(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 202211145165.9 (22)申请日 2022.09.20 (71)申请人 之江实验室 地址 310023 浙江省杭州市文一西路1818 号 (72)发明人 严旭飞　谢安桓　胡易人　王晓波　 娄斌　丁梦龙　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 邱启旺 (51)Int.Cl. G01M 9/08(2006.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01)B64F 5/60(2017.01) (54)发明名称 基于模型参考和时间快进的环境风场快速 估计方法及装置 (57)摘要 本发明公开了基于模型参考和时间快进的 环境风场快速估计方法及装置， 该方法包括： 建 立多旋翼无人机的非线性飞行动力学模型； 根据 所述非线性飞行动力学模型， 利用小扰动线性化 方法得到线性模型， 作为参考模型； 针对参考模 型， 设计控制律， 形成参考模型控制 系统， 以使得 参考模型实时跟随姿态期望和垂向速度期望数 据； 将姿态期望与垂向速度期望数据经过低通滤 波过滤高频噪声， 输入所述参考模型控制系统， 并以时间快进方法计算参考模型的速度响应， 同 时对角速度、 加速度响应进行限幅； 将所述参考 模型控制系统输出的速度通过坐标转换得到北 东地坐标系速度， 从而获取多旋翼无人机所处空 间点的环境 风场估计值。 权利要求书2页 说明书9页 附图4页 CN 115266016 A 2022.11.01 CN 115266016 A 1.一种基于模型参 考和时间快进的环境 风场快速估计方法， 其特 征在于， 包括： 建立多旋翼无人机的非线性飞行动力学模型， 根据所述非线性飞行动力学模型， 利用 小扰动线性 化方法得到线性模型， 作为 参考模型； 针对所述参考模型， 设计控制律， 形成参考模型控制系统， 以使得所述参考模型实时跟 随姿态期望和垂向速度期望数据； 获取所述多旋翼无 人机实时的姿态期望和垂向速度期望数据； 将所述姿态期望与垂向速度期望数据 经过低通滤波过滤高频噪声， 输入所述参考模型 控制系统， 并以时间快进方法计算参考模型的速度响应， 同时对角速度、 加速度响应进行限 幅； 将所述参考模型控制系统输出的速度通过坐标转换得到北东地坐标系速度， 从而获取 多旋翼无 人机所处 空间点的环境 风场估计值。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述多旋翼无人机为三个或以上数量旋翼 的无人机。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述非线性飞行动力学模型包含如下控制 量： 拉力油门指令、 滚转油门指令、 俯仰油门指令、 偏航油门指令； 包含如下状态量： 体轴系 速度、 角速度、 姿态角。 4.根据权利 要求1所述的方法， 其特征在于， 所述角速度限制在10 °/s以内， 所述加速度 限制在9.8m/s2以内。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 将所述参考模型控制系统输出的速度通过 坐标转换得到北东地坐标系速度， 从而获取多旋翼无人机所处空间点的环境风场估计值， 包括： 通过无人机体轴系与坐标轴朝向为北东地的地轴系的坐标转换矩阵， 将所述参考模型 控制系统输出的速度转换为无 人机在所述 地轴系下的相对环境 风速度与方向； 将所述地轴系下的相对环境风速度与 方向减去无人机在地轴系下的飞行速度， 即可得 到环境风相对于地 面的速度与方向。 6.一种基于模型参 考和时间快进的环境 风场快速估计装置， 其特 征在于， 包括： 建模模块， 用于建立多旋翼无人机的非线性飞行动力学模型， 用于根据所述非线性飞 行动力学模型， 利用小扰动线性 化方法得到线性模型， 作为 参考模型； 设计模块， 用于针对所述参考模型， 设计控制律， 形成参考模型控制系统， 以使得所述 参考模型实时跟随姿态期望和垂向速度期望数据； 获取模块， 用于获取 所述多旋翼无 人机实时的姿态期望和垂向速度期望数据； 输入计算模块， 用于将姿态期望与垂向速度期望数据经过低通滤波过滤高频噪声， 输 入所述参考模型控制系统， 并以时间快进 方法计算参考模型的速度响应， 同时对角速度、 加 速度响应进行限幅； 坐标转换模块， 用于将所述参考模型控制系统输出的速度通过坐标转换得到北东地坐 标系速度， 从而获取多旋翼无 人机所处 空间点的环境 风场估计值。 7.一种电子设备， 其特 征在于， 包括： 一个或多个处 理器； 存储器， 用于存 储一个或多个程序；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115266016 A 2当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行， 使得所述一个或多个处理器实 现如权利要求1 ‑5任一项所述的方法。 8.一种计算机可读存储介质， 其上存储有计算机指令， 其特征在于， 该指令被处理器执 行时实现如权利要求1 ‑5中任一项所述方法的步骤。 9.一种多旋翼无人机， 其特征在于， 包括飞控系统和参考模型控制系统， 其中， 通过建 立多旋翼无人机的非线性飞行动力学模型， 根据所述非线性飞行动力学模型， 利用小扰动 线性化方法得到线性模型， 作为参考模型， 针对所述参考模型， 设计控制律， 形成参考模型 控制系统； 所述飞控系统用于获取 所述多旋翼无 人机实时的姿态期望和垂向速度期望数据； 所述参考模型控制系统用于接收经过低通滤波过滤高频噪声后的姿态期望与垂向速 度期望数据， 并以时间快进方法计算线性模型的速度响应， 同时对角速度、 加速度响应进 行 限幅； 将得到的速度通过坐标转换得到北东地坐标系速度， 从而获取多旋翼无人机所处空 间点的环境 风场估计值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115266016 A 3