)和(8)可以得到：

由(9)计算出偏航误差：

将式(7)、(8)、(10)带入式(2)，计算出所述风速矢量估计值：

4.如权利要求1所述的无人机在垂直起降过程中抗侧风扰动方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

S41、无人机的偏航力矩方程为：

式中，S为螺旋桨(6)后方气流流过机翼(1)的面积；为与副翼(2)偏转相关的滚转控制导数；D为螺旋桨(6)的直径；为舵面偏转角度；K_T为螺旋桨(6)拉力系数；b为翼展；Ω_i为螺旋桨(6)的转速；

S42、无人机的偏航运动学方程为：

对偏航力矩方程和运动方程进行线性化，得到：

式中，δ_yaw为虚拟的偏航控制输入；而螺旋桨(6)转速为常数；大小表示为：

最后，偏航动力学表示为：

S43、外环动力学表示为：

ψ_des＝K_ηη (19)

S44、虚拟输入表示为：

δ_yaw＝k_p(k_ηη-ψ)+k_i∫(k_αα-ψ)dt-k_dr (20)

则舵面的偏转角度由虚拟输入得到：

偏航角度误差经过PID控制器控制舵面，进而控制无人机偏航，当时，表示y轴与风速矢量平行。