旋翼無人機(jī)測算風(fēng)速風(fēng)向技術(shù)研究

何 誠，呂振義，李 瑾，王 越，舒立福

(1. 南京森林警察學(xué)院偵查學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 深圳市科衛(wèi)泰實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518101; 3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091)

隨著科技發(fā)展及無人機(jī)技術(shù)的普及，無人機(jī)應(yīng)用的行業(yè)越發(fā)廣泛，包括公安偵查、森林資源調(diào)查、森林火災(zāi)撲救、電力巡檢、搶險救災(zāi)、廣告宣傳等方面?？罩酗L(fēng)向風(fēng)速的探測對掌握大氣層運(yùn)動狀態(tài)具有重要意義，在特定場景下，如森林火災(zāi)撲救指揮現(xiàn)場、抗險救災(zāi)指揮現(xiàn)場等，風(fēng)速風(fēng)向信息的獲取，直接影響撲救指揮作戰(zhàn)方案；實(shí)時掌握風(fēng)場信息，也是預(yù)測天氣變化的重要數(shù)據(jù)支撐，尤其在山谷海拔落差大的小氣候環(huán)境，掌握風(fēng)場信息顯得風(fēng)更迫切，然而目前大部分民用無人機(jī)都不具備測量風(fēng)場參數(shù)的功能[1-3]。目前測量高空風(fēng)速的主要方法包括風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)法、氣球法測風(fēng)法和利用衛(wèi)星根據(jù)云圖上云的運(yùn)動推算風(fēng)向和風(fēng)速[4-6]。風(fēng)廓線雷達(dá)探測某一特定區(qū)域的風(fēng)場情況雖然精度高，但受天氣情況影響很大；目前測量小范圍風(fēng)向風(fēng)速精度最高的方法為氣球法測風(fēng)法，但其成本相對昂貴且測量范圍?。焕眯l(wèi)星根據(jù)云圖上云的運(yùn)動推算風(fēng)向和風(fēng)速的方法，因云的水平分布和鉛直分布都不均勻，所以其測量精度得不到保障[6]。

國內(nèi)外一些學(xué)者專家，也從不同角度提出無人機(jī)測量風(fēng)場的一些方法，包括水平空速歸零法[7]、航位推算法[8]、皮托-靜壓管測風(fēng)法[9]；上述幾種無人機(jī)測量風(fēng)速的方法，雖從理論上都具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，但使用環(huán)境受到局限，測量過程中，要求無人機(jī)在水平面內(nèi)盤旋飛行，不適合落差大高海拔等復(fù)雜地形環(huán)境，也滿足不了大區(qū)域執(zhí)行探測任務(wù)，后處理流程煩瑣且工作量大，滿足不了實(shí)時測量風(fēng)場信息的需求。為了滿足高海拔落差大等復(fù)雜環(huán)境下風(fēng)場信息實(shí)時探測需求，本文提出一種基于旋翼無人機(jī)螺旋槳坐標(biāo)信息的測算風(fēng)速風(fēng)向技術(shù)，并對其方法進(jìn)行研究，并對其測量精度進(jìn)行檢測，進(jìn)而探索一種可行的高精度的無人機(jī)測風(fēng)方法。

1 材料與方法

1.1 測試無人機(jī)性能簡介

本文使用測試的無人機(jī)有兩款，分別為KWT-X6M與KWT-X6L系列，如圖1所示，性能參數(shù)如下：兩款無人機(jī)都為全碳纖維機(jī)身，動能為鋰電池供電，在500 g載荷飛行時間大于60 min，上翹機(jī)臂設(shè)計，增加了飛行平穩(wěn)性，抗風(fēng)能力大于7級，可在海拔5 km以上地區(qū)飛行，智能飛控系統(tǒng)，支持手動精準(zhǔn)操控及自主飛行模式，RTK機(jī)型高抗磁干擾，高精度定位，GPS懸停精度垂直方向為1.5 cm，水平方向為2 mm，遙控器最大控制距離為7 km(取決于當(dāng)?shù)仉姶怒h(huán)境)，地面站最大控制距離為10 km(取決于當(dāng)?shù)仉姶怒h(huán)境)，全高清實(shí)時傳輸，支持HD1080i/p圖像,支持變焦、熱成像、廣角等多種云臺；KWT-X6M型號無人機(jī)電機(jī)軸距：955±10 mm，最大翼展：1412±20 mm，標(biāo)準(zhǔn)起飛重量：10±0.2 kg；KWT-X6L型號無人機(jī)電機(jī)軸距：1600±10 mm，最大翼展：2323±20 mm，標(biāo)準(zhǔn)起飛重量：11.5±0.2 kg。

1.2 無人機(jī)螺旋槳坐標(biāo)信息獲取

無人機(jī)主體上裝有RTK(real time kinematic)定位系統(tǒng)，可以實(shí)時獲取主機(jī)的三維坐標(biāo)信息，在六旋翼無人電動直升機(jī)的6個旋翼上安裝相對于無人機(jī)主體機(jī)器(簡稱為主機(jī))方位角測量裝備(可以測量出螺旋槳方位角及傾角)，結(jié)合主機(jī)三維坐標(biāo)信息、螺旋槳的方位角與傾角數(shù)據(jù)，由三角函數(shù)原理推算出6個螺旋槳的坐標(biāo)，進(jìn)而可以根據(jù)螺旋槳的坐標(biāo)信息，計算出旋翼無人機(jī)的整體傾角，推算原理如下：

設(shè)主機(jī)坐標(biāo)為(x,y,z)，各個螺旋槳坐標(biāo)信息為(xi,yi,zi)，其中主體坐標(biāo)由RTK自動獲取，而螺旋槳坐標(biāo)信息計算方法為

(1)

式中，s為螺旋槳與主機(jī)RTK的距離；θi為方位角；αi為傾角。

1.3 試驗方法

測試時間為2019年8月5—6日，測試地點(diǎn)為深圳市寶安區(qū)恒豐工業(yè)園C3樓樓頂，天氣晴，風(fēng)速3～4 m/s，氣溫30～32℃，測試機(jī)型為KWT-X6M與KWT-X6L，測試所用航線如圖2所示，飛行高度50 m。試驗分組如下：①KWT-X6M無人機(jī)50 m高度飛行時速度和機(jī)身傾角對應(yīng)關(guān)系(對照測試組:空機(jī)飛行、掛載648 g云臺飛行)；②KWT-X6L無人機(jī)50 m高度飛行時速度和機(jī)身傾角對應(yīng)關(guān)系(對照測試組:空機(jī)飛行、掛載648 g云臺飛行)；③KWT-X6L無人機(jī)掛標(biāo)準(zhǔn)載荷(648 g云臺)飛行時機(jī)身傾角和速度的對應(yīng)關(guān)系(對照測試組：50 m高度飛行、100 m高度飛行)。設(shè)定好試驗方法后，用地面站航點(diǎn)飛行方式控制無人機(jī)在不同高度，設(shè)置不同載荷時以1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 m/s的飛行速度分別完成順風(fēng)、逆風(fēng)往返飛行(速度穩(wěn)定后保持20 s執(zhí)行下一個飛行計劃)，如無風(fēng)狀態(tài)下同樣速度正南正北各飛一次后取平均值以降低環(huán)境風(fēng)對測試結(jié)果的影響。

1.4 風(fēng)場與飛機(jī)運(yùn)動影響效應(yīng)原理分析[10-11]

動量守恒定律是指如果一個系統(tǒng)不受外力，或所受外力的矢量和為零，那么這個系統(tǒng)的總動量則保持不變。動量守恒定律是自然界中最普遍的守恒定律之一，它既適用于宏觀物體，也適用于微觀粒子；既適用于低速運(yùn)動物體，也適用于高速運(yùn)動物體；它既適用于保守系統(tǒng)，也適用于非保守系統(tǒng)。應(yīng)用流體力學(xué)中定性各種機(jī)械能的守恒與轉(zhuǎn)換關(guān)系,根據(jù)運(yùn)動參考系的定義，當(dāng)本文中提出的測風(fēng)無人機(jī)與風(fēng)各自作為參考坐標(biāo)系，運(yùn)用牛頓運(yùn)動力學(xué)作為解釋。當(dāng)以靜止風(fēng)作為參考坐標(biāo)時，勻速飛行的飛機(jī)可以定義為相對于靜止風(fēng)，以一個固定的速度在運(yùn)動；而當(dāng)把勻速飛行的飛機(jī)為靜止參考坐標(biāo)系時，可以認(rèn)為風(fēng)往飛機(jī)飛行方向與飛機(jī)同速的風(fēng)速在吹動。因此在此參考系下，原則上要求無人機(jī)需勻速朝向一個固定方向飛行，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與飛行速度的相互定義。而實(shí)際測量過程中，一是絕對無風(fēng)狀態(tài)下的概率偏小，可能會伴有陣風(fēng)的出現(xiàn)；二是飛行無人機(jī)保持決定的勻速狀態(tài)的難度很大；三是當(dāng)無人機(jī)測量風(fēng)速時，也會出現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向的波動轉(zhuǎn)化，上述原因皆可能讓測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差[12-14]。當(dāng)風(fēng)場與飛機(jī)運(yùn)動影響效應(yīng)在有風(fēng)的狀態(tài)下進(jìn)行時，試驗在保證無人機(jī)飛行方向與風(fēng)向垂直的情況下，可簡單將飛行的無人機(jī)定義為順風(fēng)飛行和逆風(fēng)飛行，根據(jù)牛頓定律中的相對運(yùn)動定律，在有風(fēng)狀態(tài)下，將勻速運(yùn)動的無人機(jī)作為靜止參考系來衡量風(fēng)速情況，可以用下述公式進(jìn)行計算：①無人機(jī)逆風(fēng)飛行狀態(tài)：V=ν機(jī)+ν風(fēng)；②無人機(jī)順風(fēng)飛行狀態(tài)：V=ν機(jī)-ν風(fēng)。式中，V為模擬無人機(jī)勻速飛行狀態(tài)情境下，以飛行無人機(jī)作為靜止參考系，無人機(jī)所承受的風(fēng)速；ν機(jī)為無人機(jī)勻速飛行速度；ν風(fēng)為試驗過程中實(shí)際的風(fēng)速。

2 結(jié)果與分析

通過圖2 KWT-X6系列無人機(jī)不同條件下飛行速度與飛機(jī)傾角的關(guān)系可得，無人機(jī)勻速飛行速度與無人機(jī)的飛機(jī)傾角呈正相關(guān)關(guān)系，無風(fēng)狀態(tài)的飛行速度與飛機(jī)傾角呈線性關(guān)系，逆風(fēng)飛行的無人機(jī)傾角大于無風(fēng)和順風(fēng)無人機(jī)飛行傾角，說明風(fēng)速直接影響無人機(jī)的傾角。在圖2逆風(fēng)和順風(fēng)飛行試驗過程中，出現(xiàn)飛行速度與飛機(jī)傾角數(shù)據(jù)曲線不平滑現(xiàn)象，原因是無人機(jī)在飛行過程中，空中氣流不穩(wěn)定，可能有陣風(fēng)或亂流的出現(xiàn)，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)跳動，進(jìn)而導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。

圖3—圖6分別展示了風(fēng)速干擾下不同載重?zé)o人機(jī)與飛機(jī)傾角響應(yīng)關(guān)系、順逆風(fēng)干擾與飛機(jī)傾角相應(yīng)關(guān)系、兩種系列不同類型無人機(jī)在風(fēng)速干擾下與飛機(jī)傾角的響應(yīng)關(guān)系、無人機(jī)飛行不同高度在風(fēng)速干擾下與飛機(jī)傾角的響應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析可得：①21寸槳X6M型號無人機(jī)飛行速度與重量的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示，當(dāng)風(fēng)速在5 m/s以下時，空負(fù)載無人機(jī)之間的迎風(fēng)傾角差異性不大，當(dāng)風(fēng)速在5 m/s以上時，對應(yīng)的迎風(fēng)狀態(tài)下無人機(jī)傾角相對于空載迎風(fēng)無人機(jī)飛行傾角會相對減小，由此可得，無人機(jī)負(fù)載加重時，對應(yīng)受風(fēng)速干擾的傾角會相對減小。②圖4數(shù)據(jù)響應(yīng)了牛頓定律中的相對運(yùn)動定律，無論無人機(jī)為順風(fēng)飛行測試還是逆風(fēng)飛行測試，從將無人機(jī)飛行速度轉(zhuǎn)換成風(fēng)速的數(shù)據(jù)上來看，順逆風(fēng)干擾對飛機(jī)姿態(tài)傾角對應(yīng)同等受力情況數(shù)據(jù)相同。③圖5展示了KWT-X6M與KWT-X6L 2種系列無人機(jī)在相同風(fēng)速干擾下與飛機(jī)傾角的響應(yīng)關(guān)系。通過數(shù)據(jù)分析可得，KWT-X6L在風(fēng)速干擾下飛機(jī)傾角小于KWT-X6M，從其結(jié)構(gòu)條件下分析，KWT-X6L型號無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)起飛重量為11.5±0.2 kg，KWT-X6M型號無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)起飛重量為10±0.2 kg；KWT-X6L型號無人機(jī)電機(jī)軸距為1600±10 mm，KWT-X6M型號無人機(jī)電機(jī)軸距為955±10 mm。由此可得，無人機(jī)外形上體積與自重偏大的無人機(jī)，受風(fēng)速干擾下飛機(jī)傾角幅度，小于外形上體積與自重偏小型號的無人機(jī)。④圖6數(shù)據(jù)表明，相同風(fēng)速條件下，海拔對無人機(jī)飛行傾角與風(fēng)速之間的響應(yīng)關(guān)系沒有影響，展示了具有風(fēng)速干擾下無人機(jī)飛行高度與飛機(jī)傾角的響應(yīng)關(guān)系，高海拔區(qū)域因出現(xiàn)陣風(fēng)的概率，大于低海拔區(qū)域，因此無人機(jī)飛行受陣風(fēng)干擾出現(xiàn)噪點(diǎn)的概率相對低海拔大一點(diǎn)。

將KWT-X6M型號無人機(jī)在空載無風(fēng)高50 m的條件下進(jìn)行測試飛行，通過無人機(jī)飛行角度與風(fēng)速之間的關(guān)系，結(jié)合牛頓定律、相對運(yùn)動定律等相關(guān)理論，多次飛行取平均值，在保證數(shù)據(jù)精度的條件下，建立KWT-X6M型號六旋翼無人機(jī)飛行傾角的風(fēng)速估算模型，可得

y=-1.043 5+1.150 1x

(2)

表1 無人機(jī)傾角測算風(fēng)速模型真誤差分析

3 結(jié) 語

本文結(jié)合測繪學(xué)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用牛頓定律相對運(yùn)動定律，在分析了影響風(fēng)速測量的主要因素后，根據(jù)旋翼無人機(jī)RTK坐標(biāo)信息及方位角數(shù)據(jù)，推算出特定型號的六旋翼無人機(jī)的螺旋槳坐標(biāo)信息。根據(jù)坐標(biāo)信息變化獲取無人機(jī)的傾角，建立了根據(jù)無人機(jī)飛行傾角的風(fēng)速估算模型。為了驗證其模型的精度，通過風(fēng)洞試驗經(jīng)驗其精度表明，大部分?jǐn)?shù)據(jù)精度為0.996 m/s，進(jìn)而提出了一種通過旋翼無人機(jī)飛行傾角來測算風(fēng)速風(fēng)向的新方法，可為無人機(jī)森林火災(zāi)撲救指揮等相關(guān)應(yīng)急救援提供實(shí)時的風(fēng)速信息，為指揮人員的決策指揮提供參考信息，具有一定的實(shí)用價值。