一种无人机真空速重构策略

摘要

本发明提供了一种无人机真空速重构策略，在马赫数失效以及总温传感器失效两种情况下分别通过不同的方式进行真空速重构，马赫数失效时，根据GPS东向速度、北向速度、天向速度和GPS高度进行马赫数重构；总温传感器失效时，通过马赫数和气压高度表查表直接获得真空速或者根据GPS东向速度、北向速度、天向速度重构真空速。保证了真空速信息的有效性，充分利用大气数据信息以及GPS数据信息计算真空速。

说明书

技术领域

本发明属于飞机飞行控制系统技术领域，特别涉及一种无人机真空速重构策略。

背景技术

真空速是指飞机相对空气运动时所具有的真实速度，它是飞机安全飞行的重要参数。准确的真空速数据信息对于提高飞行的安全性、准确性和经济性起着相当大的作用。飞机相对于空气运动时，可根据运动的相对性将飞机看作不动，而空气是以大小相等，方向相反的流速流过飞机。真空速无法直接测出，只能根据大气静压和动压间接计算出来。

真空速不能通过传感器直接测得，需要通过测量的大气数据信息计算得出，为保证真空速信息的有效性，需要尽可能地利用大气数据信息以及GPS数据信息计算真空速。

相关技术中，例如《基于单片机的无人机真空速测量系统设计》中，真空速多采用单片机技术结合线性插值等方式，在系统允许误差范围内，对原函数采用插值，将复杂函数用一个简单的函数来近似，以构建无人机的真空速，但是对无人机真空速出现问题需要重构时，相关技术很少涉及。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明设计了一种适用于无人机自主控制的自适应真空速重构策略，当总温和马赫数有效时，使用总温和马赫数计算真空速；当马赫数失效时重构马赫数信息进行计算真空速；当总温信息失效时，利用查表或GPS数据计算真空速；当上述信息均失效时，置故障安全值。

本发明无人机真空速重构策略，包括获取大气静温以及获取马赫数，并根据公式计算无人机真空速，式中，V_t为真空速，T_s为大气静温，M为马赫数，包括以下两种情况：

马赫数失效时，根据GPS东向速度、北向速度、天向速度和GPS高度进行马赫数重构；

总温传感器失效时，通过马赫数和气压高度表查表直接获得真空速或者根据GPS东向速度、北向速度、天向速度重构真空速。

优选的是，所述马赫数失效时，通过如下公式重构马赫数：

$M=\frac{\sqrt{{V^2}_x+{V^2}_y+{V^2}_z}}{V_{sonic}}$

$V_{\mathrm{sonic}}=\left(\begin{array}{cc}\sqrt{287.053\times 1.4\times (288.15-0.0065\times H)}& H\le 11000\\ \sqrt{287.053\times 1.4\times 216.15}& H>11000\end{array}\right)$

式中，Vx，Vy，Vz，H分别表示东向速度、北向速度、天向速度和GPS高度，Vsonic为加权因子。

在上述任一方案中优选的是，若GPS东向速度、北向速度、天向速度和GPS高度任意一个失效，通过余度管理给出无人机真空速安全值。

在上述任一方案中优选的是，所述总温传感器失效时，且马赫数或气压高度任意一个失效且GPS测量的东向速度、北向速度、天向速 度均正常时，使用GPS测量的东向速度、北向速度、天向速度重构真空速，算法如下：

$V_t=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}m/s$

式中，Vx，Vy，Vz分别表示东向速度、北向速度和天向速度。

在上述任一方案中优选的是，通过总温传感器测量总温，并将所述总温转换为大气静温，用于计算无人机真空速。

本发明提供的技术方案包括以下有益效果：保证了真空速信息的有效性，充分利用大气数据信息以及GPS数据信息计算真空速。

附图说明

图1是按照本发明无人机真空速重构策略的一优选实施例的真空速重构策略逻辑示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

本发明无人机真空速重构策略，包括获取大气静温以及获取马赫数，并根据公式计算无人机真空速，式中，V_t为真空速，T_s为大气静温，M为马赫数，包括以下两种情况：

马赫数失效时，根据GPS东向速度、北向速度、天向速度和GPS高度进行马赫数重构：

$M=\frac{\sqrt{{V^2}_x+{V^2}_y+{V^2}_z}}{V_{sonic}}$

$V_{\mathrm{sonic}}=\left(\begin{array}{cc}\sqrt{287.053\times 1.4\times (288.15-0.0065\times H)}& H\le 11000\\ \sqrt{287.053\times 1.4\times 216.15}& H>11000\end{array}\right)$

总温传感器失效时，通过马赫数和气压高度表查表直接获得真空速或者根据GPS东向速度、北向速度、天向速度重构真空速：

$V_t=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}m/s$

在本实施例中，如图1所示，具体的真空速的选择及重构策略如下：

a)总温传感器和大气数据传感器测量的马赫数均正常时，使用总

温传感器测量的总温和大气数据传感器测量的马赫数计算真

空速，用于控制律反馈，算法如下：

$V_t=20.04579M\sqrt{T_s}m/s$     式(1)

式中：V_t——真空速(m/s)；

T_s——大气静温(K)。

T_s＝T_t/(1+0.2M²)     式(2)

式中：T_t——大气总温(K)。

M——马赫数 

T_t＝T_ti/(1-0.002M)      式(3)

式中：T_ti——指示总温(K)；

传感器测量的总温为摄氏度，转换为开氏温度算法如下：

T_k＝T_c+273.15      式(4)

式中：T_k——开氏温度(K)；

T_c——摄氏温度(℃)。

b)总温传感器正常且大气数据传感器测量的马赫数失效时，按下面的马赫数的重构策略重构马赫数并计算真空速；

马赫数重构策略如下：

1)大气数据传感器测量的马赫数正常时，使用大气数据传感器测量的马赫数用于控制律反馈；

2)大气数据传感器测量的马赫数失效：

①若GPS东、北、天速度和GPS高度均有效，则使用GPS东、北、天速度和GPS高度重构马赫数，算法如下：

$M=\frac{\sqrt{{V^2}_x+{V^2}_y+{V^2}_z}}{V_{sonic}}$               式(5)

其中：

$V_{sonic}=\left(\begin{array}{cc}\sqrt{287.053\times 1.4\times (288.15-0.0065\times H)}& H\le 11000\\ \sqrt{287.053\times 1.4\times 216.15}& H>11000\end{array}\right)$    式(6)

②若GPS东、北、天速度和GPS高度任意一个失效，使用余度管理给出的安全值。

c)总温传感器失效：

1)若大气数据传感器测量的马赫数和气压高度均正常，通过马赫数和气压高度查表得出真空速，详见表1；

表1马赫数和气压高度(m)与真空速(m/s)对照表

2)若大气数据传感器测量的马赫数或气压高度任意一个失效且GPS测量的东、北、天向速度均正常时，使用GPS测量的东、北、天向速度重构真空速，算法如下：

$V_t=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}m/s$     式(7)

3)在使用GPS测量的东、北、天向速度重构真空速时，若GPS测量的东、北、天向速度任意一个失效，使用余度管理给出的总温和马赫数安全值计算真空速。

需要说明的是，本发明无人机真空速重构策略包括上述实施例中的任何一项及其任意组合，但上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。