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【发明公布】一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法_北京理工大学_201910904321.7 

申请/专利权人:北京理工大学

申请日:2019-09-24

公开(公告)日:2020-01-10

公开(公告)号:CN110672092A

主分类号:G01C21/08(20060101)

分类号:G01C21/08(20060101);G01C21/06(20060101);G01C21/20(20060101);G01C21/16(20060101);G06F17/11(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.05.25#授权;2020.02.11#实质审查的生效;2020.01.10#公开

摘要:本发明涉及一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法,适用于固定翼无人机航电设备的磁干扰控制,属于磁传感技术领域。本发明在固定翼无人机预先进行磁补偿无法完全消除平台磁干扰的前提下,通过生成不妨碍任务执行的、特定的航迹点,进一步降低固定翼无人机磁场对机载高精度设备的干扰;具有下述优点:成本低,操作简单,航迹点精度高,易实现等优点。此外,本发明即使在缺乏专业知识背景的情况下也能进行操作,能够在固定翼无人机工程应用中广泛应用于任务航迹规划。

主权项:1.一种降低固定翼无人机平台磁干扰的航迹生成方法,其特征在于:包括如下步骤:1T-L方程的线性化及模型参数a11~a33和P1~P3获取;步骤1:航迹规划所需北东地坐标系、机体坐标系的定义及坐标系转换关系,和固定翼无人机欧拉角正方向的定义;参考坐标系采用北东地坐标系和机体坐标系;其中,机体坐标系x轴指向固定翼无人机左机翼,y轴指向机头,z轴在固定翼无人机纵向平面内,指向下;North指向地磁北极,方位角X为地磁矢量Be与机体坐标系x轴的方位夹角;方位角Y为地磁矢量Be与机体坐标系y轴的方位夹角;方位角Z为地磁矢量Be与机体坐标系z轴的方位夹角;θ为地理北极与地磁北极的夹角,即地磁偏角;为地磁矢量Be与地磁北极的夹角,即地磁倾角;固定翼无人机的欧拉角定义如下:λ为固定翼无人机的俯仰角;Ψ为固定翼无人机的滚转角;Ω为固定翼无人机的偏航角;为简化公式形式,使s代表sin,使c代表cos;那么,方位角X、Y、Z与欧拉角的关系表示如下: 那么,地磁矢量到机体坐标系的坐标转换关系如式2所示, 其中,Bbex为地磁矢量在机体坐标系x轴上的分量,Bbey为地磁矢量在机体坐标系y轴上的分量,Bbez为地磁矢量在机体坐标系z轴上的分量;为地磁矢量投影到北东地坐标系的转换矩阵;Rx、Ry、Rz为采用坐标旋转法时,北东地坐标系向机体系转换的转换矩阵,其中,Ry为北东地坐标系绕y轴旋转ψ的转换矩阵,Rz为北东地坐标系绕z轴旋转Ω的转换矩阵,Rx为北东地坐标系绕x轴旋转λ的转换矩阵,Rx、Ry和Rz连续左乘即实现北东地坐标系到机体坐标系的转换;通过式2,得到地磁矢量到机体坐标系的坐标转换关系,即地磁矢量在机体坐标系的分量;上述4个转换矩阵的表达如式3所示: 步骤2:T-L方程的线性化;根据T-L方程,固定翼无人机平台视为沿机体坐标系三个坐标轴的铁磁性杆,其磁干扰据此分为固定磁场、感应磁场和涡流磁场;固定磁场由铁磁性物质产生,大小为常数,其表达式为: 式中,P1、P2、P3为固定磁场的系数,为机体坐标系三轴正方向的单位向量;感应磁场由固定翼无人机软磁材料在地磁场作用下磁化生成,其表达式为: 其中,Bidx为感应磁场在机体坐标系x轴的分量,Bidy为感应磁场在机体坐标系y轴的分量,Bidz为感应磁场在机体坐标系z轴的分量;a11为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数,a12为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数,a13为固定翼无人机因Bbez在机体坐标系x轴产生的感应磁场分量系数,a21为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数,a22为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数,a23为固定翼无人机因Bbez在机体坐标系y轴产生的感应磁场分量系数,a31为固定翼无人机因Bbex在机体坐标系z轴产生的感应磁场分量系数,a32为固定翼无人机因Bbey在机体坐标系z轴产生的感应磁场分量系数,a33为固定翼无人机因Bbez在机体坐标系z轴产生的感应磁场分量系数;涡流磁场是由固定翼无人机软磁材料切割磁感线引起的干扰磁场,与地磁矢量在机体坐标系上分量的时间变化率有关,其表达式为: 为涡流磁场系数矩阵,为Bbex的时间变化率,为Bbey的时间变化率,为Bbez的时间变化率;根据固定翼无人机的特点,得到如下数学关系: 对T-L方程进行简化得到: k11~k33与c1~c3均为中间变量,表达式如表1所示表1参数及其表达式 步骤3:获取步骤2中中间变量kij和ci的具体数值;需获得的步骤2中的参数值为固定磁场和感应磁场的系数;采用软补偿估计法,使固定翼无人机在地磁稳定处的2km左右高空的四边航线内,依次分别完成俯仰、滚转和偏航机动,进而获取固定磁场和感应磁场系数的近似估计,并将获取的模型参数存入文件A;所述模型参数包括:a11~a33,P1~P3;提取所在环境的地磁场信息,所属地磁场信息包括地磁场磁场强度、地磁偏角和地磁倾角,存入文件B;通过文件A和文件B中存入的数据解求出步骤2中中间变量kij和ci的具体数值;2航迹点生成步骤4:任务环境信息提取;所述任务环境信息包括:环境的地磁场信息、地形信息和约束;1步骤3中已将环境的地磁场信息存入到文件B中;2提取任务执行范围内的地形信息,存入文件C;所述地形信息包括地形威胁和禁飞区威胁,避免固定翼无人机与地形发生碰撞或进入危险区域;3提取任务执行过程中对固定翼无人机飞行机动性的约束,存入文件D;所述固定翼无人机飞行机动性的约束包括:飞行范围、飞行高度、飞行速度、飞行机动的角度及飞行机动角度的时间变化率,固定翼无人机质量;步骤5:基于三自由度固定翼无人机运动与动力学模型,采用高斯伪谱法生成并提取航迹点;固定翼无人机模型采用三自由度模型,运动学模型如下所示 式中,为固定翼无人机在北东地坐标系内x坐标的时间变化率,为固定翼无人机在北东地坐标系内y坐标的时间变化率,为固定翼无人机在北东地坐标系内z坐标的时间变化率;V为固定翼无人机飞行速度;γ为固定翼无人机飞行速度方向与水平面的夹角,即航迹倾角,χ为固定翼无人机飞行速度方向与北东地坐标系x轴的夹角,即航向角;动力学模型如下所示: 式中,T为固定翼无人机发动机推力,D为固定翼无人机飞行阻力,L为固定翼无人机飞行升力,m为固定翼无人机飞行质量,g为地球重力加速度,α为固定翼无人机机体纵轴与速度方向的夹角,即迎角;将步骤3中获取的中间变量kij和ci读入步骤2得到的线性化模型式8,结合步骤4提取的完整的任务环境信息,采用高斯伪谱法对固定翼无人机的任务航迹进行规划;根据规划得到的航迹,依次获取航迹的坐标点,将上述提取的航迹的坐标点储存在文件E中;步骤6:根据固定翼无人机搭载的自驾仪类型编辑并输出对应格式的航迹点文件,即完成固定翼无人机任务航迹生成。

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