(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210729611.4 (22)申请日 2022.06.24 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 翟少博　李广文　魏学东　贾秋玲　 蔡伟杰　杨锋　乔雨希　何泽柳　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 范倩 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G06F 17/16(2006.01) G01C 1/00(2006.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 一种简单传感器配置下轻小型低成本无人 机的气流角估计方法 (57)摘要 本发明公开了一种简单传感器配置下轻小 型低成本 无人机的气流角估计方法， 从气流角的 定义出发， 给出了气流角的显示估计表达式； 在 传感器配置为惯性导航系统和空速管情况下， 利 用姿态角信息、 航迹倾斜角和航迹方位角计算得 到惯性迎角和惯性侧滑角； 利用地速、 真 空速、 偏 流角信息依据风速三角对风速和风向进行估计； 利用估计得到的风场信息对惯性迎角和惯性侧 滑角进行补偿， 得到气流角的准确估计。 本发明 为简单传感器配置下的轻小型低成本无人机提 供了一种气流角 估计方法的同时不需要增加额 外的机载传感器 设备， 在不增加成本和无人机重 量的同时保障飞行安全。 权利要求书3页 说明书5页 附图4页 CN 115270413 A 2022.11.01 CN 115270413 A 1.一种简单传感器配置下轻小型低成本无人机的气流角估计方法， 其特征在于， 步骤 如下： 步骤1： 根据无人机配置的传感器测量结果计算航迹方位角 χ； 已知某无人机的传感器 配置情况为： 惯性导航系统、 空速管； 根据导航传感器的特性和功能， 惯性导航系统能够测 量位置信息(经纬高)、 速度信息(东向速度VE、 北向速度VN、 垂直速度VU和地速Vg)、 姿态信息 (俯仰角 θ、 滚转角φ和航向ψ )， 空速管 可以测量真空速Va； 则航迹方位角 χ 的计算公式为： 步骤2： 计算 航迹倾斜角γ， 计算公式为： 步骤3： 计算偏流角ADA， 计算公式为： 其中sgn(·)是符号函数； 步骤4： 计算惯性迎角 αk和惯性侧滑角 βk， 具体为： 步骤4.1： 计算从航迹坐标系到 机体坐标系的坐标变换矩阵 计算方法为： 其中 是从航迹坐标系到地面坐标系的旋转变换矩阵， 是从地面坐标系到机体坐标 系的旋转变换矩阵； 步骤4.2： 化简坐标变换矩阵 由于一般情况 下αk和βk都是小角度， 满足 因此 可以被化简为 步骤4.3： 计算从航迹坐标系到地 面坐标系的旋转变换矩阵 计算方法为： 步骤4.4： 计算从地 面坐标系到 机体坐标系的旋转变换矩阵 计算方法为： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270413 A 2步骤4.5： 结合 步骤4.1、 步骤4.3和步骤4.4， 建立关系式： 步骤4.6： 由于一般情况 下( χ‑ψ )和( θ‑γ)都是小角度， 满足 因此可对步骤4.5中的关系式进行化简， 得到 步骤4.7： 结合 步骤4.2和步骤4.6， 得到惯性迎角 αk和惯性侧滑角 βk 步骤5： 估计风速Vw和风向Aw， 具体为： 步骤5.1： 根据风速三角的关系， 利用惯性导航系统测量的地速Vg、 空速管测量的真 空速 Va以及步骤3计算得到的偏流角ADA计算风速， 计算公式为： 步骤5.2： 计算 风向， 计算公式为： 其中 Aw'＝ χ +π +Asgn(ADA) A是一个辅助角， 可以根据余弦定理计算， 计算公式为 步骤6： 估计气流角， 即估计迎角 α 和 侧滑角 β， 具体为： 步骤6.1： 计算 风矢量在机体坐标系三轴上的分量uw,vw,ww， 具体为： 步骤6.1.1： 将风矢量进行分解， 得到东向风Vw,y和北向风Vw,x， 计算公式为： 步骤6.1.2： 风矢量是在地面坐标系下定义的， 可以通过坐标变换矩阵 将其变换到机 体坐标系， 进 而得到uw,vw,ww， 计算公式为： 步骤6.2： 计算由风造成的迎角增量Δα 和 侧滑角增量Δβ， 计算公式为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270413 A 3