一种太阳能无人机滑飘试验方法及气动参数反算方法与流程

1.本发明涉及太阳能无人机技术领域，尤其涉及一种太阳能无人机滑飘试验方法及气动参数反算方法。


背景技术：

2.无人机滑行试验又称无人机滑跑试验，是一个复杂度高、技术难度大、协作面广的大型地面试验，通过地面滑跑试验可在首飞前对无人机和地面设备各分系统的工作正确性和协调性进行确认，同时检查无人机地面滑跑中的控制性能，提前释放风险。太阳能无人机相较于常规无人机，能够在飞行过程中自主从外界获取维持其飞行所需的能量，理论上可实现“无限续航”，应用前景广泛，同时，为了实现高空长航时昼夜飞行，通常采用低翼载荷、大翼展、大展弦比布局，起降速度和飞行速度较低，滑跑距离较短，其侧偏着陆性能和气动性能需重点关注。但目前的滑跑试验均为不离地试验，无法真实地验证无人机的侧偏着陆性能，同时，目前气动性能验证方法通常是通过风洞试验和飞行试验，风洞试验距离真实模拟飞行工况还具有一定差距，而飞行试验风险较大。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供了一种太阳能无人机滑飘试验方法及气动参数反算方法。
4.根据本发明的一方面，提供了一种太阳能无人机滑飘试验方法，方法包括：
5.利用电动机以预设转速驱动螺旋桨带动太阳能无人机在跑道上加速滑跑；
6.当太阳能无人机到达预设高度时，将电动机的转速由预设转速降至零并且将太阳能无人机理论滑行中心线按照预置侧向偏差进行偏移；
7.使太阳能无人机从预设高度降落直至着陆接地以测试太阳能无人机的侧偏着陆性能。
8.进一步地，方法还包括：实时采集太阳能无人机从预设高度降落直至着陆接地过程中的天速、地速、动压以及螺旋桨风车阻力。
9.进一步地，方法还包括在加速滑跑过程中判断太阳能无人机是否达到预设安控条件，如果否，则继续加速滑跑直至到达预设高度，如果是，则将电动机的转速由预设转速降至零。
10.进一步地，预设安控条件为：
11.太阳能无人机的指示空速大于等于滑跑速度阈值；和/或
12.太阳能无人机的位置距起始点的距离大于等于滑跑距离阈值；和/或
13.太阳能无人机的俯仰角小于俯仰角阈值；和/或
14.太阳能无人机的侧向偏差大于侧向偏差阈值；和/或
15.太阳能无人机的航向角偏差大于航向角偏差阈值。
16.根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能无人机气动参数反算方法，根据太阳
能无人机的全机质量、翼载荷以及本发明前述提出的滑飘试验方法采集到的天速、地速、动压以及螺旋桨风车阻力反算太阳能无人机的气动参数。
17.进一步地，气动参数包括升力系数和阻力系数，反算太阳能无人机的气动参数包括：
18.根据动压、翼载荷以及天速反算升力系数；
19.根据动压、翼载荷、全机质量、螺旋桨风车阻力、天速以及地速反算阻力系数。
20.进一步地，根据动压、翼载荷以及天速反算升力系数包括：根据动压、翼载荷以及天速计算升力系数均方差的极值，并且将升力系数均方差的极值对应的升力系数作为反算得到的升力系数。
21.进一步地，根据动压、翼载荷、全机质量、螺旋桨风车阻力、天速以及地速反算阻力系数包括：根据动压、翼载荷、全机质量、螺旋桨风车阻力、天速以及地速计算阻力系数均方差的极值，并且将阻力系数均方差的极值对应的阻力系数作为反算得到的阻力系数。
22.进一步地，通过以下公式计算升力系数均方差的极值：
[0023][0024]
上式中，wy(cy,v
y0
)表示升力系数均方差，q表示t时刻的动压，cy表示升力系数，δ表示翼载荷，g表示重力加速度，t表示太阳能无人机从预设高度降落直至着陆接地过程中的采集时刻，v
y0
表示垂向初速，vy表示t时刻的天速。
[0025]
进一步地，通过以下公式计算阻力系数均方差的极值：
[0026][0027]
上式中，w
x
(c
x
,v0)表示阻力系数均方差，c
x
表示t时刻的阻力系数，vc表示t时刻的指示空速，f
p
表示t时刻的螺旋桨风车阻力系数，等于螺旋桨风车阻力与全机质量之比，与指示空速相关，φ表示航迹倾角，vd表示t时刻的地速，v0表示初始地速。
[0028]
应用本发明的技术方案，提供了一种太阳能无人机滑飘试验方法及气动参数反算方法，该方法利用电动机以预设的转速驱动螺旋桨带动太阳能无人机在跑道上加速滑跑直至到达预设高度，再将电动机转速降为零并进行机上自主置偏操作，使无人机以滑飘叠加侧偏的状态从预设高度降落至着陆接地，从而测试其侧偏着陆性能，该方法能够真实有效地验证无人机在非跑道中心线侧偏着陆的性能，提升地面试验的真实性与覆盖性，从而间接提高太阳能无人机的安全性和可靠性。
附图说明
[0029]
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的太阳能无人机滑飘试验方法的流程框图；
[0031]
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的太阳能无人机滑飘试验的安控流程示意图；
[0032]
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的太阳能无人机滑飘试验的整体流程示意图；
[0033]
图4示出了根据本发明的具体实施例提供的太阳能无人机滑飘试验的高度判断流程示意图。
具体实施方式
[0034]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0036]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0037]
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种太阳能无人机滑飘试验方法，方法包括：
[0038]
s1，利用电动机以预设转速驱动螺旋桨带动太阳能无人机在跑道上加速滑跑；
[0039]
s2，当太阳能无人机到达预设高度时，将电动机的转速由预设转速降至零并且将太阳能无人机理论滑行中心线按照预置侧向偏差进行偏移；
[0040]
s3，使太阳能无人机从预设高度降落直至着陆接地以测试太阳能无人机的侧偏着陆性能。
[0041]
其中，预设转速的具体值根据太阳能无人机的配置情况确定，作为本发明的一个具体实施例，太阳能无人机采用双gps和双冗余差分定位系统提供包括高度在内的高精度位置信息，起落架布局采用自行车式起落架，动力装置采用电动机+螺旋桨。其中预设高度的具体值也根据太阳能无人机的配置情况确定，例如本发明实施例中，预设高度值为1.5m。
[0042]
应用此种配置方式，提供了一种太阳能无人机滑飘试验方法，该方法利用电动机以预设的转速驱动螺旋桨带动太阳能无人机在跑道上加速滑跑直至到达预设高度，再将电
动机转速降为零并进行机上自主置偏操作，使无人机以滑飘叠加侧偏的状态从预设高度降落至着陆接地，从而测试其侧偏着陆性能，该方法能够真实有效地验证无人机在非跑道中心线侧偏着陆的性能，提升地面试验的真实性与覆盖性，从而间接提高太阳能无人机的安全性和可靠性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中难以真实验证无人机侧偏着陆性能的技术问题。
[0043]
为了确保待测太阳能无人机的安全性，本发明实施例中，滑飘试验方法还包括在加速滑跑过程中判断太阳能无人机是否达到预设安控条件，如果否，则继续加速滑跑直至到达预设高度，如果是，则将电动机的转速由预设转速降至零。此处，将电动机的转速由预设转速降至零是针对无人机达到预设安控条件设计的自主应急处理流程。
[0044]
具体地，本发明实施例中，预设安控条件为：
[0045]
1)太阳能无人机的指示空速大于等于滑跑速度阈值；和/或
[0046]
2)太阳能无人机的位置距起始点的距离大于等于滑跑距离阈值；和/或
[0047]
3)太阳能无人机的俯仰角小于俯仰角阈值；和/或
[0048]
4)太阳能无人机的侧向偏差大于侧向偏差阈值；和/或
[0049]
5)太阳能无人机的航向角偏差大于航向角偏差阈值。
[0050]
在进行滑飘试验之前，太阳能无人机基于真实状态进行安控措施的静态验证，具体来说，就是将速度阈值、滑跑距离阈值、俯仰角阈值、侧向偏差阈值以及航向角偏差阈值装订至太阳能无人机上，采用差分基准站(双冗余差分定位系统)偏置、双gps方位偏置等方式模拟位置、航向偏差等故障，从而验证无人机在故障条件下自主应急处理流程的有效性。此外，也可以将预设高度装订至太阳能无人机上，在进行前述安控措施静态验证的过程中一同验证太阳能无人机能否在模拟高度达到预设高度时执行设定的流程，从而提升试验的安全性。
[0051]
为便于更清楚的理解本发明所提供的滑飘试验方法，以下将结合图2、图3和图4的实施例对上述各流程做详细说明，本领域相关技术人员当可知，该实例仅为便于更清楚的理解本发明所提供的滑飘试验方法，并不对其做任何技术限定。
[0052]
如图2和图3所示，首先按照本发明前述的安控措施静态验证方法进行验证，验证无误后，地面站打开无人机上的储能电池供电，由储能电池独立向机上设备供电以使无人机上电启动，无人机上电启动后与地面站交互自主完成机载设备自检、参数装订、惯导转导航、参数装订及起飞前状态判断等流程。判断起飞前状态正常后，机上自主判断无人机实际位置与跑道中心线的侧向偏差、无人机航向与跑道方向的航向角偏差，满足要求后无人机具备起飞条件。接着，地面启动使能开关，通过无线链路指令发送电动机转速控制指令启动电动机，机上自主通过转速控制指令及反馈转速判断电动机的启动是否正常。
[0053]
在电动机正常启动后，开启太阳能电池输出，太阳能电池向机上供电，向无人机发送“起飞”指令，机上接收到“起飞”指令后按照装订的电动机转速(电动机预设转速)控制电动机控制器驱动电动机和螺旋桨风车产生拉力，从而带动无人机加速滑跑，首先利用副翼差动完成翼平控制，无人机由三轮(主轮、尾轮、一侧机翼辅助轮接地)滑跑改为翼平状态(主轮、尾轮两轮接地)滑跑，随后利用升降舵完成俯仰控制，无人机由两轮滑跑改为单轮滑跑(仅主轮接地)。
[0054]
在加速滑跑过程中，利用无线电高度表(双gps)和双冗余差分定位系统时刻测量
无人机的离地高度，如图4所示，当机上连续判断高度表和差分系统两路传感器中存在一路及以上测得的离地高度大于等于装订的预设高度时，自主依次执行以下流程：
①
机上自主向动力装置发送0转速指令，动力装置接收到指令后按电动机转速梯度限制逐步降低转速至0；
②
机上自主执行置偏操作，按照预置侧向偏差的大小和方向，将无人机理论跑道中心线向左或向右偏移，无人机实际位置与置偏后理论跑道中心线的偏差dy＝dy
pr
+dy0，其中，dy
pr
表示预置侧向偏差，左偏为正，右偏为负，dy0表示无人机实际位置与置偏前理论跑道中心线的偏差；
③
无人机在空中沿着偏移后的跑道中心线纠偏，同时在气动阻力和螺旋桨风车阻力作用下减速，降低气动升力。当然，如果在试验过程中，无人机达到了安控条件，则执行流程
①
和/或
③
。
[0055]
随着气动升力的降低，无人机在重力作用下带侧偏着陆接地，真实模拟起落接地时无人机实际位置不在跑道中心的单轮接地情况，后续通过观察和相关测试确认起落架及机体结构是否正常，即可评估侧偏着陆性能。无人机着陆后在地面摩擦阻力的作用下进一步减速，无人机由主轮单轮滑跑逐步转换至主轮和尾轮两轮滑跑，并利用尾轮与方向舵进行联动纠偏，无人机速度降低至预定值后，机上自主关闭mppt控制器输出，从而断开太阳能电池供电输出，机上舵面回零，地面关闭机上电源，滑飘试验结束。
[0056]
此外，本发明实施例中，该方法还包括：实时采集太阳能无人机从预设高度降落直至着陆接地过程中的天速、地速、动压以及螺旋桨风车阻力。通过此种方式，能够进一步根据这些数据反算出太阳能无人机的气动参数。
[0057]
基于上述实施例，根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能无人机气动参数反算方法，根据太阳能无人机的全机质量、翼载荷以及本发明前述提出的滑飘试验方法采集到的天速、地速、动压以及螺旋桨风车阻力反算太阳能无人机的气动参数。
[0058]
其中，气动参数包括升力系数和阻力系数，反算太阳能无人机的气动参数包括：
[0059]
根据动压、翼载荷以及天速反算升力系数；
[0060]
根据动压、翼载荷、全机质量、螺旋桨风车阻力、天速以及地速反算阻力系数。
[0061]
进一步地，作为本发明的具体实施例，根据动压、翼载荷以及天速反算升力系数包括：根据动压、翼载荷以及天速计算升力系数均方差的极值，并且将升力系数均方差的极值对应的升力系数作为反算得到的升力系数；根据动压、翼载荷、全机质量、螺旋桨风车阻力、天速以及地速反算阻力系数包括：根据动压、翼载荷、全机质量、螺旋桨风车阻力、天速以及地速计算阻力系数均方差的极值，并且将阻力系数均方差的极值对应的阻力系数作为反算得到的阻力系数。
[0062]
本发明实施例中，通过以下公式计算升力系数均方差的极值：
[0063][0064]
上式中，wy(cy,v
y0
)表示升力系数均方差，q表示t时刻的动压，cy表示升力系数，δ表示翼载荷，g表示重力加速度，t表示太阳能无人机从预设高度降落直至着陆接地过程中的采集时刻，v
y0
表示垂向初速，vy表示t时刻的天速，该实施例中，极值指的是最小值，在计算出升力系数均方差的最小值的同时，也能够得到垂向初速，即反算的垂向初速。
[0065]
进一步地，本发明实施例中，考虑电动机+螺旋桨动力装置停车后螺旋桨风车阻力的因素，即通过以下公式计算阻力系数均方差的极值：
[0066][0067]
上式中，w
x
(c
x
,v0)表示阻力系数均方差，c
x
表示阻力系数，vc表示t时刻的指示空速，f
p
表示t时刻的螺旋桨风车阻力系数，等于螺旋桨风车阻力与全机质量之比，与指示空速相关，φ表示航迹倾角，vd表示t时刻的地速，v0表示初始地速，该实施例中，极值指的是最小值，在计算出阻力系数均方差的最小值的同时，也能够得到初始地速，即反算的初始地速。
[0068]
进一步地，利用滑飘试验中的俯仰角、舵偏角等遥测数据，结合理论气动数据插值可以计算得到无人机的理论升力系数和理论阻力系数，将滑飘试验反算得到的实际升力系数、实际阻力系数与理论升力系数、理论阻力系数进行对比，即可相对准确地反算出无人机的气动特性偏差，以作为气动数据修正的依据，提升太阳能无人机的气动数据准确性。通过滑飘试验，能够对无人机近地段的气动特性进行全状态验证，解决太阳能无人机首飞前全机气动特性难以反算的问题。
[0069]
综上所述，本发明提供了一种太阳能无人机滑飘试验方法及气动参数反算方法，该方法利用电动机以预设的转速驱动螺旋桨带动太阳能无人机在跑道上加速滑跑直至到达预设高度，再将电动机转速降为零并进行机上自主置偏操作，使无人机以滑飘叠加侧偏的状态从预设高度降落至着陆接地，从而测试其侧偏着陆性能，该方法能够真实有效地验证无人机在非跑道中心线侧偏着陆的性能，提升地面试验的真实性与覆盖性，从而间接提高太阳能无人机的安全性和可靠性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中难以真实验证无人机侧偏着陆性能的技术问题。
[0070]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0071]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0072]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种太阳能无人机滑飘试验方法，其特征在于，所述方法包括：利用电动机以预设转速驱动螺旋桨带动太阳能无人机在跑道上加速滑跑；当所述太阳能无人机到达预设高度时，将所述电动机的转速由所述预设转速降至零并且将所述太阳能无人机理论滑行中心线按照预置侧向偏差进行偏移；使所述太阳能无人机从所述预设高度降落直至着陆接地以测试所述太阳能无人机的侧偏着陆性能。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：实时采集所述太阳能无人机从所述预设高度降落直至着陆接地过程中的天速、地速、动压以及螺旋桨风车阻力。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在加速滑跑过程中判断所述太阳能无人机是否达到预设安控条件，如果否，则继续加速滑跑直至到达所述预设高度，如果是，则将所述电动机的转速由所述预设转速降至零。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设安控条件为：太阳能无人机的指示空速大于等于滑跑速度阈值；和/或太阳能无人机的位置距起始点的距离大于等于滑跑距离阈值；和/或太阳能无人机的俯仰角小于俯仰角阈值；和/或太阳能无人机的侧向偏差大于侧向偏差阈值；和/或太阳能无人机的航向角偏差大于航向角偏差阈值。5.一种太阳能无人机气动参数反算方法，其特征在于，根据所述太阳能无人机的全机质量、翼载荷以及权利要求2至4中任一项所述的滑飘试验方法采集到的天速、地速、动压以及螺旋桨风车阻力反算所述太阳能无人机的气动参数。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气动参数包括升力系数和阻力系数，反算所述太阳能无人机的气动参数包括：根据所述动压、所述翼载荷以及所述天速反算所述升力系数；根据所述动压、所述翼载荷、所述全机质量、所述螺旋桨风车阻力、所述天速以及所述地速反算所述阻力系数。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述动压、所述翼载荷以及所述天速反算所述升力系数包括：根据所述动压、所述翼载荷以及所述天速计算升力系数均方差的极值，并且将所述升力系数均方差的极值对应的升力系数作为反算得到的升力系数。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述动压、所述翼载荷、所述全机质量、所述螺旋桨风车阻力、所述天速以及所述地速反算所述阻力系数包括：根据所述动压、所述翼载荷、所述全机质量、所述螺旋桨风车阻力、所述天速以及所述地速计算阻力系数均方差的极值，并且将所述阻力系数均方差的极值对应的阻力系数作为反算得到的阻力系数。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算升力系数均方差的极值：上式中，w
y
(c
y
,v
y0
)表示升力系数均方差，q表示t时刻的动压，c
y
表示升力系数，δ表示翼载荷，g表示重力加速度，t表示太阳能无人机从所述预设高度降落直至着陆接地过程中的
采集时刻，v
y0
表示垂向初速，v
y
表示t时刻的天速。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算阻力系数均方差的极值：上式中，w
x
(c
x
,v0)表示阻力系数均方差，c
x
表示阻力系数，v
c
表示t时刻的指示空速，f
p
表示t时刻的螺旋桨风车阻力系数，等于螺旋桨风车阻力与全机质量之比，与指示空速相关，φ表示航迹倾角，v
d
表示t时刻的地速，v0表示初始地速。

技术总结
本发明提供了一种太阳能无人机滑飘试验方法及气动参数反算方法，该方法包括：利用电动机以预设转速驱动螺旋桨带动太阳能无人机在跑道上加速滑跑；当太阳能无人机到达预设高度时，将电动机的转速由预设转速降至零并且将太阳能无人机理论滑行中心线按照预置侧向偏差进行偏移；使太阳能无人机从预设高度降落直至着陆接地以测试太阳能无人机的侧偏着陆性能。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中难以真实验证无人机侧偏着陆性能的技术问题。难以真实验证无人机侧偏着陆性能的技术问题。难以真实验证无人机侧偏着陆性能的技术问题。


技术研发人员：曹昕 杨发友 刘晓春 李丁 吕睿佳
受保护的技术使用者：海鹰航空通用装备有限责任公司
技术研发日：2022.01.26
技术公布日：2023/8/5