一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统

摘要

本发明涉及一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，包括气流干扰生成系统、气流干扰仿真平台、无人机抗气流干扰实验平台；该系统对各种气流扰动建立精确的仿真模型并生成机载气流扰动模块，利用仿真软件对无人机受到的气流扰动影响进行精确仿真分析，仿真测试无误后再利用实验风场模拟设备，构建无人机气流扰动飞行环境，进行实际气流扰动环境飞行试验；本发明测试平台能够精确量化无人机所受气流干扰的大小，精确刻画评估无人机位置抗气流干扰能力边界以及对无人机位置抗干扰控制进行一体化设计，验证了该系统的有效性和工程实用性，适用于航空航天领域的无人机位置抗气流干扰的仿真分析、量化评估测试以及实际飞行验证试验。

权利要求

1.一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：包括：气流干扰生成系统(19)、气流干扰仿真平台(10)和无人机抗气流干扰实验平台(17)；

所述气流干扰生成系统(19)，为气流干扰仿真平台(10)和无人机实验平台(17)生成不同类型和强度的气流干扰生成不同类型和强度的气流干扰，进行无人机位置抗气流干扰控制，所述不同类型和强度的气流干扰包括紊流干扰、阵风干扰、风切变干扰以及自定义风干扰；所述气流干扰生成系统(19)包括风扰生成子系统(18)和仿真气流干扰生成子系统(20)；风扰生成子系统(18)用于真实气流干扰生成，仿真气流干扰生成子系统(20)用于仿真气流干扰生成；仿真气流干扰生成子系统(20)生成的用于仿真的风扰信号可以在风扰生成子系统(18)中利用实际风机设备实现，风扰生成子系统(18)中生成的真实气流干扰在仿真气流干扰生成子系统(20)也有相应的数学模型和搭建的仿真模块；

所述气流干扰仿真平台(10)，建立与旋翼无人机实际飞行实验相近的仿真环境，具备大气环境数字化仿真环境能力，能够确定无人机飞行受到不同强度和类型不同类型和强度的气流干扰影响时的各种性能指标，从而为量化评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力提供仿真研究和理论分析；

所述无人机抗气流干扰实验平台(17)，提供不同类型和强度气流干扰影响下无人机飞行的试验环境和位置抗气流干扰能力的测试平台，用于真实环境中量化评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力，并实现无人机位置抗气流干扰控制一体化。

2.根据权利要求1所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：所述仿真气流干扰生成子系统(20)包括：风干扰模型(5)及风干扰组态软件(21)；所述风干扰模型(5)通过对阵风干扰、紊流干扰、风切变干扰和自定义风干扰的四种类型的风干扰建立精确的数学模型，并搭建仿真模型，风干扰模型(5)包括阵风干扰模型(1)、紊流干扰模型(2)、风切变干扰模型(3)以及自定义风干扰模型(4)；根据实际要求在风干扰组态软件(21)的界面中设置模型参数包括类型、强度，从而生成不同大小的气流干扰信号，并进一步编译生成气流扰动模块(6)。

3.根据权利要求1所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：所述风扰生成子系统(18)包括：风机(12)、风机软件(22)及气流扰动控制系统控制柜(11)；风机软件(22)控制风机(12)运行状态，气流扰动控制系统控制柜(11)设定和显示风机(12)运转风速，为实际无人机位置抗气流干扰实验创建真实的风干扰环境；

所述风机(12)若干台，每台1400转/分钟生成不同大小的风干扰，通过风机软件(22)设置XYZ三个空间维度上的风速大小，改变运转风机的数目和风机风力的大小，用于实际飞行环境中生成不同强度的风干扰，对无人机位置抗气流干扰的能力进行精确地量化评估；通过在气流扰动控制系统控制柜(11)的触摸屏上输入与风机电机电流4‑20MA范围相对应的风速参数范围0‑16383之间的数值，改变风机运转速度，生成相应大小的风干扰，同时实时显示各风机运转速度，地面站(14)通过通讯模块精确地获得包括风干扰的大小和方向的三维风场信息。

4.根据权利要求2所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：所述阵风干扰数学模型(1)为：参数Vm是阵风幅值，dm是阵风长度，

x是距离，Vwind是在机体轴产生的空速增量；

所述紊流干扰数学模型(2)为：

参数uυω分别为轴向的速度流场，p q r分别为产生的旋转风场，V空速，b翼展，Lu Lv Lw代表紊流尺度，σu σv σw代表紊流强度，π为圆周率，s为拉普拉斯变量；

所述风切变干扰数学模型(3)为： 参数uw为风切变大小，W20是20ft的风力大小，h是高度，z0为一个常数；

所述自定义风干扰数学模型(4)为：在风干扰组态软件(21)中自行定义风干扰的各个参数，生成相应的风干扰模型。

5.根据权利要求1所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：所述气流干扰仿真平台(10)包括控制器(7)、无人机模型模块(8)、气流扰动模块(6)、上位机软件(22)及画面输出(9)，具备典型气流扰动模拟测试能力以及软件在环仿真能力；气流扰动模块(6)和控制器(7)作用于无人机模型模块(8)，通过操作上位机软件(22)实时将无人机飞行状况进行画面输出(9)；

所述气流扰动模块(6)包含不同的风干扰模型的仿真搭建，能生成不同类型和强度的风干扰信号并作用于无人机模型模块(8)，为无人机位置抗气流干扰控制算法的设计和验证提供气流干扰；同时为无人机抗气流干扰飞行实验平台(17)风扰的施加提供理论依据；

所述控制器(7)能够设计无人机位置控制算法以及抗风干扰算法，并输出控制信号给无人机模型模块(8)，进行无人机位置抗气流干扰控制的研究；测试好后，可以直接将无人机位置控制算法以及抗风干扰算法迁移至无人机抗气流干扰实验平台(17)中地面站(14)中，用于无人机实际飞行测试；

所述无人机模型模块(8)搭建实际无人机动力学模型，实现无人机的仿真控制；所述上位机软件(22)能够将无人机仿真飞行环境设置为实际物理环境，实时显示无人机在真实环境的飞行状态以及与无人机位置相关的各项性能指标，为设计和改进抗气流干扰位置控制算法提供理论依据。

6.根据权利要求1所述一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：所述无人机抗气流干扰实验平台(17)包括：光学定位系统(16)、旋翼无人机(15)、风扰生成子系统(18)、地面站(14)及数传模块(13)，具备气流扰动模型在线注入能力、硬件在环仿真能力以及抗干扰气流扰动飞行实验测试与验证能力；风扰生成子系统(18)为旋翼无人机(15)飞行提供气流干扰，地面站(14)生成的控制信号作用于旋翼无人机(15)，控制无人机飞行状态，光学定位系统(16)实时检测旋翼无人机(15)飞行的位置和姿态信息并通过数传模块(13)传回给地面站(14)，以便设计位置控制算法；

所述地面站(14)与数传模块(13)之间采用串口通信，传递无人机位置姿态数据；风干扰生成子系统(18)经串行数据通信接口实时将三维风场信号传给地面站(14)，地面站(14)收到数据，并经控制算法与逻辑处理后，生成控制信号，经无线电台传给旋翼无人机(15)，进而控制无人机的位置和姿态；

所述光学定位系统(16)由若干相机和光学定位系统软件(23)组成，利用光学定位系统软件(23)对若干相机进行标定构建三维捕获空间，通过若干台相机同步捕获刚体的二维信息，并利用三角法计算出刚体的位置和姿态信息并通过数传模块(13)将数据传给地面站(14)；所述光学定位系统软件(23)操作流程：首先对测试系统若干相机的角度和高度进行调整并设置相机的帧率、曝光时间、二值化阈值、红外光亮度参数，视野能够覆盖整个实验平台，如果相机视野中含有干扰点，则先清除掉，然后采集相机标定参数并进行计算相机相对位姿，之后将直角标定器放置在场地中央，设置好原点和坐标XY方向并标定应用，将标定结果保存起来；标定产生的三维空间为毫米级的动态捕获空间，在光学定位系统软件(23)中查看生成的有效捕获区域，通过创建刚体并对其信息进行捕获，在软件界面实时显示刚体在三维空间的运动轨迹，并生成刚体轨迹记录文件。

说明书

一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，属于无人机位置抗气流干扰控制一体化设计领域。

背景技术

[0002] 无人机在飞行过程中，会受到地效扰动、局部风变化等因素影响，导致无人机飞行区域有气流扰动，而这些气流扰动会改变无人机桨的力效、无人机桨叶的上下气流压差、无
人机无序不均衡受力，使得气压计测量误差增大等从而对无人机飞行过程产生严重的影
响，非常严重的时候甚至可能造成无人机翻转坠毁。

[0003] 气流扰动对无人机飞行造成的严重影响必须通过适当的控制方法和策略来解决，而目前无人机对于气流扰动的控制是将气流扰动当成系统控制误差，依靠无人机姿态位置
控制环中的PID参数进行简单的扰动控制，此种方法过于简单，在气流扰动干扰超过PID参
数调节范围后，无人机将不能及时调整相应的位置姿态造成摔机。目前，关于无人机抗干扰
方面的研究还是有一些,比如已授权的中国专利N201810049761.4《一种无人飞行器抗风干
扰位置控制方法和装置》,比如已受理的中国专利CN202010586242.9《一种多旋翼无人机
PID调试及抗干扰测试装置》等,上述控制算法均是在小范围简单扰动下设计的,抗干扰装
置结构比较简单，应用比较局限,而且针对气流干扰的研究非常少,已有的抗气流干扰装置
也均是在简单风扰下设计的,不能精准量化评估无人机位置抗气流干扰的能力以及对无人
机位置抗干扰能力进行测试分析。

[0004] 近年来无人机安全飞行越发受到该领域的公司、研究人员、公众和国家的重视，而外界风扰环境也一直是研究热点，本发明设计的一套旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化
评估与测试分析平台对无人机在大范围气流干扰强度下位置变化进行全面精准研究,能够
精确地量化无人机所受的气流干扰，精确评估无人机位置的抗气流干扰能力以及实现了无
人机位置抗干扰控制一体化设计。

发明内容

[0005] 本发明的技术解决问题是：克服了现有的仅依靠无人机位置控制环PID参数整定进行简单扰动控制的缺陷，提供一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系
统，弥补现有的无人机位置抗气流扰动控制研究的缺少与不足，通过研究各种气流干扰模
型的特性，并搭建气流干扰仿真平台和无人机抗气流干扰实验平台，能够精确地量化无人
机所受的气流干扰，精确评估无人机位置的抗气流干扰能力以及实现无人机位置抗干扰控
制一体化设计。

[0006] 本发明的技术解决方案是：一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，对各种气流扰动建立精确的仿真模型，利用组态软件精确地设置不同类型的气流干
扰的大小，利用仿真软件对无人机位置抗气流干扰的能力进行精确仿真分析评估，并利用
试验风场模拟设备构建无人机气流扰动飞行环境，进行实际气流扰动环境飞行实验，实现
无人机位置抗气流干扰控制一体化设计。

[0007] 如图1所示，该系统包括气流干扰生成系统(19)、气流干扰仿真平台(10)、和无人机抗气流干扰实验平台(17)；三者分别从干扰生成、干扰仿真和实际干扰实验三个方面构
成了整个旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统。

[0008] 所述气流干扰生成系统(19)，为气流干扰仿真平台(10)和无人机实验平台(17)生成不同类型和强度的气流干扰，包括紊流干扰、阵风干扰、风切变干扰以及自定义干扰，进
行无人机位置抗气流干扰控制研究；

[0009] 所述气流干扰生成系统(19)包括风扰生成子系统(18)和仿真气流干扰生成子系统(20)；风扰生成子系统(18)用于真实气流干扰生成；仿真气流干扰生成子系统(20)用于
仿真气流干扰生成；仿真气流干扰生成子系统(20)生成的用于仿真的风扰信号可以在风扰
生成子系统(18)中利用实机设备实现，风扰生成子系统(18)中生成的真实气流干扰在仿真
气流干扰生成子系统(20)有相应的数学模型和搭建的仿真模块。

[0010] 所述气流干扰仿真平台(10),建立于旋翼无人机实际飞行实验相近的仿真环境，确定无人机飞行受到不同类型和强度的气流干扰影响时的各种性能指标，从而为量化评估
旋翼无人机位置抗气流干扰能力提供一定的仿真研究和理论分析。

[0011] 所述无人机抗气流干扰实验平台(17)，提供了不同类型和强度气流干扰影响下无人机飞行的实验环境和位置抗气流干扰能力的测试平台，实现于真实环境中量化评估旋翼
无人机位置抗气流干扰能力，并能够实现无人机位置抗气流干扰控制一体化。

[0012] 所述仿真气流干扰生成子系统(20)是气流干扰生成系统(19)的重要组成部分以及整个平台的仿真气流干扰生成单元，由风干扰模型(5)及风干扰组态软件(21)组成；所述
风干扰模型(5)包括阵风干扰模型(1)、紊流干扰模型(2)、风切变干扰模型(3)以及自定义
风干扰模型(4)，通过对四种类型的风干扰建立精确的数学模型，并搭建仿真模型，根据实
际要求在风干扰组态软件(21)的界面中设置模型参数包括类型、强度等，从而生成不同大
小的气流干扰信号，并进一步编译生成气流扰动模块(6)。

[0013] 所述风扰生成子系统(18)是气流干扰生成系统(19)的重要组成部分以及整个平台的真实气流干扰生成单元，由风机(12)、风机软件(22)以及气流扰动控制系统控制柜
(11)组成；风机软件(22)控制风机(12)运行状态，气流扰动控制系统控制柜(11)设定和显
示风机(12)运转风速，为实际无人机位置抗气流干扰实验创建真实的风干扰环境。其中风
机(12)若干台，本发明选择10台，每台最大转速为每分钟1400转，能够生成不同大小的风干
扰，通过风机软件(22)可以设置XYZ三个空间维度上的风速大小，进而改变运转风机的数目
和风机风力的大小，可以于实际飞行环境中生成不同强度的风干扰，从而对无人机位置抗
气流干扰的能力进行精确地量化评估；通过在气流扰动控制系统控制柜(11)的触摸屏上输
入与风机电机电流4‑20MA范围相对应的风速参数范围0‑16383之间的数值，改变风机运转
速度，可以生成相应大小的风干扰，，同时实时显示各风机运转速度，地面站(14)通过通讯
模块可以精确地获得三维风场的信息，包括风干扰的大小和方向。

[0014] 所述风干扰模型(5)仿真气流干扰生成子系统(20)的重要组成部分，包括阵风干扰模型(1)、紊流干扰模型(2)、风切变干扰模型(3)以及自定义风干扰模型(4)；其中阵风干
扰数学模型(1)为： 参数Vm是阵风幅值，dm
是阵风长度，x是距离，Vwind是在机体轴产生的空速增量；紊流干扰数学模型(2)为：

[0015]

[0016]

[0017]

[0018] 参数uυω分别为轴向的速度流场，p q r分别为产生的旋转风场，V空速，b翼展，Lu Lv Lw代表紊流尺度，σuσvσw代表紊流强度，π为圆周率，s为拉普拉斯变量；风切变干扰数学模
型(3)为： 3ft＜h＜1000ft，参数uw为风切变大小，W20是20ft的风力大小，h
是高度，z0为一个常数；自定义风干扰数学模型(4)为：在开发的风干扰组态软件(21)中可
以自行定义风干扰的各个参数，从而生成相应的风干扰模型。

[0019] 所述气流干扰仿真平台(10)由仿真机上的仿真软件搭建而成的，是测试平台的气流干扰仿真环境，由控制器模块(7)、无人机模型模块(8)、气流扰动模块(6)、上位机软件
(22)以及画面输出模块(9)组成，具备典型气流扰动模拟测试能力以及软件在环仿真能力；
气流扰动模块(6)和控制器(7)作用于无人机模型模块(8)，通过操作上位机软件(22)可以
实时将无人机飞行状况进行画面输出(9)；能够精确地分析无人机飞行位置受到不同强度
的气流干扰影响时的各种性能指标，为实验平台抗气流干扰位置控制算法一体化的设计提
供一定依据；所述气流干扰模块(6)包含了不同的风干扰模型的仿真搭建，生成不同类型和
强度的风干扰信号并作用于无人机模型模块(8)，为无人机位置抗气流干扰控制算法的设
计和验证提供气流干扰；所述控制器模块(7)用于无人机位置控制算法以及抗风干扰算法
的设计，并输出控制信号作用于无人机模型模块(8)，可将设计好的控制算法直接迁移至无
人机抗气流干扰实验平台(17)中地面站(14)的位置控制器中，用于无人机实际飞行测试；
所述无人机模型模块(8)包含对实际无人机动力学模型的搭建，从而能够实现与实际无人
机控制近似的仿真控制；所述上位机软件(22)能够将无人机仿真飞行环境设置为实际物理
环境，实时显示无人机在真实环境的飞行状态，以及与无人机位置相关的各项性能指标，为
设计和改进抗气流干扰位置控制算法提供理论依据。

[0020] 所述无人机抗气流干扰实验平台(17)是测试平台的气流干扰实际试验环境，由光学定位系统(16)、数传模块(13)、地面站(14)、旋翼无人机(15)以及风扰生成子系统(18)组
成，具备气流扰动模型在线注入能力、硬件在环仿真能力以及抗干扰气流扰动飞行实验测
试与验证能力；风扰生成子系统(18)为旋翼无人机(15)飞行提供气流干扰，地面站(14)生
成的控制信号作用于旋翼无人机(15)，控制无人机飞行状态，光学定位系统(16)实时检测
旋翼无人机(15)飞行的位置和姿态信息并通过数传模块(13)传回给地面站(14)，以便设计
位置控制算法。搭建了无人机位置抗气流干扰实验的真实飞行环境，为无人机抗干扰位置
控制器的一体化设计提供了实现条件。所述地面站(14)与数传模块(13)之间采用串口通
信，传递无人机位置姿态数据；所述风干扰生成子系统(18)经串行数据通信接口实时将三
维风场信号传给地面站(14)，地面站(14)收到数据，并经控制算法与逻辑处理后，生成控制
信号，经无线电台传给旋翼无人机(15)，进而控制无人机的位置和姿态。所述光学定位系统
(16)由若干相机和开发的光学定位系统软件(23)组成，通过在系统软件中创建若干刚体模
型，可以实时捕获无人机的位置和姿态信息，并通过数传模块(13)将数据传给地面站(14)；

[0021] 所述光学定位系统软件(23)操作流程如下：

[0022] (1)将若干台相机的角度和高度进行调整，确保相机拍照的区域能够覆盖整块实验场地；

[0023] (2)对若干台相机的参数进行设置，包括相机的帧率、曝光时间、二值化阈值、红外光亮度等参数；

[0024] (3)通过遮住和移走反光物，去除背景噪声，清除掉相机视野中的干扰点；

[0025] (4)在场地中持续挥动T型标定杆，采集相机标定参数并计算每个相机之间的相对位姿；

[0026] (5)将直角标定器放置在场地中央，设置好原点和并XY轴方向并标定应用；

[0027] (6)保存标定结果，相机标定完成；

[0028] (7)将带有反光求的无人机放入场地中，在软件界面创建刚体对其信息进行捕获；

[0029] (8)在软件界面实时显示刚体在三维空间的运动轨迹，并生成刚体轨迹记录文件。

[0030] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0031] (1)本发明对气流干扰建立了精确的数学模型并搭建了气流干扰仿真模块，而且仿真模块有气流类型、强度等可调参数，给无人机抗气流干扰仿真实验提供不同类型和强
度的气流干扰；10台风机设备布置于实验场地，每台最大转速1400转/分钟，给无人机抗气
流干扰实际飞行实验提供不同类型和强度的风扰；使得该系统能够精确量化评估旋翼无人
机位置抗气流干扰能力，精确刻画评估无人机位置抗气流干扰能力边界。

[0032] (2)本发明既搭建了气流干扰仿真平台又构建了实验室条件下旋翼无人机扰动飞行环境，搭建了实验平台，仿真实验和实际飞行试验相结合，理论分析和实际验证相结合，
使得该测试系统具有完备性，为旋翼无人机在大范围气流扰动环境下研究其位置抗气流干
扰控制算法的仿真、验证、迭代和优化一体化设计提供了平台。

[0033] (3)本发明研发的上位机软件群，使得研究人员能够精确方便地设置干扰类型和强度，更加直观方便观察无人机风扰下地运行状态，增加本发明使用的便捷性。

附图说明

[0034] 图1为本发明的测试系统组成结构；

[0035] 图2为光学定位系统软件操作流程。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

[0037] 如图1所示，一种旋翼无人机位置抗气流干扰能力量化评估与测试系统，其特征在于：该系统包括气流干扰生成系统19、气流干扰仿真平台10、无人机抗气流干扰实验平台
17；三者分别从干扰生成、干扰仿真和实际干扰实验三个方面构成了整个旋翼无人机位置
抗气流干扰能力量化评估与测试系统。

[0038] 进一步地，所述气流干扰生成系统19为气流干扰仿真平台10和无人机实验平台17生成不同类型和强度的气流干扰，包括紊流干扰、阵风干扰、风切变干扰以及自定义干扰，
进行无人机位置抗气流干扰控制研究；所述气流干扰生成系统19包括风扰生成子系统18和
仿真气流干扰生成子系统20；风扰生成子系统18用于真实气流干扰生成；仿真气流干扰生
成子系统20用于仿真气流干扰生成；仿真气流干扰生成子系统20生成的用于仿真的风扰信
号可以在风扰生成子系统18中利用实机设备实现，风扰生成子系统18中生成的真实气流干
扰在仿真气流干扰生成子系统20有相应的数学模型和搭建的仿真模块。

[0039] 进一步地，所述气流干扰仿真平台10,建立与旋翼无人机实际飞行实验相近的仿真环境，确定无人机飞行受到不同类型和强度的气流干扰影响时的各种性能指标，从而为
量化评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力提供一定的仿真研究和理论分析。

[0040] 进一步地，所述无人机抗气流干扰实验平台17，提供了不同类型和强度气流干扰影响下无人机飞行的实验环境和位置抗气流干扰能力的测试平台，实现于真实环境中量化
评估旋翼无人机位置抗气流干扰能力，并能够实现无人机位置抗气流干扰控制一体化。

[0041] 进一步地，所述仿真气流干扰生成子系统20是气流干扰生成系统19的重要组成部分以及整个平台的仿真气流干扰生成单元，由风干扰模型5、及相应的风干扰组态软件21组
成；所述风干扰模型5包括阵风干扰模型1、紊流干扰模型2、风切变干扰模型3以及自定义风
干扰模型4，通过对四种类型的风干扰建立精确的数学模型，并搭建仿真模型，根据实际要
求在风干扰组态软件21的界面中设置模型参数包括类型、强度等，从而生成不同大小的气
流干扰信号，并进一步编译生成气流扰动模块6。

[0042] 进一步地，所述风扰生成子系统18是气流干扰生成系统19的重要组成部分以及整个平台的真实气流干扰生成单元，由风机12、风机软件22以及气流扰动控制系统控制柜11
组成，；风机软件22控制风机12运行状态，气流扰动控制系统控制柜11设定和显示风机12运
转风速，为实际无人机位置抗气流干扰实验创建真实的风干扰环境。其中风机12若干台台，
每台最大转速为每分钟1400转，能够生成不同大小的风干扰，通过风机软件22可以设置XYZ
三个空间维度上的风速大小，进而改变运转风机的数目和风机风力的大小，可以于实际飞
行环境中生成不同强度的风干扰，从而对无人机位置抗气流干扰的能力进行精确地量化评
估；通过在气流扰动控制系统控制柜11的触摸屏上输入与风机电机电流4‑20MA范围相对应
的风速参数范围0‑16383之间的数值，改变风机运转速度，可以生成相应大小的风干扰，同
时实时显示各风机运转速度，地面站14通过通讯模块可以精确地获得三维风场的信息，包
括风干扰的大小和方向。

[0043] 进一步地，所述风干扰模型5是仿真气流干扰生成子系统20的重要组成部分，包括阵风干扰模型1、紊流干扰模型2、风切变干扰模型3以及自定义风干扰模型4；其中阵风干扰
数学模型1为：

[0044] 参数Vm是阵风幅值，dm是阵风长度，x是距离，Vwind是在机体轴产生的空速增量；

[0045] 紊流干扰数学模型(2)为：

[0046]

[0047]

[0048] 参数uυω分别为轴向的速度流场，p q r分别为产生的旋转风场，V空速，b翼展，Lu Lv Lw代表紊流尺度，σuσv
σw代表紊流强度，π为圆周率，s为拉普拉斯变量。它们取值规律为：A、低空模型(高度小于
10000feet，约为304.8m)， 一般而言，轻微扰动W20＝15海
里每小时，中等扰动W20＝30海里每小时，强烈扰动W20＝45海里每小时；B、中高空模型(高度
大于2000feet，约为609.6m)，假定湍流的尺度和强度是各向同性的，湍流尺度满足下列关
系：Lu＝Lu＝Lu＝1750ft＝533.4m；C、低中空模型(1000feet～2000feet，约为304.8m～
609.6m),可取1000feet处和2000feet处的值，然后进行线性插值，即可求出尺度和强度；风
切变干扰数学模型3为： 3ft＜h＜1000ft，参数W20是20ft的风力大小，h是
高度，z0为一个常数，在C类飞行阶段时取0.15feet，对于其他飞行阶段取2.0feet；自定义
风干扰数学模型4为：在开发的风干扰组态软件中可以自行定义风干扰的各个参数，从而生
成相应的风干扰模型。

[0049] 进一步地，所述气流干扰仿真平台10由仿真机上的仿真软件搭建而成的，是测试平台的气流干扰仿真环境，由控制器模块7、无人机模型模块8、气流扰动模块6、上位机软件
22以及画面输出模块9组成，，具备典型气流扰动模拟测试能力以及软件在环仿真能力；气
流扰动模块6和控制器7作用于无人机模型模块8，通过操作上位机软件22可以实时将无人
机飞行状况进行画面输出9；能够精确地分析无人机飞行位置受到不同强度的气流干扰影
响时的各种性能指标，为实验平台抗气流干扰位置控制算法一体化的设计提供一定依据；
所述气流干扰模块6包含了不同的风干扰模型的仿真搭建，生成不同类型和强度的风干扰
信号并作用于无人机模型模块8，为无人机位置抗气流干扰控制算法的设计和验证提供气
流干扰；所述控制器模块7用于无人机位置控制算法以及抗风干扰算法的设计，并输出控制
信号作用于无人机模型模块8，可将设计好的控制算法直接迁移至无人机抗气流干扰实验
平台17中地面站14的位置控制器中，用于无人机实际飞行测试；所述无人机模型模块8包含
对实际无人机动力学模型的搭建，从而能够实现与实际无人机控制近似的仿真控制；所述
上位机软件22能够将无人机飞行环境设置为实际物理环境，实时显示无人机在真实环境的
飞行状态，以及与无人机位置相关的各项性能指标，为设计和改进抗气流干扰位置控制算
法提供理论依据。

[0050] 进一步地，所述无人机抗气流干扰实验平台17是测试平台的气流干扰实际试验环境，由光学定位系统16、数传模块13、地面站14、无人机15以及风干扰生成子系统18组成，具
备气流扰动模型在线注入能力、硬件在环仿真能力以及抗干扰气流扰动飞行实验测试与验
证能力；风扰生成子系统18为旋翼无人机15飞行提供气流干扰，地面站14生成的控制信号
作用于旋翼无人机15，控制无人机飞行状态，光学定位系统16实时检测旋翼无人机15飞行
的位置和姿态信息并通过数传模块13传回给地面站14，以便设计位置控制算法。搭建了无
人机位置抗气流干扰实验的真实飞行环境，为无人机抗干扰位置控制器的一体化设计提供
了实现条件；

[0051] 进一步地，所述地面站14与数传模块13之间采用串口通信，传递无人机位置姿态数据；所述风干扰生成子系统18经串行数据通信接口实时将三维风场信号传给地面站14，
地面站14收到数据，并经控制算法与逻辑处理后，生成控制信号，经无线电台传给旋翼无人
机15，进而控制无人机的位置和姿态。所述光学定位系统16由若干相机和开发的光学定位
系统软件23组成，通过在系统软件中创建若干刚体模型，可以实时捕获无人机的位置和姿
态信息，并通过数传模块13将数据传给地面站14；

[0052] 进一步地，所述光学定位系统16是无人机抗气流干扰实验平台17的重要组成部分，由若干相机和开发的光学定位系统软件23组成，通过对定位系统的标定构建三维捕获
空间，通过若干台相机同步捕获刚体的二维信息并利用三角法，计算出刚体的位置和姿态
信息；定位系统标定产生的三维空间为毫米级的动态捕获空间，可以在系统软件中查看生
成的有效捕获区域，刚体在三维空间运动时会形成运动轨迹，可以在软件界面实时显示刚
体的运动轨迹，并可以生成刚体轨迹记录文件。

[0053] 如图2所示，光学定位系统软件23操作流程如下：

[0054] (1)将若干台相机的角度和高度进行调整，确保相机拍照的区域能够覆盖整块实验场地；

[0055] (2)对若干台相机的参数进行设置，包括相机的帧率、曝光时间、二值化阈值、红外光亮度等参数，一般情况下，帧率为120Hz，曝光时间为1000ms，二值化阈值为150，红外光亮
度主动时选每平米0坎德拉，被动时选每平米15坎德拉；

[0056] (3)通过遮住和移走反光物，去除背景噪声，清除掉相机视野中的干扰点；

[0057] (4)在场地中持续挥动T型标定杆，采集相机标定参数并计算每个相机之间的相对位姿；

[0058] (5)将直角标定器放置在场地中央，设置好原点和并XY轴方向并标定应用；

[0059] (6)保存标定结果，相机标定完成；

[0060] (7)将带有反光求的无人机放入场地中，在软件界面创建刚体对其信息进行捕获；

[0061] (8)在软件界面实时显示刚体在三维空间的运动轨迹，并生成刚体轨迹记录文件。

[0062] 总之，本发明能够精确量化无人机所受气流干扰的大小，精确刻画评估无人机位置抗气流干扰能力边界以及对无人机位置抗干扰控制进行一体化设计，验证了旋翼无人机
飞控系统位置抗气流干扰能力量化评估与测试平台的有效性和工程实用性，适用于航空航
天领域的无人机位置抗气流干扰的仿真分析、量化评估测试以及实际飞行验证试验。

[0063] 以上是所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领
域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改动应视为
本发明的保护范围。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知
技术。