一种无人机测风系统校准方法

技术领域

本发明涉及无人机测风系统技术领域，尤其涉及一种无人机测风系统校准方法。

背景技术

传统的实测风场手段，如测风桅杆或者测风塔，只能测量得到特定位置的风场参数，此类测风手段的灵活性不足，且成本较高。目前也有采用雷达设备等进行测风的方法，但是雷达设备成本较高，且获取的风速值是一个相对较大空间内的风场参数的平均值，难以准确的获得空中特定位置的风场参数。相较于传统的测风手段，基于无人机测风的方法具有成本低、机动灵活、可大区域连续探测的特点，拥有十分广阔的应用前景。

无人机测风系统包含了无人机、超声波风速仪、小型电台和笔记本电脑。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种无人机测风系统校准方法，确保无人机测风的准确性，对无人机测风系统进行校准和修正。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明一种无人机测风系统校准方法，包括以下步骤：

(1)风洞试验设置：在专用的风洞设施中，设定不同的风速和风向条件，并将不同的风速和风向条件组合成模拟无人机实际测风可能遇到的各种风场状况；

(2)无人机姿态获取，抓取无人机飞行控制器内的无人机姿态数据；

(3)建立姿态修正系数表；

(4)风速修正：在每种风场状况下，通过无人机测风系统进行风速和风向的测量并经过姿态修正系数表和姿态修正法进行风速修正；

(5)无人机测风系统校准：与风洞设定的实际风速和风向进行比较，从而获得无人机测风系统在各种风场状况下的测风误差；

(6)误差修正模型建立：根据风洞试验得到的测风误差数据，建立每种风场状况的误差修正模型；

(7)误差修正模型验证：采用风洞试验的方式，通过无人机测风系统进行风速和风向的测量，使用误差修正模型预测测风误差，并与实际测风误差进行比较，从而验证误差修正模型的准确性；

(8)实际无人机测风数据预处理：修正无人机姿态至抵风姿态进行测风，经过姿态修正系数表和姿态修正法进行风速修正后获得测风数据；所述抵风姿态，是无人机在空中悬停时，在不同来流风速下，无人机表现出不同程度的机身姿态调整保持精准定位；

(9)无人机测风数据修正：对步骤(8)获得的测风数据使用误差修正模型进行修正。

进一步地，所述误差修正模型为线性函数或非线性函数或基于机器学习建立的数学模型。

进一步地，所述抵风姿态为无人机需要增加的倾角α，所述倾角α的计算方法为：

设无人机的风阻力为F

式中，C

进一步地，所述姿态修正法进行风速修正具体步骤为：

设无人机机身姿态修正系数为λ，则：

式中u(t)为机身姿态修正后的风速时程；u

进一步地，所述姿态修正法还包括湍流度修正方法，所述湍流度修正方法包括以下步骤：

假定动态测试风速数据y(t)由确定性成分f(t)和随机性成分e(t)组成，f(t)为所需的测量结果或有效信号，e(t)为随机起伏的测试误差，由此可知，修正后的动态测试风速数据y(i)为：

y(i)＝f(i)+e(i) i＝1，2， …，N (4)

对修正后的动态测试风速数据y(i)作平滑和滤波处理。

进一步地，所述对修正后的动态测试风速数据y(i)作平滑和滤波处理具体为：对数据列y(i)以拟定的滑动间隔在逐一小区间上进行不断的局部平均，即可得出较平滑的测量结果f(i)，而滤掉信号中高频的随机误差。

进一步地，所述姿态修正系数表为：当无人机在空中悬停时，在不同来流风速的风速区间下，对应的无人机为了保持其精准定位对机身姿态调整使用的机身姿态修正修正系数。来流风速的大小与机身对着来流的前倾角度大小呈正比。为了尽可能消除无人机机身倾斜带来误差，提出了采用无人机机身姿态修正系数对风速时程进行修正。通过风洞试验，在各个风速段下的机身姿态修正系数，进而对无人机测风系统获取的风速数据进行处理。

进一步地，误差修正模型具体建立方法为：采用无人机机身姿态修正系数对无人机实测的原始数据进行修正，经过上述修正后，再通过滑动平均法对湍流度进行修正。最终使得无人机获取的各项风场数据将尽可能还原现实风场数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用无人机的灵活、便捷特点，实时获取空间内任意地点的风场数据。能在一定程度上弥补传统测风方法灵活性、机动性不足，耗资大等缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例方法的流程图。

图2是本发明实施例无人机运行的飞行原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

如图1所示，本实施例的一种无人机测风系统校准方法，包括以下步骤：

(1)风洞试验设置：在专用的风洞设施中，设定不同的风速和风向条件，并将不同的风速和风向条件组合成模拟无人机实际测风可能遇到的各种风场状况；

(2)无人机姿态获取，抓取无人机飞行控制器内的无人机姿态数据；

(3)建立姿态修正系数表；

(4)风速修正：在每种风场状况下，通过无人机测风系统进行风速和风向的测量并经过姿态修正系数表和姿态修正法进行风速修正；

(5)无人机测风系统校准：与风洞设定的实际风速和风向进行比较，从而获得无人机测风系统在各种风场状况下的测风误差；

(6)误差修正模型建立：根据风洞试验得到的测风误差数据，建立每种风场状况的误差修正模型；误差修正模型为线性函数或非线性函数或基于机器学习建立的数学模型。误差修正模型具体建立方法为：采用无人机机身姿态修正系数对无人机实测的原始数据进行修正，经过上述修正后，再通过滑动平均法对湍流度进行修正。最终使得无人机获取的各项风场数据将尽可能还原现实风场数据。

(7)误差修正模型验证：采用风洞试验的方式，通过无人机测风系统进行风速和风向的测量，使用误差修正模型预测测风误差，并与实际测风误差进行比较，从而验证误差修正模型的准确性；

(8)实际无人机测风数据预处理：修正无人机姿态至抵风姿态进行测风，经过姿态修正系数表和姿态修正法进行风速修正后获得测风数据。

因为无人机在空中悬停时旋翼一定是在转动的，仅对无人机的旋翼转动状态进行风洞试验。如图2所示，无人机的风阻力F

抵风姿态，是无人机在空中悬停时，在不同来流风速下，无人机表现出不同程度的机身姿态调整保持精准定位；抵风姿态为无人机需要增加的倾角α，倾角α的计算方法为：

设无人机的风阻力为F

式中，C

为了尽可能消除无人机机身倾斜带来误差，采用姿态修正法进行风速修正，具体步骤为：

设无人机机身姿态修正系数为λ，则：

式中u(t)为机身姿态修正后的风速时程；u

表1姿态修正系数表

姿态修正法还包括湍流度修正方法，所述湍流度修正方法包括以下步骤：

假定动态测试风速数据y(t)由确定性成分f(t)和随机性成分e(t)组成，f(t)为所需的测量结果或有效信号，e(t)为随机起伏的测试误差，由此可知，修正后的动态测试风速数据y(i)为：

y(i)＝f(i)+e(i) i＝1，2， …，N (4)

对修正后的动态测试风速数据y(i)作平滑和滤波处理。

对修正后的动态测试风速数据y(i)作平滑和滤波处理具体为：对数据列y(i)以拟定的滑动间隔在逐一小区间上进行不断的局部平均，即可得出较平滑的测量结果f(i)，而滤掉信号中高频的随机误差。经过无人机机身姿态系数修正和滑动平均法修正后，部分野值点的影响被消除，数据更为平滑，风速时程数据的波动程度减小。

(9)无人机测风数据修正：对步骤(8)获得的测风数据使用误差修正模型进行修正。

以上对本发明所提供的一种无人机测风系统校准方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。