【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及導航、制導與控制，尤其涉及一種低成本小型螺旋槳飛行器的飛行狀態估計方法及系統。
技術介紹
1、隨著蜂群技術迅猛發展，低成本小型螺旋槳飛行器正漸受青睞。由于飛行速度低，此類飛行器受風影響大。為保證良好的飛控品質，急需代價小且簡單有效的手段估計飛行狀態，特別是空速和動壓。低成本小型螺旋槳飛行器的成本、重量和體積都受到嚴格限制，因此不希望增加新的硬件，而是利用現有條件通過算法實現滿足性能要求的飛行狀態估計。
2、《控制與決策》2018年第3期的《氣動模型及導航信息輔助的大氣參數估計方法》利用了已有的導航系統數據，以水平面內2個風速分量為系統狀態，以導航系統測量或解算的各視加速度分量和角加速度分量(由角速度分量微分得到)共6個量為量測量，考慮氣動模型、動力模型和構型模型計算量測量理論值，通過ekf(擴展卡爾曼濾波)估計風速，并給出了仿真結果。該方法未考慮氣動模型偏差，無法評估其算法魯棒性，且其角加速度由角速度分量微分得到，會放大角速度測量噪聲的影響，工程上可能無法得到理想的結果。
3、《火力與指揮控制》2021年第4期的《基于固定翼無人機平臺的風矢量估計》利用動壓傳感器計算風速，估計狀態為水平面內2個風速分量和動壓傳感器修正系數，量測量為動壓測量值和加表測量的側向加速度值，利用氣動模型和構型模型計算量測量理論值，通過ekf估計風速。該方法比較簡單，可收斂至較準確的風速值，但收斂時間較長，且增加了新硬件動壓傳感器，另外盡管考慮了三個氣動系數的偏差，但未開展整個估計對象的monte-carlo仿真測試，
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服低成本螺旋槳飛行器急需簡單有效飛行狀態估計手段的問題，提供了一種低成本小型螺旋槳飛行器的飛行狀態估計方法及系統。
2、本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的：
3、第一方面，提供一種低成本小型螺旋槳飛行器的飛行狀態估計方法，包括：
4、建立氣動系數和螺旋槳推力系數的參數化模型，其中，以空速與地速的速差、法向力系數對攻角的導數偏差作為要估計的系統狀態量，以加速度計測量的軸向視加速度為量測量；
5、利用動力學模型計算所述量測量的理論值；并基于擴展卡爾曼濾波遞推估計飛行器的飛行狀態。
6、在一些實施例中，所述利用動力學模型計算所述量測量的理論值，包括：
7、用估計狀態值修正地速后得到空速和動壓；
8、根據法向力系數確定攻角后，利用氣動模型計算軸向力系數；
9、由空速和螺旋槳轉速計算螺旋槳前進比，由所述螺旋槳前進比計算螺旋槳推力系數，由螺旋槳推力系數計算得到螺旋槳推力；
10、根據所述軸向力系數和螺旋槳推力計算軸向視加速度的理論值。
11、優選地，所述用估計狀態值修正地速后得到空速和動壓，包括：
12、空速由估計狀態值修正后為
13、vw＝v+δv
14、式中vw是空速，v是導航系統輸出的地速；計算動壓為
15、
16、式中ρ是大氣密度。
17、優選地，所述根據法向力系數確定攻角，包括：
18、法向力系數對攻角的導數(也就是一次項系數)由估計狀態修正后為
19、kn1＝kn1_n+δkn1
20、式中kn1_n是法向力系數對攻角的導數標稱值；
21、法向力系數氣動模型為
22、cn＝kn0+kn1α
23、式中α是攻角，kn0和kn1分別是法向力系數對攻角的零次和一次項系數。
24、優選地，所述利用氣動模型計算軸向力系數，包括：
25、軸向力系數氣動模型為
26、ca＝ka0+ka1α+ka2α2+kazδz
27、式中ka0、ka1和ka2分別是軸向力系數對攻角的零次、一次和二次項系數，kaz是軸向力系數對俯仰通道舵偏絕對值的導數。
28、優選地，所述螺旋槳前進比為
29、
30、式中ns是螺旋槳轉速，d是螺旋槳直徑；
31、螺旋槳推力系數用前進比的二次多項式表示為
32、ct＝a0+a1λ+a2λ2
33、式中a0、a1和a2分別是二次多項式的零次、一次和二次項系數；
34、螺旋槳推力為
35、
36、軸向視加速度的理論值為
37、
38、在一些實施例中，所述基于擴展卡爾曼濾波遞推估計飛行器的飛行狀態，包括：
39、根據量測方程計算觀測矩陣；再確定系統協方差矩陣、觀測噪聲協方差矩陣和誤差協方差矩陣。
40、優選地，所述觀測矩陣的偏導數為
41、
42、觀測矩陣元素展開為
43、
44、優選地，所述系統協方差矩陣為
45、
46、所述觀測噪聲協方差矩陣為
47、
48、系統協方差矩陣為
49、
50、觀測噪聲協方差矩陣為
51、
52、式中σacc是加速度計測量白噪聲標準差；
53、誤差協方差矩陣初值為
54、
55、式中σ1是空速與地速的速差初始值概率分布標準差，σ2是法向力系數對攻角的導數偏差初始值概率分布標準差。
56、第二方面，提供一種低成本小型螺旋槳飛行器的飛行狀態估計系統，包括：
57、參數化模型構建模塊，用于建立氣動系數和螺旋槳推力系數的參數化模型，其中，以空速與地速的速差、法向力系數對攻角的導數偏差作為要估計的系統狀態量，以加速度計測量的軸向視加速度為量測量；
58、量測量計算模塊，用于利用動力學模型計算所述量測量的理論值；
59、飛行狀態估計模塊，用于基于擴展卡爾曼濾波遞推估計飛行器的飛行狀態。
60、需要進一步說明的是，上述各選項對應的技術特征在不沖突的情況下可以相互組合或替換構成新的技術方案。
61、與現有技術相比，本專利技術有益效果是：
62、(1)本專利技術利用已有的導航系統，以空速與地速的速差和法向力系數對攻角的導數偏差作為要估計的系統狀態量，以加速度計測量的軸向視加速度為量測量，建立了氣動系數與螺旋槳推力系數的參數化模型，由于只有2個系統狀態和1個量測量，需要的計算量小，容易滿足計算實時性要求；利用已有的導航系統，從系統總體的角度看不增加任何硬件，不會付出成本、重量和體積代價；同時基于擴展卡爾曼濾波遞推估計空速、動壓、攻角、推力、軸向力系數和法向力系數，為小型螺旋槳推進飛行器提供了一種簡單實用有效的飛行狀態估計方法。
63、(2)本專利技術算法經測試有較好的魯棒性，在工程上具有較強的實用性。在不增加成本、重量和體積代價的前提下較大地增加了飛行器感知飛行狀態的能力，非常有利于提升飛控品質。<本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種低成本小型螺旋槳飛行器的飛行狀態估計方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述利用動力學模型計算所述量測量的理論值，包括：
3.根據權利要求2所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述用估計狀態值修正地速后得到空速和動壓，包括：
4.根據權利要求2所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述根據法向力系數確定攻角，包括：
5.根據權利要求4所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述利用氣動模型計算軸向力系數，包括：
6.根據權利要求5所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述螺旋槳前進比為
7.根據權利要求1所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述基于擴展卡爾曼濾波遞推估計飛行器的飛行狀態，包括：
8.根據權利要求7所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述觀測矩陣的偏導數為
9.根據權利要求7所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述系統協方差矩陣為
10.一種低成本小型螺旋槳飛行器的飛行狀態估計系統，其特征在于，包括：
【技術特征摘要】
1.一種低成本小型螺旋槳飛行器的飛行狀態估計方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述利用動力學模型計算所述量測量的理論值，包括：
3.根據權利要求2所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述用估計狀態值修正地速后得到空速和動壓，包括：
4.根據權利要求2所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述根據法向力系數確定攻角，包括：
5.根據權利要求4所述的飛行狀態估計方法，其特征在于，所述利用氣動模型計算...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王進，高雅，石瑞，陸欣，李娜，何明，劉暢，姜奇，唐小平，王志安，
申請(專利權)人：四川航天系統工程研究所，
類型：發明
國別省市：
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