应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法转让专利
申请号 : CN200810102149.5
文献号 : CN101246078B
文献日 : 2010-11-24
发明人 : 张朔 , 马铁林 , 马东立 , 张云飞 , 王金提
申请人 : 北京航空航天大学
摘要 :
本发明公开了一种应用于低速无人机上的总静压受感器位置误差的修正方法。该方法利用风洞实验，获得简单的修正公式，对无人机飞行速度和大气静压数据进行修正。应用本发明提供的修正方法，无需更改总静压受感器的设计和飞机的总体布置；而且所提供的修正公式表述简单、明确，无需对大气数据计算机内部算法进行修改，可以在飞行控制软件中对数据自行进行修正；对于典型的飞行状态有较高的修正精度。
权利要求 :
1.一种应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法，其特征在于包括如下的步骤：步骤一、将需要修正误差的实用总静压受感器安装在机头，在风洞中不受干扰的位置安装基准总静压受感器，分别测量并解算出无人机在不同飞行速度和姿态的一系列飞行速度、高度和大气静压数据；
步骤二、将步骤一中基准总静压受感器解算出的实际空速Vt、实际高度Ht以及实际静压Cpt与步骤一中实用总静压受感器解箅出的指示空速Vs、指示高度Hs以及指示静压Cps分别相减得到差值ΔV、ΔH、ΔCp，即实用总静压受感器的位置误差：ΔV＝Vt-Vs
ΔH＝Ht-Hs
ΔCp＝Cpt-Cps；
绘制ΔV～Vs、ΔH～Vs、ΔCp～Vs曲线，分析各位置误差随Vs的变化规律；
步骤三、根据步骤二中的变化规律，以最小二乘法分别拟合出Vs和Cps的参数化修正公式；
步骤四、对位置误差进行修正，得到修正后的飞行速度V＊和大气静压Cp＊。
2.根据权利要求1所述的应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法，其特征在于：步骤三中所述的修正公式的形式为：ΔV＊＝AVs+B
ΔCp＊＝D
其中，ΔV＊是飞行速度修正量，ΔCp＊是大气静压修正量，A、B、D是常数。
3.根据权利要求1所述的应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法，其特征在于：步骤四中得到的修正后的飞行速度V＊和大气静压Cp＊为：V＊＝Vs+ΔV＊
Cp＊＝Cps+ΔCp＊
其中ΔV＊是Vs修正量，ΔCp＊是Cps修正量。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法，属于航空飞行器气动技术领域。
背景技术
总静压受感器(也称空速管)是飞行器上的常用设备，用于感知飞行器飞行时所受到的来流总压和大气静压。在低速无人机上，通常利用总静压受感器感受到的大气静压，来解算出飞机的飞行高度；利用来流总压和大气静压之差，来解算出飞机的飞行速度。但是总静压受感器通常安装在机头位置，如图1所示，在低速无人机上，由于机头对前方来流的扰动，导致总静压受感器的指示出现误差，无法正确显示实际的来流总压和大气静压。这种误差是由于总静压受感器的安装位置所引起，因此称之为总静压受感器的位置误差。出现位置误差一方面不能满足无人机精确控制和保持航线的需要，另一方面还可能在某些情况下引发预期以外的飞机失速或飞行高度过低，危害飞行安全。
通常消除位置误差的方法有两种：一是增加总静压受感器的长度，使其伸出机头对来流的干扰区，但是这不但增加了重量，同时在飞行中也会加剧振动，而不得不对安装位置的结构进行加强；二是将总静压受感器的安装位置移到其它干扰较小的位置，但是这也会引起重量增加和飞机内部管线、设备布置的困难。
通常消除位置误差的方法有两种：一是增加总静压受感器的长度，使其伸出机头对来流的干扰区，但是这不但增加了重量，同时在飞行中也会加剧振动，而不得不对安装位置的结构进行加强；二是将总静压受感器的安装位置移到其它干扰较小的位置，但是这也会引起重量增加和飞机内部管线、设备布置的困难。
发明内容
本发明的目的是提出一种应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法，应用简单的修正公式，在飞行控制软件中对无人机飞行速度和大气静压数据进行修正，对于无人机通常的飞行状态可以具有较高的修正精度。具体修正方法分为以下步骤：
步骤一、在风洞中设置两套总静压受感器，分别测量并解算出无人机在不同飞行速度和姿态的一系列飞行速度、高度和大气静压数据。
步骤二、将步骤一中得到的一系列飞行速度、高度和大气静压数据做差，绘制ΔV～Vs、ΔH～Vs、ΔCp～Vs曲线，分析误差随飞行速度的变化规律。
步骤三、根据步骤二中的变化规律，以最小二乘法拟合出指示空速Vs和指示静压Cps的参数化修正公式。
步骤四、对位置误差进行修正，得到修正后的飞行速度和大气静压。
本发明的优点在于：
(1)无需更改总静压受感器的设计和飞机的总体布置；
(2)修正公式表述简单、明确，无需对大气数据计算机内部算法进行修改，可以在飞行控制软件中对数据自行进行修正。
(3)对于通常的飞行状态有较高的修正精度。
步骤一、在风洞中设置两套总静压受感器，分别测量并解算出无人机在不同飞行速度和姿态的一系列飞行速度、高度和大气静压数据。
步骤二、将步骤一中得到的一系列飞行速度、高度和大气静压数据做差，绘制ΔV～Vs、ΔH～Vs、ΔCp～Vs曲线，分析误差随飞行速度的变化规律。
步骤三、根据步骤二中的变化规律，以最小二乘法拟合出指示空速Vs和指示静压Cps的参数化修正公式。
步骤四、对位置误差进行修正，得到修正后的飞行速度和大气静压。
本发明的优点在于：
(1)无需更改总静压受感器的设计和飞机的总体布置；
(2)修正公式表述简单、明确，无需对大气数据计算机内部算法进行修改，可以在飞行控制软件中对数据自行进行修正。
(3)对于通常的飞行状态有较高的修正精度。
附图说明
图1是总静压受感器在无人机上的位置示意图；
图2是本发明修正方法的步骤流程图；
图3是修正前的总静压受感器速度误差ΔV随指示空速Vs的变化曲线；
图4是修正前的总静压受感器静压误差ΔCp随指示空速Vs的变化曲线；
图5是修正前的飞机高度与实际高度的误差ΔH随指示空速Vs的变化曲线；
图6是采用本发明的修正方法后的速度误差ΔV＊随飞行速度V＊的变化曲线；
图7是采用本发明的修正方法后的高度误差ΔH＊随飞行高度H＊的变化曲线。
图2是本发明修正方法的步骤流程图；
图3是修正前的总静压受感器速度误差ΔV随指示空速Vs的变化曲线；
图4是修正前的总静压受感器静压误差ΔCp随指示空速Vs的变化曲线；
图5是修正前的飞机高度与实际高度的误差ΔH随指示空速Vs的变化曲线；
图6是采用本发明的修正方法后的速度误差ΔV＊随飞行速度V＊的变化曲线；
图7是采用本发明的修正方法后的高度误差ΔH＊随飞行高度H＊的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法，如图2所示步骤流程图，具体步骤如下：
步骤一、在风洞中设置两套总静压受感器，分别测量并解算出无人机在不同飞行速度和姿态(指飞机的迎角和侧滑角)的一系列飞行速度、高度和大气静压数据。
将需要修正误差的总静压受感器(这里称之为实用总静压受感器)安装在机头上，对两者的结合体进行风洞试验。在风洞中不受干扰的位置安装另一总静压受感器(称为基准总静压受感器)，风洞试验中两套总静压受感器同时采集数据，并通过各自的大气数据计算机，解算并输出无人机在不同飞行速度和姿态的一系列飞行速度、高度和大气静压。基准总静压受感器解算出的飞行速度Vt、高度Ht和大气静压Cpt看作为实际空速、实际高度和实际静压，实用总静压受感器解算出的飞行速度Vs、高度Hs和大气静压Cps看作为指示空速、指示高度和指示静压。
步骤二、将步骤一中得到的一系列飞行速度、高度和大气静压数据做差，绘制ΔV～Vs、ΔH～Vs、ΔCp～Vs曲线，分析误差随飞行速度Vs的变化规律。
将实际数据Vt、Ht、Cpt与指示数据Vs、Hs、Cps分别相减得到差值ΔV、ΔH、ΔCp，即实用总静压受感器的位置误差：
ΔV＝Vt-Vs
ΔH＝Ht-Hs
ΔCp＝Cpt-Cps
绘制ΔV～Vs、ΔH～Vs、ΔCp～Vs曲线，分析位置误差随飞行速度Vs的变化规律，通常可得：
(a)随着飞行速度Vs的增大，ΔV绝对值增加，表明总静压受感器的位置误差增大，
并且大致与飞行速度Vs呈线性关系；
(b)ΔCp随飞行速度Vs基本保持不变；
(c)ΔH随飞行速度Vs的变化规律较为复杂，难以用简单的公式表出。
(d)飞机姿态的变化对位置误差有一定影响，但是没有飞行速度Vs的影响大。
步骤三、根据步骤二中得到的无人机位置误差随飞行速度Vs的变化规律，以最小二乘法拟合出飞行速度Vs和大气静压Cps的参数化修正公式。
根据步骤二中的四个规律，确定修正方法：选取最重要的飞行状态(飞机姿态和速度)，以最小二乘法拟合出指示空速Vs和指示静压Cps的参数化修正公式。其中指示空速Vs按照线性拟合，指示静压Cps按照常数拟合。拟合公式的一般形式为：
ΔV＊＝AVs+B
ΔCp＊＝D
其中，ΔV＊是飞行速度Vs修正量，ΔCp＊是大气静压Cps修正量，A、B、D是常数。
步骤四、对实用总静压受感器位置误差进行修正，得到修正后的飞行速度V＊和大气静压Cp＊：
V＊＝Vs+ΔV＊
Cp＊＝Cps+ΔCp＊
其中V＊可直接输出，Cp＊经大气数据计算机解算后，可输出修正后的飞行高度H＊。
经修正后得到的V＊和H＊可以精确的确定无人机的飞行状态。
下面以一个具体的实施例来说明本发明所述的总静压受感器误差修正方法。
将本发明提供的总静压受感器位置误差修正方法应用于某低速无人机上。按如图1所示的方式将总静压受感器1安装在机头2的前方，该低速无人机的机头2有一个大的鼓包3，鼓包3对气流的干扰较大，总静压受感器1安装在机头前方。选取无人机典型的飞行状态为：速度V＝40m/s，迎角a＝2～4°。
修正前，各种迎角下总静压受感器速度误差ΔV随指示空速Vs的变化曲线如图3所示；图4是总静压受感器静压误差ΔCp随指示空速Vs的变化曲线；飞机高度与实际高度的误差ΔH随指示空速Vs的变化曲线如图5所示。从图3、图4、图5中可以看出，总静压受感器的位置误差较大，在典型飞行状态下，即速度V＝40m/s，迎角a＝2～4°状态下，速度误差ΔV约7m/s，误差达到18％，静压误差ΔCp没有明显变化，高度误差ΔH达到30m。
使用本修正方法对位置误差进行修正后，图6是修正后的速度误差ΔV＊随飞行速度V＊的变化曲线，图7是修正后的高度误差ΔH＊随飞行高度H＊的变化曲线。从图6、图7中可以看出修正后的飞行速度和高度误差大幅减小，在典型飞行状态下，即速度V＝40m/s，迎角a＝2～4°状态下，速度误差ΔV＊仅为不到0.5m/s，高度误差ΔH＊不到2m。很好地满足了精确控制和飞行安全的需要。
本发明提供一种应用于低速无人机上总静压受感器位置误差的修正方法，如图2所示步骤流程图，具体步骤如下：
步骤一、在风洞中设置两套总静压受感器，分别测量并解算出无人机在不同飞行速度和姿态(指飞机的迎角和侧滑角)的一系列飞行速度、高度和大气静压数据。
将需要修正误差的总静压受感器(这里称之为实用总静压受感器)安装在机头上，对两者的结合体进行风洞试验。在风洞中不受干扰的位置安装另一总静压受感器(称为基准总静压受感器)，风洞试验中两套总静压受感器同时采集数据，并通过各自的大气数据计算机，解算并输出无人机在不同飞行速度和姿态的一系列飞行速度、高度和大气静压。基准总静压受感器解算出的飞行速度Vt、高度Ht和大气静压Cpt看作为实际空速、实际高度和实际静压，实用总静压受感器解算出的飞行速度Vs、高度Hs和大气静压Cps看作为指示空速、指示高度和指示静压。
步骤二、将步骤一中得到的一系列飞行速度、高度和大气静压数据做差，绘制ΔV～Vs、ΔH～Vs、ΔCp～Vs曲线，分析误差随飞行速度Vs的变化规律。
将实际数据Vt、Ht、Cpt与指示数据Vs、Hs、Cps分别相减得到差值ΔV、ΔH、ΔCp，即实用总静压受感器的位置误差：
ΔV＝Vt-Vs
ΔH＝Ht-Hs
ΔCp＝Cpt-Cps
绘制ΔV～Vs、ΔH～Vs、ΔCp～Vs曲线，分析位置误差随飞行速度Vs的变化规律，通常可得：
(a)随着飞行速度Vs的增大，ΔV绝对值增加，表明总静压受感器的位置误差增大，
并且大致与飞行速度Vs呈线性关系；
(b)ΔCp随飞行速度Vs基本保持不变；
(c)ΔH随飞行速度Vs的变化规律较为复杂，难以用简单的公式表出。
(d)飞机姿态的变化对位置误差有一定影响，但是没有飞行速度Vs的影响大。
步骤三、根据步骤二中得到的无人机位置误差随飞行速度Vs的变化规律，以最小二乘法拟合出飞行速度Vs和大气静压Cps的参数化修正公式。
根据步骤二中的四个规律，确定修正方法：选取最重要的飞行状态(飞机姿态和速度)，以最小二乘法拟合出指示空速Vs和指示静压Cps的参数化修正公式。其中指示空速Vs按照线性拟合，指示静压Cps按照常数拟合。拟合公式的一般形式为：
ΔV＊＝AVs+B
ΔCp＊＝D
其中，ΔV＊是飞行速度Vs修正量，ΔCp＊是大气静压Cps修正量，A、B、D是常数。
步骤四、对实用总静压受感器位置误差进行修正，得到修正后的飞行速度V＊和大气静压Cp＊：
V＊＝Vs+ΔV＊
Cp＊＝Cps+ΔCp＊
其中V＊可直接输出，Cp＊经大气数据计算机解算后，可输出修正后的飞行高度H＊。
经修正后得到的V＊和H＊可以精确的确定无人机的飞行状态。
下面以一个具体的实施例来说明本发明所述的总静压受感器误差修正方法。
将本发明提供的总静压受感器位置误差修正方法应用于某低速无人机上。按如图1所示的方式将总静压受感器1安装在机头2的前方，该低速无人机的机头2有一个大的鼓包3，鼓包3对气流的干扰较大，总静压受感器1安装在机头前方。选取无人机典型的飞行状态为：速度V＝40m/s，迎角a＝2～4°。
修正前，各种迎角下总静压受感器速度误差ΔV随指示空速Vs的变化曲线如图3所示；图4是总静压受感器静压误差ΔCp随指示空速Vs的变化曲线；飞机高度与实际高度的误差ΔH随指示空速Vs的变化曲线如图5所示。从图3、图4、图5中可以看出，总静压受感器的位置误差较大，在典型飞行状态下，即速度V＝40m/s，迎角a＝2～4°状态下，速度误差ΔV约7m/s，误差达到18％，静压误差ΔCp没有明显变化，高度误差ΔH达到30m。
使用本修正方法对位置误差进行修正后，图6是修正后的速度误差ΔV＊随飞行速度V＊的变化曲线，图7是修正后的高度误差ΔH＊随飞行高度H＊的变化曲线。从图6、图7中可以看出修正后的飞行速度和高度误差大幅减小，在典型飞行状态下，即速度V＝40m/s，迎角a＝2～4°状态下，速度误差ΔV＊仅为不到0.5m/s，高度误差ΔH＊不到2m。很好地满足了精确控制和飞行安全的需要。