多旋翼空速包线保护方法、设备及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及无人驾驶航空器技术领域，尤其涉及一种多旋翼空速包线保护方法、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.现有技术中，空速包线保护对于飞行器结构载荷安全具有重要意义。传统飞行器的空速包线保护措施一般基于动压/静压原理的空速计指示信息，由飞行员或都飞行控制系统主动保护，使空速不超过包线。
3.但是，对于一般的多旋翼飞行器，由于控制方式不同或者安装环境干扰等原因，不一定具有动压/静压原理的空速计。这给多旋翼的包线保护能功能提出挑战。
4.因此，如何利用动力学原理，在不依赖传统空速传感器观测的前提下，实现空速包线保护，成为目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种多旋翼空速包线保护方法，该方法包括：
6.建立空速数学模型其中，m为质量、g为重力加速度，θ为倾角，v为空速，k1(θ)、k2(θ)、k3(θ)分别为1、2、3阶风阻系数函数；
7.根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数；
8.根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序。
9.可选地，所述建立空速数学模型，包括：
10.建立空速解算数学模型ma
x
＝-(k1(θ)
·
v+k2(θ)
·v2
+k3(θ)
·v3
)+mg tanθ，其中，a
x
为加速度；
11.确定纵向运动所满足的运动学约束：
[0012][0013]
其中，v
wind
为来流风速，v
gnd
为地速。
[0014]
可选地，所述建立空速数学模型，还包括：
[0015]
针对无风、定常风以及缓变阵风的平稳流场，取
[0016]
针对阵风的非平稳流场，稳态取
[0017]
联立所述空速解算数学模型和所述纵向运动所满足的运动学约束，建立所述空速数学模型。
[0018]
可选地，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，包括：
[0019]
定义时，由所述空速数学模型确定的v为给定倾角θ的平衡空速ve(θ)，其中，每个倾角θ存在唯一对应的平衡空速ve(θ)，对于给定倾角θ，存在以下关系：
[0020]
当v＜ve(θ)时，
[0021]
当v＞ve(θ)时，
[0022]
结合平衡空速ve(θ)是倾角θ下空速v的稳定平衡状态，确定倾角θ与平衡空速ve(θ)之间的映射关系；
[0023]
在通过控制算法限制最大倾角θ
max
时，确定稳态空速被限制在最大值v
e_max
。
[0024]
可选地，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，还包括：
[0025]
通过飞行试验，每次设定不同的倾角限制θ
max
，以1deg为步长，遍历可能的倾角限制θ
max
的使用范围；
[0026]
根据飞行实验的遍历数据确定最大倾角θ
max
与最大稳态空速v
e_max
之间的数值对应关系表。
[0027]
可选地，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，还包括：
[0028]
在给定空速包线v
max
，且预留25％的阵风余量时，确定最大稳态空速v
e_max
＝(1-25％)*v
max
；
[0029]
根据所述数值对应关系表确定最大倾角θ
max
，并将最大倾角θ
max
设为姿态控制算法的倾角限制参数。
[0030]
可选地，所述根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序，包括：
[0031]
按1hz的频率检测计算得到的所述瞬态空速是否超出阈值；
[0032]
在所述瞬态空速超出阈值时，执行相应空速保护处置程序。
[0033]
可选地，所述根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序，还包括：
[0034]
在k1*v
max
≤v《k2*v
max
时，向地面站发送告警信息，并要求远程机组持续关注空速状态；
[0035]
在k2*v
max
≤v《v
max
时，通过飞行控制器主动降低目标速度，并减小倾角，直至空速低于k1*v
max
；
[0036]
在v≥v
max
时，通过飞行控制器控制航空器减速至悬停状态，并开始返航或降落；
[0037]
其中，k1《k2。
[0038]
本发明还提出了一种多旋翼空速包线保护设备，该设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的多旋翼空速包线保护方法的步骤。
[0039]
本发明还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有多旋翼空速包线保护程序，多旋翼空速包线保护程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的
多旋翼空速包线保护方法的步骤。
[0040]
实施本发明的多旋翼空速包线保护方法、设备及计算机可读存储介质，建立空速数学模型；根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数；根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序。实现了一种利用动力学原理，且不依赖传统空速传感器观测的空速包线保护方案，有效地节省了硬件和维护成本，保障了飞行安全。
附图说明
[0041]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0042]
图1是本发明多旋翼空速包线保护方法的第一流程图；
[0043]
图2是本发明多旋翼空速包线保护方法的第二流程图；
[0044]
图3是本发明多旋翼空速包线保护方法的第三流程图；
[0045]
图4是本发明多旋翼空速包线保护方法的第四流程图；
[0046]
图5是本发明多旋翼空速包线保护方法的第五流程图；
[0047]
图6是本发明多旋翼空速包线保护方法的第六流程图；
[0048]
图7是本发明多旋翼空速包线保护方法的第七流程图。
具体实施方式
[0049]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0050]
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
[0051]
图1是本发明多旋翼空速包线保护方法的流程图。本实施例提出了一种多旋翼空速包线保护方法，该方法包括：
[0052]
s1、建立空速数学模型其中，m为质量、g为重力加速度，θ为倾角，v为空速，k1(θ)、k2(θ)、k3(θ)分别为1、2、3阶风阻系数函数；
[0053]
s2、根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数；
[0054]
s3、根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序。
[0055]
在本实施例中，首先，确定坐标系定义如下：地面坐标系o
e-xeyeze，机体坐标系o
b-xbybzb，机体水平坐标系(自定义坐标系)o-xyz，其中，原点o设在机体质心，ox在机身对称平面内，水平指向机身前向，oz铅垂向下，oy遵循右手定则，水平指向机身右侧。
[0056]
在本实施例中，其次，确定符号约定如下：a为质心线加速度，g为重力加速度，v为空速，v
wind
为来流风速，v
gnd
为地速，θ为机身水平倾角，可选地，对于纵向运动而言，θ俯仰角，k1(θ)、k2(θ)、k3(θ)分别为与水平倾角动态相关的1、2、3阶风阻系数函数。
[0057]
在本实施例中，约定以上物理量下标x,y,z表示对应机体水平坐标系三轴投影或
分量，下标xb,yb,zb(xe,ye,ze)表示对应机体坐标系(即地面坐标系)下三轴投影或分量。
[0058]
可选地，请参考图2，所述建立空速数学模型，包括：
[0059]
s11、建立空速解算数学模型ma
x
＝-(k1(θ)
·
v+k2(θ)
·v2
+k3(θ)
·v3
)+mg tanθ，其中，a
x
为加速度；
[0060]
s12、确定纵向运动所满足的运动学约束：
[0061][0062]
其中，v
wind
为来流风速，v
gnd
为地速。
[0063]
可选地，请参考图3，所述建立空速数学模型，还包括：
[0064]
s13、针对无风、定常风以及缓变阵风等平稳流场，取
[0065]
s14、针对阵风等非平稳流场，由于能量衰减，阵风末段风速可认为具有衰减特性，即因此，其稳态取
[0066]
s15、联立所述空速解算数学模型和所述纵向运动所满足的运动学约束，建立所述空速数学模型。
[0067]
可选地，请参考图4，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，包括：
[0068]
s21、定义时，由所述空速数学模型确定的v为给定倾角θ的平衡空速ve(θ)，其中，每个倾角θ存在唯一对应的平衡空速ve(θ)，对于给定倾角θ，存在以下关系：
[0069]
当v＜ve(θ)时，
[0070]
当v＞ve(θ)时，
[0071]
s22、结合平衡空速ve(θ)是倾角θ下空速v的稳定平衡状态，倾角θ与平衡空速ve(θ)之间存在一一映射关系，即，倾角θ越大，平衡空速ve(θ)越大。
[0072]
s23、根据该映射关系，在通过控制算法限制最大倾角θ
max
时，确定稳态空速被限制在最大值v
e_max
。
[0073]
由此，本实施例即可确定倾角θ与平衡空速ve(θ)之间的映射关系。
[0074]
可选地，在本实施例中，针对阵风干扰，瞬态v空速可能会短暂超过稳态空速ve(θ)，但是，随着时间推移，阵风能量衰减，空速稳态仍会恢复到ve(θ)。因此，本实施例将阵风对空速的影响作为对瞬态的干扰，其稳态仍满足上述空速数学模型所示的动力学模型。
[0075]
可选地，请参考图5，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，还包括：
[0076]
s24、通过飞行试验，每次设定不同的倾角限制θ
max
，以1deg为步长，遍历可能的倾角限制θ
max
的使用范围；
[0077]
s25、根据飞行实验的遍历数据确定最大倾角θ
max
与最大稳态空速v
e_max
之间的数值对应关系表。
[0078]
在本实施例中，针对倾角限制保护，首先，通过对空速数学模型的分析可知，倾角θ与稳态空速ve(θ)之间存在一一映射关系。在限制最大倾角θ
max
的前提下，多旋翼稳态空速
的最大值也被限制在v
e_max
。因此，本实施例可在姿态控制里引入倾角限制，通过算法限倾角，进而达到限制稳态空速的目的。
[0079]
可选地，在本实施例中，在姿态控制中引入倾角限制，且限制值可通过参数设定。
[0080]
可选地，请参考图6，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，还包括：
[0081]
s26、在给定空速包线v
max
，且预留25％的阵风余量时，确定最大稳态空速v
e_max
＝(1-25％)*v
max
；
[0082]
s27、根据所述数值对应关系表确定最大倾角θ
max
，并将最大倾角θ
max
设为姿态控制算法的倾角限制参数。
[0083]
可选地，请参考图7，所述根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序，包括：
[0084]
s31、按1hz的频率检测计算得到的所述瞬态空速是否超出阈值；
[0085]
s32、在所述瞬态空速超出阈值时，执行相应空速保护处置程序。
[0086]
可选地，所述根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序，还包括：
[0087]
在k1*v
max
≤v《k2*v
max
时，向地面站发送告警信息，并要求远程机组持续关注空速状态；
[0088]
在k2*v
max
≤v《v
max
时，通过飞行控制器主动降低目标速度，并减小倾角，直至空速低于k1*v
max
；
[0089]
在v≥v
max
时，通过飞行控制器控制航空器减速至悬停状态，并尽快开始返航或降落；
[0090]
其中，k1《k2；
[0091]
可选地，在本实施例中，k1的取值范围为0.5～0.8，k2的取值范围为0.7～0.9。
[0092]
本实施例的有益效果在于，通过建立空速数学模型；根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数；根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序。实现了一种利用动力学原理，且不依赖传统空速传感器观测的空速包线保护方案，有效地节省了硬件和维护成本，保障了飞行安全。
[0093]
基于上述实施例，本发明还提出了一种多旋翼空速包线保护设备，该设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的多旋翼空速包线保护方法的步骤。
[0094]
需要说明的是，上述设备实施例与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详细见方法实施例，且方法实施例中的技术特征在设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
[0095]
基于上述实施例，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有多旋翼空速包线保护程序，多旋翼空速包线保护程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的多旋翼空速包线保护方法的步骤。
[0096]
需要说明的是，上述介质实施例与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详细见方法实施例，且方法实施例中的技术特征在介质实施例中均对应适用，这里不再赘述。
[0097]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0098]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0099]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0100]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述方法包括：建立空速数学模型其中，m为质量、g为重力加速度，θ为倾角，v为空速，k1(θ)、k2(θ)、k3(θ)分别为1、2、3阶风阻系数函数；根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数；根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序。2.根据权利要求1所述的多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述建立空速数学模型，包括：建立空速解算数学模型ma
x
＝-(k1(θ)
·
v+k2(θ)
·v2
+k3(θ)
·v3
)+mgtanθ，其中，a
x
为加速度；确定纵向运动所满足的运动学约束：其中，v
wind
为来流风速，v
gnd
为地速。3.根据权利要求2所述的多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述建立空速数学模型，还包括：针对无风、定常以及缓变阵风的平稳流场，取针对阵风的非平稳流场，稳态取联立所述空速解算数学模型和所述纵向运动所满足的运动学约束，建立所述空速数学模型。4.根据权利要求3所述的多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，包括：定义时，由所述空速数学模型确定的v为给定倾角θ的平衡空速v
e
(θ)，其中，每个倾角θ存在唯一对应的平衡空速v
e
(θ)，对于给定倾角θ，存在以下关系：当v＜v
e
(θ)时，当v＞v
e
(θ)时，结合平衡空速v
e
(θ)是倾角θ下空速v的稳定平衡状态，确定倾角θ与平衡空速v
e
(θ)之间的映射关系；在通过控制算法限制最大倾角θ
max
时，确定稳态空速被限制在最大值v
e_max
。5.根据权利要求4所述的多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，还包括：通过飞行试验，每次设定不同的倾角限制θ
max
，以1deg为步长，遍历可能的倾角限制θ
max
的使用范围；根据飞行实验的遍历数据确定最大倾角θ
max
与最大稳态空速v
e_max
之间的数值对应关系表。6.根据权利要求5所述的多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数，还包括：在给定空速包线v
max
，且预留25％的阵风余量时，确定最大稳态空速v
e_max
＝(1-25％)*v
max
；根据所述数值对应关系表确定最大倾角θ
max
，并将最大倾角θ
max
设为姿态控制算法的倾角限制参数。7.根据权利要求6所述的多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序，包括：按1hz的频率检测计算得到的所述瞬态空速是否超出阈值；在所述瞬态空速超出阈值时，执行相应空速保护处置程序。8.根据权利要求7所述的多旋翼空速包线保护方法，其特征在于，所述根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序，还包括：在k1*v
max
≤v<k2*v
max
时，向地面站发送告警信息，并要求远程机组持续关注空速状态；在k2*v
max
≤v<v
max
时，通过飞行控制器主动降低目标速度，并减小倾角，直至空速低于k1*v
max
；在v≥v
max
时，通过飞行控制器控制航空器减速至悬停状态，并开始返航或降落；其中，k1<k2。9.一种多旋翼空速包线保护设备，其特征在于，所述设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的多旋翼空速包线保护方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有多旋翼空速包线保护程序，所述多旋翼空速包线保护程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的多旋翼空速包线保护方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种多旋翼空速包线保护方法、设备及计算机可读存储介质，其中，该方法包括：建立空速数学模型；根据所述空速数学模型确定最大倾角与最大稳态空速的对应关系，并根据所述对应关系获取被引入至姿态控制中的倾角限制参数；根据所述空速数学模型、姿态测量以及加速度测量计算得到瞬态空速，并根据所述瞬态空速的检测结果执行相应的空速保护处置程序。本发明实现了一种利用动力学原理，且不依赖传统空速传感器观测的空速包线保护方案，有效地节省了硬件和维护成本，保障了飞行安全。全。全。


技术研发人员：胡华智 徐世科 王振华 温先福
受保护的技术使用者：亿航智能设备（广州）有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/4/17