旋翼無人機測算風速風向技術研究

何 誠，呂振義，李 瑾，王 越，舒立福

(1. 南京森林警察學院偵查學院，江蘇 南京 210023; 2. 深圳市科衛泰實業發展有限公司，廣東 深圳 518101; 3. 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，北京 100091)

隨著科技發展及無人機技術的普及，無人機應用的行業越發廣泛，包括公安偵查、森林資源調查、森林火災撲救、電力巡檢、搶險救災、廣告宣傳等方面。空中風向風速的探測對掌握大氣層運動狀態具有重要意義，在特定場景下，如森林火災撲救指揮現場、抗險救災指揮現場等，風速風向信息的獲取，直接影響撲救指揮作戰方案；實時掌握風場信息，也是預測天氣變化的重要數據支撐，尤其在山谷海拔落差大的小氣候環境，掌握風場信息顯得風更迫切，然而目前大部分民用無人機都不具備測量風場參數的功能[1-3]。目前測量高空風速的主要方法包括風廓線雷達測風法、氣球法測風法和利用衛星根據云圖上云的運動推算風向和風速[4-6]。風廓線雷達探測某一特定區域的風場情況雖然精度高，但受天氣情況影響很大；目前測量小范圍風向風速精度最高的方法為氣球法測風法，但其成本相對昂貴且測量范圍小；利用衛星根據云圖上云的運動推算風向和風速的方法，因云的水平分布和鉛直分布都不均勻，所以其測量精度得不到保障[6]。

國內外一些學者專家，也從不同角度提出無人機測量風場的一些方法，包括水平空速歸零法[7]、航位推算法[8]、皮托-靜壓管測風法[9]；上述幾種無人機測量風速的方法，雖從理論上都具有一定的創新性和實用性，但使用環境受到局限，測量過程中，要求無人機在水平面內盤旋飛行，不適合落差大高海拔等復雜地形環境，也滿足不了大區域執行探測任務，后處理流程煩瑣且工作量大，滿足不了實時測量風場信息的需求。為了滿足高海拔落差大等復雜環境下風場信息實時探測需求，本文提出一種基于旋翼無人機螺旋槳坐標信息的測算風速風向技術，并對其方法進行研究，并對其測量精度進行檢測，進而探索一種可行的高精度的無人機測風方法。

1 材料與方法

1.1 測試無人機性能簡介

本文使用測試的無人機有兩款，分別為KWT-X6M與KWT-X6L系列，如圖1所示，性能參數如下：兩款無人機都為全碳纖維機身，動能為鋰電池供電，在500 g載荷飛行時間大于60 min，上翹機臂設計，增加了飛行平穩性，抗風能力大于7級，可在海拔5 km以上地區飛行，智能飛控系統，支持手動精準操控及自主飛行模式，RTK機型高抗磁干擾，高精度定位，GPS懸停精度垂直方向為1.5 cm，水平方向為2 mm，遙控器最大控制距離為7 km(取決于當地電磁環境)，地面站最大控制距離為10 km(取決于當地電磁環境)，全高清實時傳輸，支持HD1080i/p圖像,支持變焦、熱成像、廣角等多種云臺；KWT-X6M型號無人機電機軸距：955±10 mm，最大翼展：1412±20 mm，標準起飛重量：10±0.2 kg；KWT-X6L型號無人機電機軸距：1600±10 mm，最大翼展：2323±20 mm，標準起飛重量：11.5±0.2 kg。

1.2 無人機螺旋槳坐標信息獲取

無人機主體上裝有RTK(real time kinematic)定位系統，可以實時獲取主機的三維坐標信息，在六旋翼無人電動直升機的6個旋翼上安裝相對于無人機主體機器(簡稱為主機)方位角測量裝備(可以測量出螺旋槳方位角及傾角)，結合主機三維坐標信息、螺旋槳的方位角與傾角數據，由三角函數原理推算出6個螺旋槳的坐標，進而可以根據螺旋槳的坐標信息，計算出旋翼無人機的整體傾角，推算原理如下：

設主機坐標為(x,y,z)，各個螺旋槳坐標信息為(xi,yi,zi)，其中主體坐標由RTK自動獲取，而螺旋槳坐標信息計算方法為

(1)

式中，s為螺旋槳與主機RTK的距離；θi為方位角；αi為傾角。

1.3 試驗方法

測試時間為2019年8月5—6日，測試地點為深圳市寶安區恒豐工業園C3樓樓頂，天氣晴，風速3～4 m/s，氣溫30～32℃，測試機型為KWT-X6M與KWT-X6L，測試所用航線如圖2所示，飛行高度50 m。試驗分組如下：①KWT-X6M無人機50 m高度飛行時速度和機身傾角對應關系(對照測試組:空機飛行、掛載648 g云臺飛行)；②KWT-X6L無人機50 m高度飛行時速度和機身傾角對應關系(對照測試組:空機飛行、掛載648 g云臺飛行)；③KWT-X6L無人機掛標準載荷(648 g云臺)飛行時機身傾角和速度的對應關系(對照測試組：50 m高度飛行、100 m高度飛行)。設定好試驗方法后，用地面站航點飛行方式控制無人機在不同高度，設置不同載荷時以1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 m/s的飛行速度分別完成順風、逆風往返飛行(速度穩定后保持20 s執行下一個飛行計劃)，如無風狀態下同樣速度正南正北各飛一次后取平均值以降低環境風對測試結果的影響。

1.4 風場與飛機運動影響效應原理分析[10-11]

動量守恒定律是指如果一個系統不受外力，或所受外力的矢量和為零，那么這個系統的總動量則保持不變。動量守恒定律是自然界中最普遍的守恒定律之一，它既適用于宏觀物體，也適用于微觀粒子；既適用于低速運動物體，也適用于高速運動物體；它既適用于保守系統，也適用于非保守系統。應用流體力學中定性各種機械能的守恒與轉換關系,根據運動參考系的定義，當本文中提出的測風無人機與風各自作為參考坐標系，運用牛頓運動力學作為解釋。當以靜止風作為參考坐標時，勻速飛行的飛機可以定義為相對于靜止風，以一個固定的速度在運動；而當把勻速飛行的飛機為靜止參考坐標系時，可以認為風往飛機飛行方向與飛機同速的風速在吹動。因此在此參考系下，原則上要求無人機需勻速朝向一個固定方向飛行，可以實現風速與飛行速度的相互定義。而實際測量過程中，一是絕對無風狀態下的概率偏小，可能會伴有陣風的出現；二是飛行無人機保持決定的勻速狀態的難度很大；三是當無人機測量風速時，也會出現風速和風向的波動轉化，上述原因皆可能讓測量數據出現誤差[12-14]。當風場與飛機運動影響效應在有風的狀態下進行時，試驗在保證無人機飛行方向與風向垂直的情況下，可簡單將飛行的無人機定義為順風飛行和逆風飛行，根據牛頓定律中的相對運動定律，在有風狀態下，將勻速運動的無人機作為靜止參考系來衡量風速情況，可以用下述公式進行計算：①無人機逆風飛行狀態：V=ν機+ν風；②無人機順風飛行狀態：V=ν機-ν風。式中，V為模擬無人機勻速飛行狀態情境下，以飛行無人機作為靜止參考系，無人機所承受的風速；ν機為無人機勻速飛行速度；ν風為試驗過程中實際的風速。

2 結果與分析

通過圖2 KWT-X6系列無人機不同條件下飛行速度與飛機傾角的關系可得，無人機勻速飛行速度與無人機的飛機傾角呈正相關關系，無風狀態的飛行速度與飛機傾角呈線性關系，逆風飛行的無人機傾角大于無風和順風無人機飛行傾角，說明風速直接影響無人機的傾角。在圖2逆風和順風飛行試驗過程中，出現飛行速度與飛機傾角數據曲線不平滑現象，原因是無人機在飛行過程中，空中氣流不穩定，可能有陣風或亂流的出現，導致部分數據出現跳動，進而導致誤差的出現。

圖3—圖6分別展示了風速干擾下不同載重無人機與飛機傾角響應關系、順逆風干擾與飛機傾角相應關系、兩種系列不同類型無人機在風速干擾下與飛機傾角的響應關系、無人機飛行不同高度在風速干擾下與飛機傾角的響應關系，通過數據分析可得：①21寸槳X6M型號無人機飛行速度與重量的對應關系如圖5所示，當風速在5 m/s以下時，空負載無人機之間的迎風傾角差異性不大，當風速在5 m/s以上時，對應的迎風狀態下無人機傾角相對于空載迎風無人機飛行傾角會相對減小，由此可得，無人機負載加重時，對應受風速干擾的傾角會相對減小。②圖4數據響應了牛頓定律中的相對運動定律，無論無人機為順風飛行測試還是逆風飛行測試，從將無人機飛行速度轉換成風速的數據上來看，順逆風干擾對飛機姿態傾角對應同等受力情況數據相同。③圖5展示了KWT-X6M與KWT-X6L 2種系列無人機在相同風速干擾下與飛機傾角的響應關系。通過數據分析可得，KWT-X6L在風速干擾下飛機傾角小于KWT-X6M，從其結構條件下分析，KWT-X6L型號無人機標準起飛重量為11.5±0.2 kg，KWT-X6M型號無人機標準起飛重量為10±0.2 kg；KWT-X6L型號無人機電機軸距為1600±10 mm，KWT-X6M型號無人機電機軸距為955±10 mm。由此可得，無人機外形上體積與自重偏大的無人機，受風速干擾下飛機傾角幅度，小于外形上體積與自重偏小型號的無人機。④圖6數據表明，相同風速條件下，海拔對無人機飛行傾角與風速之間的響應關系沒有影響，展示了具有風速干擾下無人機飛行高度與飛機傾角的響應關系，高海拔區域因出現陣風的概率，大于低海拔區域，因此無人機飛行受陣風干擾出現噪點的概率相對低海拔大一點。

將KWT-X6M型號無人機在空載無風高50 m的條件下進行測試飛行，通過無人機飛行角度與風速之間的關系，結合牛頓定律、相對運動定律等相關理論，多次飛行取平均值，在保證數據精度的條件下，建立KWT-X6M型號六旋翼無人機飛行傾角的風速估算模型，可得

y=-1.043 5+1.150 1x

(2)

表1 無人機傾角測算風速模型真誤差分析

3 結 語

本文結合測繪學坐標數據，利用牛頓定律相對運動定律，在分析了影響風速測量的主要因素后，根據旋翼無人機RTK坐標信息及方位角數據，推算出特定型號的六旋翼無人機的螺旋槳坐標信息。根據坐標信息變化獲取無人機的傾角，建立了根據無人機飛行傾角的風速估算模型。為了驗證其模型的精度，通過風洞試驗經驗其精度表明，大部分數據精度為0.996 m/s，進而提出了一種通過旋翼無人機飛行傾角來測算風速風向的新方法，可為無人機森林火災撲救指揮等相關應急救援提供實時的風速信息，為指揮人員的決策指揮提供參考信息，具有一定的實用價值。