一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，特别是一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法。


背景技术：

2.无人机设计主要是围绕着实现其性能与使用特性要求而展开的。因此，如何验证其性能指标与使用特性的要求，对于无人机而言，是至关重要的。
3.在所有飞行性能指标中，实用升限表征了无人机能够巡航飞行的最大飞行高度，对于侦察类、高空探测类无人机有相当重要的意义，飞的越高越安全。同时，当无人机的飞行高度逐渐增加时，空气的密度随高度增加而降低，从而影响发动机的进气量，飞行真空速同步增加，其推力一般也将减小。达到一定高度时，推力不足，已无爬高能力只能维持平飞。
4.考虑实用性，低速无人机实用升限广泛定义为无人机以特定的重量和给定的发动机工作状态（一般为最大连续功率状态）做等速水平直线飞行时，还具有最大爬升率为0.5米/秒的飞行高度。
5.实用升限验证方式主要有以下三种：理论经验公式、计算仿真和实飞验证。其中最直接、最有效的手段是实飞验证。通过在无人机内部安装经过权威标定或鉴定的位置传感器（主要含高度信息），可以实时记录无人机高度以及瞬时爬升率信息。
6.另外，由于低速无人机爬升率较小，容易受到大气紊流的干扰，无人机实飞爬升率曲线基本全程波动，特别是下降气流的影响，会抑制无人机的爬升能力，甚至造成无人机高度丢失，出现局部高度层瞬时爬升率低于0.5米/秒的情况，但并不代表无人机不具备继续爬升能力。


技术实现要素：

7.鉴于此，本发明提供一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，规避紊流对实用升限的影响，综合保证了实用升限的最大化，满足实用升限处最大爬升率0.5米/秒的定义要求，达到符合实际客观规律，数据准确可用的目标。
8.本发明公开了一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，其包括：步骤1：在爬升至实用升限高度之前，无人机以最大连续功率和最佳上升率速度继续爬升，直到爬升至爬升率为零；步骤2：根据最小二乘法对瞬时爬升率随高度变化的曲线进行拟合，以得到实用升限；步骤3：根据实用升限和预设无人机实用升限指标，判断是否满足实用升限指标。
9.进一步地，所述步骤1之前，还包括：确定无人机的起飞构型状态和起飞重量；无人机经历起飞滑跑、离地、爬升。
10.进一步地，所述确定无人机的起飞构型状态和起飞重量之前，还包括：
通过无人机位置传感器记录无人机的高度以及对应的瞬时爬升率。
11.进一步地，在所述步骤1中：在无人机爬升至爬升率为零的过程中，保持直线和无侧滑状态飞行。
12.进一步地，所述步骤1之后，还包括：无人机开始下滑着陆；无人机着陆后称重。
13.进一步地，所述步骤2包括：步骤21：获取随高度变化的瞬时爬升率，共n组；步骤22：定义二次多项式，根据第i组对应的二次多项式与瞬时爬升率差值的平方，然后将获取的n组差值的平方进行累加和，并使该累加和最小化；i的取值范围为1至n；步骤23：通过对最小化的累加和求导，得到最小二乘法拟合多项式；步骤24：利用二次函数求根公式，得到实用升限。
14.进一步地，所述步骤22包括：定义二次多项式，最小化，即：其中，、、分别为二次多项式的系数，为第i组的高度。
15.进一步地，所述步骤23包括：假设，则将方程整理，得到如下方程组：求解方程组，得到、、，从而得到最小二乘法拟合多项式：其中，、、分别为二次多项式的系数，为第i组的高度，为瞬时爬升
率，的j为的指数，其取值为1、、、、。
16.进一步地，所述步骤24包括：令，利用二次函数求根公式，得到实用升限：其中，为实用升限。
17.进一步地，所述步骤3包括：若实用升限大于或等于预设实用升限指标，即则满足实用升限指标；否则不满足实用升限指标。
18.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：1.一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，基于实飞验证，按照最小二乘法二次多项式曲线拟合的方法规避大气紊流对爬升率的影响，符合实际客观规律，数据准确可用；2.一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，明确了起飞加油量，规划了试飞全过程，对实飞实用升限过程提出约束，并提出实用升限指标是否达标的条件，过程完整，条件清晰，判据可行；3.一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，可实时记录无人机高度以及瞬时爬升率信息，为无人机开展实用升限提供支撑；4.一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，提出了一种瞬时爬升率最小二乘法二次多项式曲线拟合方法，利用二次函数求根公式进行爬升率是否大于0.5米/秒的判读，简单方便；5.一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，提出了在即将到达实用升限处无人机应保持直线、无侧滑飞行的试飞方法，综合保证了实用升限的最大化；6.一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，适用于低速无人机。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例的一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法的流程示意图；图2为本发明实施例的实用升限飞行剖面示意图；图3为本发明实施例的实用升限数据后处理范例示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
21.参见图1，本发明提供了一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法的实施例，其利用在无人机内部安装位置传感器（主要含高度信息），记录无人机高度以及瞬时爬升率信息，且在即将到达实用升限处应保持直线、无侧滑状态飞行，最后通过最小二乘法二次多项式曲线拟合的数据后处理方法规避紊流对实用升限的影响，综合保证了实用升限的最大化，满足实用升限处最大爬升率0.5米/秒的定义要求，达到符合实际客观规律，数据准确可用的目标。
22.具体地，本实施例包括以下步骤：s1：按设计要求或者用户规定，确定起飞构型状态和起飞重量。
23.对于无人机构型而言，基于任务需求，不同的构型对应不同的任务载荷设备，一般含多种构型，需要提前确认起飞前的构型状态，或基于设计要求，或基于用户规定。
24.实用升限对于起飞重量的设计要求主要有：总油量的35%以上起飞等；实用升限对于起飞重量的用户规定主要有：满油起飞、半油以上起飞、实用升限处半油以上或者着陆半油以上等。
25.s2：无人机经历起飞滑跑、离地、爬升至接近实用升限高度，无人机以最大连续功率、最佳上升率速度飞行。可参见图2。
26.s3：无人机持续爬升至爬升率为零，过程中应保持直线、无侧滑状态飞行。可参见图2。
27.曲线飞行，造成升力损失，不利于爬高；带侧滑飞行，阻力增加，不利于爬高。
28.s4：无人机下滑着陆。可参见图2。
29.s5：无人机着陆后称重。
30.该步骤s5可以用于满足用户可能对着陆重量有规定的要求。
31.s6：实用升限数据后处理。
32.参见图3，采用最小二乘法对瞬时爬升率随高度变化曲线进行拟合，根据变化关系，二次多项式拟合较为合适。
33.原理如下：已知随高度变化的瞬时爬升率，共n组；定义二次多项式，使得其中，第i组对应的二次多项式为，高度为，瞬时爬升率为，i的取值范围为1至n；假设，则
其中，的j为的指数；j为整数，其取值为0、1、2、3、4，对应的的取值分别为1、、、、。
34.将方程整理，得到求解方程组，得到，，，从而得到最小二乘法拟合多项式：令，利用二次函数求根公式，可得实用升限：s7：实用升限指标符合性判据：若实际测得的实用升限大于等于实用升限指标，即则满足指标要求；否则不满足指标要求。
35.本发明对于低速无人机，通过实飞验证，在大气紊流客观存在的情况下，利用无人机位置传感器记录无人机高度以及瞬时爬升率信息，通过科学合理的试飞规划以及数据后处理方式，规避紊流对实用升限的影响，并满足无人机实用升限处最大爬升率0.5米/秒的定义要求。
36.下面通过范例进一步说明上述实施例中的推导过程：实用升限指标要求值为6000米，按此方法进行试飞规划，通过试飞得到无人机随高度变化的瞬时爬升率，见表1。
37.表 1 随高度变化的瞬时爬升率（范例）
根据以上推导过程，范例所示的多项式的三个系数分别是：范例所示的实用升限达6662米（爬升率为0.5米/秒），该值大于指标要求值6000米，满足实用升限指标。
38.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，其特征在于，包括：步骤1：在爬升至实用升限高度之前，无人机以最大连续功率和最佳上升率速度继续爬升，直到爬升至爬升率为零；步骤2：根据最小二乘法对瞬时爬升率随高度变化的曲线进行拟合，以得到实用升限；步骤3：根据实用升限和预设无人机实用升限指标，判断是否满足实用升限指标。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1之前，还包括：确定无人机的起飞构型状态和起飞重量；无人机经历起飞滑跑、离地、爬升。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定无人机的起飞构型状态和起飞重量之前，还包括：通过无人机位置传感器记录无人机的高度以及对应的瞬时爬升率。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中：在无人机爬升至爬升率为零的过程中，保持直线和无侧滑状态飞行。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1之后，还包括：无人机开始下滑着陆；无人机着陆后称重。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤21：获取随高度变化的瞬时爬升率，共n组；步骤22：定义二次多项式，根据第i组对应的二次多项式与瞬时爬升率差值的平方，然后将获取的n组差值的平方进行累加和，并使该累加和最小化；i的取值范围为1至n；步骤23：通过对最小化的累加和求导，得到最小二乘法拟合多项式；步骤24：利用二次函数求根公式，得到实用升限。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤22包括：定义二次多项式，最小化，即：其中，、、分别为二次多项式的系数，为第i组的高度。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤23包括：假设，则将方程整理，得到如下方程组：
求解方程组，得到、、，从而得到最小二乘法拟合多项式：其中，、、分别为二次多项式的系数，为第i组的高度，为瞬时爬升率，的j为的指数，其取值为1、、、、。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤24包括：令，利用二次函数求根公式，得到实用升限：其中，为实用升限。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：若实用升限大于或等于预设实用升限指标，即则满足实用升限指标；否则不满足实用升限指标。

技术总结
本发明公开了一种低速无人机验证实用升限指标的试飞规划方法，其包括：在爬升至实用升限高度之前，无人机以最大连续功率和最佳上升率速度继续爬升，直到爬升至爬升率为零；根据最小二乘法对瞬时爬升率随高度变化的曲线进行拟合，以得到实用升限；根据实用升限和预设无人机实用升限指标，判断是否满足实用升限指标。本发明能够规避紊流对实用升限的影响，综合保证了实用升限的最大化，满足实用升限处最大爬升率0.5米/秒的定义要求，达到了符合实际客观规律，数据准确可用的目标。数据准确可用的目标。数据准确可用的目标。


技术研发人员：宋艳平 竹军 彭宇轩 张涛 何怡君 郭亮
受保护的技术使用者：四川腾盾科技有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/8/9