1.本发明涉及一种简单传感器配置下轻小型低成本无人机的气流角估计方法，属于航空技术领域。
背景技术：2.迎角和侧滑角统称为气流角，是影响飞行安全的重要飞行状态参数，其准确性和可靠性直接影响飞行控制系统、失速告警系统和飞行管理系统等一些重要机载系统的运行状态和性能。此外，迎角和侧滑角常被用作飞行控制中的反馈信号，不准确的迎角和侧滑角信息可能会导致严重的飞行事故。
3.对于配备大量传感器的大型飞机而言，大气数据系统(air data system,ads)或者嵌入式大气数据系统(flushair data system,fads)可以为机组提供准确的气流角信息。但由于成本和重量的限制，小型无人机上的传感器配置比较简单，一般不包括ads和fads。因此，对于传感器配置简单的轻小型低成本无人机而言，准确估计气流角对于保障其安全飞行至关重要。本发明就是在此背景下提出的，以轻小型低成本无人机为研究对象，在简单传感器配置下对迎角和侧滑角进行估计，对于提升控制系统的安全性和保障飞行安全具有重要意义。
技术实现要素：4.为解决轻小型低成本无人机在简单传感器配置下的气流角估计问题，本发明提出一种简单传感器配置下轻小型低成本无人机的气流角估计方法，利用惯性导航系统和空速管提供的测量信息，对气流角进行估计，保障飞行安全。
5.具体地，本发明提出的一种简单传感器配置下轻小型低成本无人机的气流角估计方法，其特征在于步骤如下：
6.步骤1：根据无人机配置的传感器测量结果计算航迹方位角χ。已知某无人机的传感器配置情况为：惯性导航系统、空速管；根据导航传感器的特性和功能，惯性导航系统能够测量位置信息(经纬高)、速度信息(东向速度ve、北向速度vn、垂直速度vu和地速vg)、姿态信息(俯仰角θ、滚转角φ和航向ψ)，空速管可以测量真空速va。则航迹方位角χ的计算公式为：
[0007][0008]
步骤2：计算航迹倾斜角γ，计算公式为：
[0009][0010]
步骤3：计算偏流角a
da
，计算公式为：
[0011][0012]
其中sgn(
·
)是符号函数。
[0013]
步骤4：计算惯性迎角αk和惯性侧滑角βk，具体为：
[0014]
步骤4.1：计算从航迹坐标系到机体坐标系的坐标变换矩阵计算方法为：
[0015][0016]
其中是从航迹坐标系到地面坐标系的旋转变换矩阵，是从地面坐标系到机体坐标系的旋转变换矩阵。
[0017]
步骤4.2：化简坐标变换矩阵由于一般情况下αk和βk都是小角度，满足
[0018][0019]
因此可以被化简为
[0020][0021]
步骤4.3：计算从航迹坐标系到地面坐标系的旋转变换矩阵计算方法为：
[0022][0023]
步骤4.4：计算从地面坐标系到机体坐标系的旋转变换矩阵计算方法为：
[0024][0025]
步骤4.5：结合步骤4.1、步骤4.3和步骤4.4，建立关系式：
[0026][0027]
步骤4.6：由于一般情况下(χ-ψ)和(θ-γ)都是小角度，满足
[0028][0029]
因此可对步骤4.5中的关系式进行化简，得到
[0030][0031]
步骤4.7：结合步骤4.2和步骤4.6，得到惯性迎角αk和惯性侧滑角βk[0032][0033]
步骤5：估计风速vw和风向aw，具体为：
[0034]
步骤5.1：根据风速三角的关系，利用惯性导航系统测量的地速vg、空速管测量的真空速va以及步骤3计算得到的偏流角a
da
计算风速，计算公式为：
[0035][0036]
步骤5.2：计算风向，计算公式为：
[0037][0038]
其中
[0039]aw
'＝χ+π+asgn(a
da
)
[0040]
a是一个辅助角，可以根据余弦定理计算，计算公式为
[0041][0042]
步骤6：估计气流角，即估计迎角α和侧滑角β，具体为：
[0043]
步骤6.1：计算风矢量在机体坐标系三轴上的分量uw,vw,ww，具体为：
[0044]
步骤6.1.1：将风矢量进行分解，得到东向风v
w,y
和北向风v
w,x
，计算公式为：
[0045][0046]
步骤6.1.2：风矢量是在地面坐标系下定义的，可以通过坐标变换矩阵将其变换到机体坐标系，进而得到uw,vw,ww，计算公式为：
[0047][0048]
步骤6.2：计算由风造成的迎角增量δα和侧滑角增量δβ，计算公式为：
[0049][0050]
步骤6.3：依据步骤4计算得到的惯性迎角αk和惯性侧滑角βk，以及步骤6.2计算得到的迎角增量δα和侧滑角增量δβ，估计气流角，即迎角α和侧滑角β，计算公式为：
[0051][0052]
本发明的有益效果在于：不同于现有基于卡尔曼滤波和基于人工智能的气流角估计方法，本发明从气流角的定义出发，给出了气流角的显示估计表达式，从形式上更简单明了；此外，本发明为简单传感器配置下的轻小型低成本无人机提供了一种气流角估计方法的同时不需要增加额外的机载传感器设备，在不增加成本和无人机重量的同时提升了安全性。
附图说明
[0053]
此部分提供的附图用来对本发明进行进一步解释，构成本技术的一部分，本发明的示意图及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0054]
图1坐标系变换示意图
[0055]
图2风速三角形在地面上的投影示意图
[0056]
图3水平风分解示意图
[0057]
图4航迹方位角
[0058]
图5航迹倾斜角
[0059]
图6偏流角
[0060]
图7惯性迎角和惯性侧滑角
[0061]
图8估计得到的风向和风速
[0062]
图9估计得到的气流角(迎角和侧滑角)
具体实施方式
[0063]
下文将结合附图详细解释本发明，需要说明的是参考附图是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0064]
问题描述：某轻小型低成本无人机的传感器配置情况为：惯性导航系统、空速管；工作场景为飞机保持定常平飞，飞行高度为500m，飞行速度为80m/s，飞机航向为45
°
；设置水平模态为航向保持模式，即飞机保持初始航向不变；仿真时间为100s，且在0-50s内，风速为3m/s，风向为60
°
，在50-100s内，风速为5m/s，风向为45
°
。
[0065]
具体解决方法为：
[0066]
步骤1：计算航迹方位角χ，惯性导航系统测量得到无人机东向速度ve、北向速度vn、垂直速度vu、地速vg、俯仰角θ、滚转角φ和航向ψ，空速管测量得到无人机的真空速va，航迹方位角χ的计算方法为结果如图4所示；
[0067]
步骤2：计算航迹倾斜角γ，计算方法为结果如图5所示；
[0068]
步骤3：计算偏流角a
da
，计算方法为其中sgn(
·
)是符号函数：结果如图6所示；
[0069]
步骤4：计算惯性迎角αk和惯性侧滑角βk，计算方法为结果如图7所示；
[0070]
步骤5：估计风速和风向，计算方法为
其中结果如图8所示；
[0071]
步骤6：估计迎角和侧滑角，即可得到气流角。计算方法为结果如图9所示，其中
[0072][0073]
按照以上步骤，对设置的仿真算例条件在matlab/simulink仿真环境下进行仿真，可得到如图4至图9所示仿真结果。从仿真结果可以看出，本发明提出的一种简单传感器配置下的轻小型低成本无人机的气流角估计方法能够对气流角(即迎角和侧滑角)进行准确的估计。当风向和风速发生变化时，产生的侧滑角最大估计误差为0.4
°
，迎角的最大估计误差仅为0.05
°
，能够满足控制系统对气流角的精度要求。
技术特征：1.一种简单传感器配置下轻小型低成本无人机的气流角估计方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：根据无人机配置的传感器测量结果计算航迹方位角χ；已知某无人机的传感器配置情况为：惯性导航系统、空速管；根据导航传感器的特性和功能，惯性导航系统能够测量位置信息(经纬高)、速度信息(东向速度v
e
、北向速度v
n
、垂直速度v
u
和地速v
g
)、姿态信息(俯仰角θ、滚转角φ和航向ψ)，空速管可以测量真空速v
a
；则航迹方位角χ的计算公式为：步骤2：计算航迹倾斜角γ，计算公式为：步骤3：计算偏流角a
da
，计算公式为：其中sgn(
·
)是符号函数；步骤4：计算惯性迎角α
k
和惯性侧滑角β
k
，具体为：步骤4.1：计算从航迹坐标系到机体坐标系的坐标变换矩阵计算方法为：其中是从航迹坐标系到地面坐标系的旋转变换矩阵，是从地面坐标系到机体坐标系的旋转变换矩阵；步骤4.2：化简坐标变换矩阵由于一般情况下α
k
和β
k
都是小角度，满足因此可以被化简为步骤4.3：计算从航迹坐标系到地面坐标系的旋转变换矩阵计算方法为：步骤4.4：计算从地面坐标系到机体坐标系的旋转变换矩阵计算方法为：
步骤4.5：结合步骤4.1、步骤4.3和步骤4.4，建立关系式：步骤4.6：由于一般情况下(χ-ψ)和(θ-γ)都是小角度，满足因此可对步骤4.5中的关系式进行化简，得到步骤4.7：结合步骤4.2和步骤4.6，得到惯性迎角α
k
和惯性侧滑角β
k
步骤5：估计风速v
w
和风向a
w
，具体为：步骤5.1：根据风速三角的关系，利用惯性导航系统测量的地速v
g
、空速管测量的真空速v
a
以及步骤3计算得到的偏流角a
da
计算风速，计算公式为：步骤5.2：计算风向，计算公式为：其中a
w
'＝χ+π+asgn(a
da
)a是一个辅助角，可以根据余弦定理计算，计算公式为步骤6：估计气流角，即估计迎角α和侧滑角β，具体为：步骤6.1：计算风矢量在机体坐标系三轴上的分量u
w
,v
w
,w
w
，具体为：步骤6.1.1：将风矢量进行分解，得到东向风v
w,y
和北向风v
w,x
，计算公式为：步骤6.1.2：风矢量是在地面坐标系下定义的，可以通过坐标变换矩阵将其变换到机体坐标系，进而得到u
w
,v
w
,w
w
，计算公式为：步骤6.2：计算由风造成的迎角增量δα和侧滑角增量δβ，计算公式为：
步骤6.3：依据步骤4计算得到的惯性迎角α
k
和惯性侧滑角β
k
，以及步骤6.2计算得到的迎角增量δα和侧滑角增量δβ，估计气流角，即迎角α和侧滑角β，计算公式为：
技术总结本发明公开了一种简单传感器配置下轻小型低成本无人机的气流角估计方法，从气流角的定义出发，给出了气流角的显示估计表达式；在传感器配置为惯性导航系统和空速管情况下，利用姿态角信息、航迹倾斜角和航迹方位角计算得到惯性迎角和惯性侧滑角；利用地速、真空速、偏流角信息依据风速三角对风速和风向进行估计；利用估计得到的风场信息对惯性迎角和惯性侧滑角进行补偿，得到气流角的准确估计。本发明为简单传感器配置下的轻小型低成本无人机提供了一种气流角估计方法的同时不需要增加额外的机载传感器设备，在不增加成本和无人机重量的同时保障飞行安全。量的同时保障飞行安全。量的同时保障飞行安全。
技术研发人员：翟少博 李广文 魏学东 贾秋玲 蔡伟杰 杨锋 乔雨希 何泽柳
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1
