一种四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法
【专利摘要】本发明公开了一种四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法，属于组合导航与自主导航领域。本发明利用四旋翼飞行器的气动模型，与其机载传感器相结合，对其速度、位置信息进行估计。在本发明中，采用的气动模型参数包括旋翼半径、空气密度、旋翼实度、升力斜率、阻力系数、旋翼安装角，采用的机载传感器信息包括旋翼转速、加速度、角速度、姿态、高度。该方法无需增加任何外部设备，可以提高四旋翼飞行器在无GNSS（卫星导航系统）飞行时的速度、位置估计精度，具有成本低、零载重、自主性强等特点。
【专利说明】一种四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法【技术领域】
[0001]本发明属于组合导航与自主导航领域，具体涉及一种四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法。
【背景技术】
[0002]四旋翼飞行器具有体积小、结构简单、可悬停和垂直起降等优点，特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等)中执行监视、侦察等任务，具有广阔的军事和民用前景。导航系统为四旋翼飞行器提供其飞行控制系统所必须的导航信息，是其完成各种复杂飞行任务的必要保障。
[0003]受四旋翼飞行器体积、载重、成本所限，其通常选用低成本、小型化的低精度机载导航传感器。目前四旋翼飞行器常用的导航方案包含惯性传感器、卫星导航系统、磁传感器以及气压高度计:其中惯性传感器与磁传感器组成航姿系统，可提供姿态信息；惯性传感器与卫星导航系统进行信息融合，可提供速度与位置信息；气压高度计用以修正高度信息。
[0004]由于卫星导航需要接收外界无线电信号，在一些特殊情况下会受到人为或自然干扰(例如室内飞行时)，此时其速度、位置信息仅由惯性传感器解算得到。当四旋翼飞行器的卫星导航系统不 可用时，惯性传感器在解算速度、位置信息时采用推算算法，且四旋翼飞行器采用的惯性传感器精度通常较低，致使其误差随时间快速发散，难以保证其定位需求。

【发明内容】

[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供一种四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法，通过采用气动模型参数作为辅助参数，与其机载传感器相结合，计算四旋翼飞行器机体系下的速度，进一步计算导航系下的速度，提高了计算精度，解决了四旋翼飞行器在卫星导航系统不可用时的自主测速、定位不精确的问题。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0007]—种四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法，包括如下步骤:
[0008]步骤一:周期读取k时刻四旋翼飞行器机载传感器信息，并计算k时刻四旋翼飞行
器机体系下的Z轴的速度GLt，然后，构建卡尔曼滤波器计算P,,的在线补偿参数，计算补偿后的机体系下的z轴的速度0fci—；
[0009]步骤二:按照如下公式计算k时刻四旋翼飞行器机体系下的速度Vbk:
[0010]v\ = [Vnbbxk V:M Vbnkk ]，其中，Vbnbxk、Vbnbyk分别为k时刻四旋翼飞行器速度
在机体系下的X轴分量及Y轴分量；Kbxk、Kirk按照如下公式计算:V^nk = Fhxk / ka2rl，
Vi / = FbykIkalvk，其中Fbxk、Fbyk为k时刻机体系下四旋翼飞行器的水平方向气动力矢量Fbk在X、Y轴的分量，ka2vk为k时刻四旋翼飞行器的第一气动参数；Fbk按照如下公式计算:[0011]Fbk = ,Ulfhk -C (24，其中m为四旋翼飞行器质量，fbk为k时刻
三轴加速度的矢量表示，Ct为四旋翼飞行器k时刻导航系到机体系的坐标转换矩阵，mlk
为k时刻地球自转角速度矢量在导航系下的投影，为k时刻导航系相对于地球系的角
速度矢量在导航系下的投影，VV1为四旋翼飞行器k-Ι时刻导航系下的速度；
[0012]ka2vk按照如下公式计算:
【权利要求】
1.一种四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:周期读取k时刻四旋翼飞行器机载传感器信息，并计算k时刻四旋翼飞行器机体系下Z轴的速度^fci—，然后，构建卡尔曼滤波器计算Kb±的在线补偿参数，计算补偿后的机体系下z轴的速度; 步骤二:按照如下公式计算k时刻四旋翼飞行器机体系下的速度Vbk: K = [VL KL KL ]，其中，Kxk、ViIk分别为k时刻四旋翼飞行器速度在机体系下的X轴分量及Y轴分量；Kxk、νχ,按照如下公式计算:v:bxk = Fbxk / ka2rk,yLb, = FhvkIKi'*，其中Fbxk、Fbyk为k时刻机体系下四旋翼飞行器的水平方向气动力矢量Fbk在X、Y轴的分量，ka2vk为k时刻四旋翼飞行器的第一气动参数；Fbk按照如下公式计算:
2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法，其特征在于，采用如下公式计算k时刻四旋翼飞行器机体系下的Z轴的速度Ki1:
3.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法，其特征在于，计算卡尔曼滤波器对的在线补偿参数采用如下方法: (a)计算k时刻卡尔曼滤波器一步预测均方误差Pkllrl
4.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器的气动模型辅助导航方法，其特征在于，采用如下公 式计算补偿后的机体系下的Z轴的速度^1+:
【文档编号】G01C21/20GK103837151SQ201410079513
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】吕品, 赖际舟, 刘建业, 宋亦凡, 张玲, 贾文峰 申请人:南京航空航天大学