本發(fā)明屬于旋翼無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航性能評估領(lǐng)域，其中包括室內(nèi)自主定位、gnss/rtk信號生成、實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)、多傳感器融合、計(jì)算機(jī)視覺等，特別是在于可在室內(nèi)環(huán)境下對閉源無人機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)姿態(tài)檢測以及飛行控制與導(dǎo)航性能的評估，具體涉及到基于信號模擬的室內(nèi)衛(wèi)星定位測試方法和無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航性能評估系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、多旋翼飛行器是一種依靠多個(gè)不可變距的螺旋槳提供控制力和力矩的航空飛行器，可以較為輕松地完成垂直起降、懸停、轉(zhuǎn)向等基本飛行動(dòng)作，在航拍攝影、勘探檢測、農(nóng)業(yè)植保、救援搜救等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在短途貨運(yùn)物流、載人短程運(yùn)輸?shù)刃滦皖I(lǐng)域也有著一定的市場和發(fā)展前景。

2、相比于固定翼飛機(jī)，旋翼機(jī)的執(zhí)行器是由電機(jī)螺旋槳組成，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)直接影響無人機(jī)的飛行狀態(tài)，導(dǎo)致無人機(jī)未能按照任務(wù)指令飛行甚至發(fā)生撞擊墜毀事故，在室外場景可能造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。故無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航性能的安全性與可靠性逐漸成為無人機(jī)在大型場所使用的重要考核指標(biāo)。為驗(yàn)證這一性能，通常需要定期對無人機(jī)進(jìn)行飛行控制與導(dǎo)航性能評估工作。但市場上無人機(jī)應(yīng)用通常選擇以大疆，道通等成熟企業(yè)生產(chǎn)的閉源無人機(jī)設(shè)備，難以直接獲取無人機(jī)狀態(tài)信息，無法在室內(nèi)進(jìn)行g(shù)ps導(dǎo)航飛行實(shí)現(xiàn)，無法實(shí)現(xiàn)定期對無人機(jī)的飛行控制與導(dǎo)航性能進(jìn)行評估。

3、故發(fā)明主要針對當(dāng)前無人機(jī)缺乏飛行控制與導(dǎo)航性能評估能力，提出一套基于自主定位系統(tǒng)的gnss/rtk信號生成的室內(nèi)無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航性能評估方法，可以部署在閉源程度較高的無人機(jī)上，降低調(diào)取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的難度；在室內(nèi)部署了基于衛(wèi)星定位裝置的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)，可以在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航，可以在室內(nèi)環(huán)境下對無人機(jī)的飛行控制與導(dǎo)航性能進(jìn)行評估，驗(yàn)證無人機(jī)的飛行控制與導(dǎo)航性能；構(gòu)建了一套高通用性的針對旋翼無人機(jī)的飛行控制與導(dǎo)航性能評估系統(tǒng)，使用開源系統(tǒng)統(tǒng)一化相關(guān)的數(shù)學(xué)定義與描述、劃分和接口，提高系統(tǒng)通用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、由于無人機(jī)元器件在飛行中會(huì)受到環(huán)境溫度，濕度等因素干擾產(chǎn)生不可見損傷，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)直接影響無人機(jī)的飛行狀態(tài)，導(dǎo)致無人機(jī)未能按照任務(wù)指令飛行甚至發(fā)生撞擊墜毀事故，在室外場景可能造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。故無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航性能的安全性與可靠性逐漸成為無人機(jī)在大型場所使用的重要考核指標(biāo)。為驗(yàn)證這一性能，通常需要定期對無人機(jī)進(jìn)行飛行控制與導(dǎo)航性能評估工作。但市場上無人機(jī)應(yīng)用通常選擇以大疆，道通等成熟企業(yè)生產(chǎn)的閉源無人機(jī)設(shè)備，難以直接獲取無人機(jī)狀態(tài)信息，無法在室內(nèi)進(jìn)行g(shù)ps導(dǎo)航飛行實(shí)現(xiàn)，無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)對無人機(jī)的飛行控制與導(dǎo)航性能進(jìn)行評估。

2、為在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn)對室外無人機(jī)(使用gnss/rtk信號進(jìn)行導(dǎo)航)的飛行控制與導(dǎo)航性能評估，本發(fā)明構(gòu)建了一種基于自主定位系統(tǒng)的gnss/rtk信號生成的室內(nèi)無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航性能評估方法，整體系統(tǒng)組成如圖1所示。包括如下步驟：

3、步驟1：外置無人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)感知裝置安裝

4、依照大疆dji?mavic?3e無人機(jī)上安裝孔位將外置無人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)感知裝置掛載，并啟動(dòng)感知裝置開始記錄當(dāng)前無人機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

5、外置無人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)感知裝置主要針對大疆，道通等存在閉源模塊的飛行器，通過在飛機(jī)上部署多維信息傳感器實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)飛行狀態(tài)信息。裝置中包含3組不同型號的加速計(jì)和陀螺儀，并通過stm32主處理器處理發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

6、其中主要包含以下三種狀態(tài)信息：

7、1.無人機(jī)姿態(tài)信息：通過搭載慣性傳感器獲取無人機(jī)實(shí)時(shí)角速度以及加速度信息，通過卡爾曼濾波器得到對無人機(jī)pitch,roll,yaw方向的角度，角速度以及角加速度的估計(jì)值；

8、2.無人機(jī)位置信息：通過搭載位置獲取裝置(衛(wèi)星定位系統(tǒng))獲取的無人機(jī)位置信息，并與機(jī)載慣性傳感器，高度傳感器信息進(jìn)行融合，使用拓展卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)對多維傳感器信息的融合，得到更為準(zhǔn)確平滑的3維位置估計(jì)信息；

9、3.無人機(jī)振動(dòng)信息：利用慣性傳感器感知信息生成無人機(jī)功率頻譜密度信息與實(shí)時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度信息，可以評估無人機(jī)在飛行中振動(dòng)狀態(tài)。

10、在對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后，通過遠(yuǎn)程通信模塊將信息發(fā)送到地面端在線無人機(jī)性能評估系統(tǒng)開展深層次的無人機(jī)性能評估工作。

11、步驟2：室內(nèi)外部定位裝置安裝

12、使用激光雷達(dá)作為室內(nèi)外部定位裝置，用于獲取無人機(jī)在室內(nèi)的實(shí)時(shí)位置，以供gnss/rtk信號生成器產(chǎn)生準(zhǔn)確的室內(nèi)gnss/rtk定位信號。將激光雷達(dá)通過專有連接件連接至大疆dji?mavic?3e無人機(jī)上，啟動(dòng)激光雷達(dá)定位系統(tǒng)獲取無人機(jī)室內(nèi)坐標(biāo)，并將室內(nèi)坐標(biāo)通過無線通信發(fā)送至gnss/rtk信號生成器。

13、基于激光雷達(dá)的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)是一種尖端技術(shù)，主要用于精確地跟蹤和定位室內(nèi)環(huán)境中的物體或人員。這種系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，包括自動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)器人技術(shù)、安全監(jiān)控和智能交通系統(tǒng)。激光雷達(dá)系統(tǒng)通常使用一個(gè)或多個(gè)激光發(fā)射器和接收器，從不同的角度向目標(biāo)發(fā)射激光束，并捕捉其反射回來的激光，以獲取目標(biāo)的精確位置信息。

14、基于激光雷達(dá)的室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)采用了slam(simultaneous?localizationand?mapping，即同時(shí)定位與地圖構(gòu)建)技術(shù)，這是一種能夠在未知環(huán)境中同時(shí)進(jìn)行自我定位和環(huán)境地圖創(chuàng)建的先進(jìn)技術(shù)。它在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，包括自動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)器人技術(shù)、安全監(jiān)控和智能交通系統(tǒng)。slam技術(shù)能夠通過連續(xù)的激光雷達(dá)觀測，對無人機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，同時(shí)構(gòu)建出環(huán)境的詳細(xì)三維地圖。

15、slam技術(shù)主要基于狀態(tài)估計(jì)方程和觀測方程兩個(gè)核心數(shù)學(xué)模型：

16、狀態(tài)估計(jì)方程(motion?model)

17、xt＝f(xt-1,ut,wt)

18、其中，xt為時(shí)間t的無人機(jī)狀態(tài)(通常包括位置和方向)。xt-1為前一時(shí)刻的狀態(tài)。u為控制輸入(如速度和方向變化)。wt為過程噪聲，代表因模型不完美或外部影響而引入的不確定性。

19、狀態(tài)估計(jì)方程描述了無人機(jī)的狀態(tài)如何從一個(gè)時(shí)間步到下一個(gè)時(shí)間步演變，依賴于其控制指令和固有的不確定性。

20、觀測方程(measurement?model)

21、zt＝h(xt,nt)

22、其中，zt為在時(shí)間t通過激光雷達(dá)等傳感器得到的觀測數(shù)據(jù)。xt為機(jī)器人的當(dāng)前估計(jì)狀態(tài)。nt為觀測噪聲，代表測量誤差。

23、觀測方程將機(jī)器人的預(yù)測狀態(tài)與實(shí)際通過傳感器觀測到的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，幫助糾正狀態(tài)估計(jì)中的偏差。

24、根據(jù)此原理我們可以通過激光雷達(dá)室內(nèi)定位系統(tǒng)計(jì)算出無人機(jī)在室內(nèi)的精準(zhǔn)位置，后通過gps基帶信號數(shù)據(jù)流生成系統(tǒng)及gps信號發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

25、步驟3：啟動(dòng)基于自主定位系統(tǒng)的gnss/rtk信號生成器

26、在獲取到無人機(jī)在室內(nèi)的精準(zhǔn)位置后，我們可以啟動(dòng)基于自主定位系統(tǒng)的gnss/rtk信號生成器實(shí)現(xiàn)對精準(zhǔn)gnss/rtk定位信號的生成實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的gps導(dǎo)航，讓無人機(jī)在室內(nèi)場景依靠自身的衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置控制飛行模式。

27、基于gps廣播星歷文件的gps模擬信號數(shù)據(jù)流生成系統(tǒng)：

28、步驟3.1：衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取

29、在生成模擬gps信號前首先得獲取目標(biāo)時(shí)間的gps星歷文件，星歷文件主要包含了衛(wèi)星的精確軌道數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于全球定位系統(tǒng)(gps)至關(guān)重要，如：1、衛(wèi)星的軌道參數(shù)：這些參數(shù)描述了衛(wèi)星在空間中的確切位置和運(yùn)動(dòng)。包括衛(wèi)星的升交點(diǎn)赤經(jīng)、軌道傾角、近地點(diǎn)角距、偏心率、平近點(diǎn)角和軌道周期等。2、時(shí)鐘數(shù)據(jù)：衛(wèi)星的原子鐘與地面時(shí)間的偏差，以及鐘差改正參數(shù)。3、健康狀態(tài)：標(biāo)識衛(wèi)星是否適合導(dǎo)航和定位服務(wù)。4、大氣延遲參數(shù)：這些參數(shù)幫助接收器校正信號傳播過程中的電離層和對流層延遲影響等，這些數(shù)據(jù)對于gps基帶信號數(shù)據(jù)流的生成至關(guān)重要。再使用這些參數(shù)通過開普勒方程來計(jì)算衛(wèi)星在任意時(shí)刻的位置：

30、e＝m+esin?e

31、其中，e為偏近點(diǎn)角(eccentric?anomaly)；m為平近點(diǎn)角(mean?anomaly)，計(jì)算公式為:m＝n(t-t0)；n為平均運(yùn)動(dòng)(mean?motion)，表示衛(wèi)星繞地球一周的平均角速度。t為觀測時(shí)間。t0為參考時(shí)間，通常是衛(wèi)星過近地點(diǎn)的時(shí)間。e為軌道偏心率(eccentricity)，描述衛(wèi)星軌道形狀的扁率。

32、根據(jù)偏近點(diǎn)角，可以進(jìn)一步計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的位置：

33、x′＝a(cos?e-e)

34、

35、其中，x′和y′為衛(wèi)星在軌道平面的坐標(biāo)。a為半長軸(semi-major?axis)，表示衛(wèi)星軌道的大小。

36、這兩個(gè)公式用于計(jì)算衛(wèi)星在其軌道平面上的位置，其中x′是沿著從地心指向近地點(diǎn)的方向，y′是垂直于x′的方向。實(shí)際上，衛(wèi)星的運(yùn)行軌道相對于地球赤道面是傾斜的，因此還需要將軌道平面的位置轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系中：

37、x＝x′cos(ω)-y′cos(i)sin(ω)

38、y＝x′sin(ω)+y′cos(i)cos(ω)

39、z＝y(tǒng)′sin?(i)

40、其中，ω是升交點(diǎn)赤經(jīng)，i是軌道傾角。

41、步驟3.2：信號生成

42、在獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，通過動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取到的室內(nèi)定位信息以及基點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算從衛(wèi)星到設(shè)定的接收器位置的視線方向和偽距，進(jìn)而從衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算并生成相應(yīng)的gps信號，包括生成偽隨機(jī)噪聲碼(prn)和導(dǎo)航消息的編碼。

43、每顆gps衛(wèi)星都被分配一個(gè)唯一的prn碼，這是一個(gè)重復(fù)的二進(jìn)制序列，用于在接收器中幫助識別并同步到特定的衛(wèi)星信號。

44、

45、其中，c(t)是在時(shí)間t的輸出碼，gi(t)是碼生成器在時(shí)間t的狀態(tài)，dcode是數(shù)據(jù)碼，δt是碼元的持續(xù)時(shí)間。

46、導(dǎo)航消息包含了衛(wèi)星的軌道參數(shù)、時(shí)鐘校正參數(shù)和健康狀態(tài)等信息，這些信息對于gps接收器計(jì)算其位置至關(guān)重要。

47、

48、其中，d(t)是在時(shí)間t的導(dǎo)航數(shù)據(jù)字，bk是第k位的二進(jìn)制數(shù)據(jù),n是數(shù)據(jù)字的長度。

49、步驟3.3：信號調(diào)制

50、生成的數(shù)字基帶信號需要通過調(diào)制轉(zhuǎn)換成模擬信號，以便通過sdr硬件發(fā)射，主要使用bpsk(二進(jìn)制相移鍵控)來調(diào)制導(dǎo)航數(shù)據(jù)和prn碼到載波頻率上，形成可傳輸?shù)男盘枴?/p>

51、首先我們需要先整合包含導(dǎo)航信息和prn碼的基帶信號，在調(diào)制過程中，prn碼和導(dǎo)航消息同時(shí)影響載波的相位變化。prn碼為每顆衛(wèi)星提供了唯一的識別碼，而導(dǎo)航消息包含了關(guān)于衛(wèi)星位置和時(shí)間的關(guān)鍵信息。這種整合方式確保了信號具有高度的抗干擾能力和獨(dú)特的識別特性，使得接收器能夠從多個(gè)衛(wèi)星信號中準(zhǔn)確地分辨并鎖定單個(gè)衛(wèi)星。

52、φ(t)＝π×(d(t)+c(t))mod2

53、其中，d(t)是導(dǎo)航數(shù)據(jù)位，c(t)是prn碼。

54、在獲取整合信號之后，我們使用bpsk調(diào)制來將數(shù)據(jù)編碼到rf載波上，該方法通過改變載波的相位來表示數(shù)據(jù)位(0或1)。

55、s(t)＝a·cos(2πfct+φ(t))

56、其中，s(t)是調(diào)制后的信號，a是信號幅度，fc是載波頻率，φ(t)是時(shí)間t的相位，它取決于數(shù)據(jù)位(對于gps通常是0或π)。

57、在bpsk調(diào)制的同時(shí)，我們可以從調(diào)制的信號中提取同相(i)和正交(q)分量來形成iq信號。這一步是通過將調(diào)制的信號解析成其正弦(正交分量)和余弦(同相分量)組成來完成的，使得信號可以攜帶更多的信息并提高傳輸效率。

58、i(t)＝d(t)cos(2πfct)

59、q(t)＝d(t)sin(2πfct)

60、生成的模擬信號需要被采樣并轉(zhuǎn)換為適合sdr硬件處理的格式。采樣過程中涉及的數(shù)學(xué)處理主要是離散化模擬信號，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散信號，以便數(shù)字存儲(chǔ)和處理。每個(gè)采樣點(diǎn)根據(jù)其對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)計(jì)算相位和幅度，確保信號的完整性和準(zhǔn)確性得以保留。

61、s[n]＝a·cos(2πfcnt+φ[n])

62、其中，s[n]是采樣時(shí)刻n的信號值，t是采樣間隔。

63、步驟3.4：使用基于軟件無線電的gps信號發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射gnss/rtk定位信號

64、在gps信號發(fā)射系統(tǒng)方面我們選用了hackrf作為軟件無線電(software?definedradio，sdr)硬件，為gps應(yīng)用提供了一種高效和靈活的信號發(fā)射解決方案。這個(gè)系統(tǒng)可以接收gps模擬信號數(shù)據(jù)流生成系統(tǒng)生成的gps信號，這些信號包括導(dǎo)航數(shù)據(jù)和偽隨機(jī)噪聲碼(prn)。接著，利用hackrf的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，這些基帶信號被上轉(zhuǎn)換到gps工作頻率并通過射頻接口發(fā)送。

65、首先，sdr設(shè)備需要從gps模擬信號數(shù)據(jù)流生成系統(tǒng)中接收生成的數(shù)字i/q數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是gps信號的基帶表示，然后將將數(shù)據(jù)流中的同相和正交分量組合成一個(gè)復(fù)數(shù)信號，便于后續(xù)的處理和調(diào)制。

66、s[n]＝i[n]+jq[n]

67、其中，s[n]是復(fù)數(shù)形式的基帶信號，i[n]和q[n]分別是在采樣點(diǎn)n的同相(in-phase)和正交(quadrature)分量。

68、在完成信號的復(fù)合后，我們就可以將復(fù)數(shù)信號轉(zhuǎn)換成模擬信號用于后續(xù)信號的變頻及發(fā)射。這一步驟通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，主要是將處理好的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，為發(fā)射做好準(zhǔn)備。下述公式中的表示信號與載波的混頻過程，將基帶信號上轉(zhuǎn)到rf頻段:

69、

70、其中，v(t)是模擬信號，fc是載波頻率，s(t)是從數(shù)字基帶信號插值和濾波后得到的連續(xù)時(shí)間復(fù)信號。

71、在完成信號的模擬轉(zhuǎn)換后，我們將需要對模擬信號實(shí)現(xiàn)變頻，將基帶頻率上轉(zhuǎn)到gps的工作頻率。這是信號發(fā)射前的重要步驟，確保信號在正確的頻段內(nèi)被發(fā)送。下述公式描述了基帶信號通過模擬混頻器與本地振蕩器(lo)頻率frf混合的過程:

72、x(t)＝v(t)cos(2πfrft)-u(t)sin(2πfrft)

73、其中，x(t)是上變頻后的rf信號，u(t)和v(t)分別是基帶信號的i和q分量，frf是目標(biāo)射頻。

74、最后，通過sdr設(shè)備的射頻放大器(rf?amplifier)將信號的功率增強(qiáng)到足以通過天線發(fā)射的水平，確保信號可以有效傳輸。

75、pout＝gain×pin

76、其中，pout是放大后的輸出功率，gain是放大器輸入的功率，pin是放大器的增益。

77、通過這種方式，系統(tǒng)可以生成研究人員所需的定制化gps信號，可以實(shí)現(xiàn)對飛控系統(tǒng)和gps接收設(shè)備的測試和性能評估，也為研究人員提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證新算法或技術(shù)的實(shí)用平臺。

78、步驟4：無人機(jī)飛行測試

79、在完成實(shí)時(shí)狀態(tài)感知裝置、室內(nèi)外部定位裝置及gnss/rtk信號生成器的安裝以及啟動(dòng)后可以啟動(dòng)無人機(jī)開始室內(nèi)飛行測試。

80、首先對無人機(jī)戶外飛行測試裝置進(jìn)行精度校正，無人機(jī)戶外飛行測試裝置應(yīng)當(dāng)在每次開機(jī)使用前進(jìn)行重投影誤差校正，將測量設(shè)備靜置原地，測量設(shè)備持續(xù)讀取一分鐘以內(nèi)的位置值，進(jìn)行測量設(shè)備的測量精度收斂校正，在完成測試裝置以及無人機(jī)自身的校正后可以開始進(jìn)行飛行測試。

81、步驟4.1：懸停續(xù)航和定位精度測試

82、首先進(jìn)行懸停續(xù)航和定位精度測試，無人機(jī)起飛，進(jìn)行懸停定點(diǎn)模式，在飛行30分鐘后降落。

83、步驟4.2：抗風(fēng)條件懸停測試

84、進(jìn)行在室內(nèi)測試場景部署風(fēng)場，并測試無人機(jī)在風(fēng)場中懸停狀態(tài)，飛行10分鐘后降落

85、步驟4.3：虛擬航點(diǎn)飛行測試

86、起飛前依據(jù)場地大小規(guī)劃航點(diǎn)，并在飛行中啟動(dòng)航線飛行模式，讓無人機(jī)依據(jù)航點(diǎn)自主完成飛行任務(wù)。

87、步驟5：無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)處理，性能評估

88、步驟5.1：數(shù)據(jù)獲取

89、在飛行過程中實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)并保存至日志文件中。

90、數(shù)據(jù)獲取模塊主要獲取無人機(jī)實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)等功能，是物理世界與無人機(jī)性能評估系統(tǒng)之間的重要連接，需要考慮數(shù)據(jù)的分類、特性，以及數(shù)據(jù)獲取行為的各種相關(guān)問題，保證獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

91、步驟5.2：數(shù)據(jù)處理

92、在獲取到飛行數(shù)據(jù)之后，對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以便于之后對無人機(jī)的飛行性能進(jìn)行評估。

93、為高效使用數(shù)據(jù)信息，濾除數(shù)據(jù)中噪聲干擾，需要對儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)特征提取，如圖所示。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理是從統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)科學(xué)的角度對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行的各方面處理，主要包括離群點(diǎn)和異常點(diǎn)檢測，采樣的對齊與補(bǔ)齊以及去噪等步驟；特征提取是尋找數(shù)據(jù)中信息量最多的特征，并舍去一些信息量較小特征的過程，通過去除一些不重要特征以及冗余信息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，可以有效降低數(shù)據(jù)體量，緩解存儲(chǔ)壓力，主要包括時(shí)序信號數(shù)據(jù)特征提取、基于頻域分析方法的特征提取、基于時(shí)域分析方法的特征提取等。如圖2所示。

94、步驟5.3：無人機(jī)飛行控制性能評估

95、在獲取到經(jīng)過處理的無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)后，我們可以通過這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行控制性能的評估。

96、在無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)性能評估中，關(guān)注的核心是確保無人機(jī)在各種環(huán)境和情況下的導(dǎo)航準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)性能的評估涉及多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，具體包括無人機(jī)的定位精度、路徑跟蹤能力、對環(huán)境變化的適應(yīng)性，以及在不同操作條件下的穩(wěn)定性等。這些評估指標(biāo)分為幾個(gè)部分，具體如下：

97、1.基礎(chǔ)性能評估：

98、飛行穩(wěn)定性：評估無人機(jī)在保持固定高度和速度時(shí)的控制精度，這對于執(zhí)行精確的空中任務(wù)至關(guān)重要，如航拍或數(shù)據(jù)采集。

99、環(huán)境適應(yīng)性：測試無人機(jī)在不同氣象條件下的飛行性能，包括強(qiáng)風(fēng)、低溫或高溫環(huán)境下的操作穩(wěn)定性，以及其對環(huán)境變化的響應(yīng)速度。

100、2.應(yīng)急處理能力：

101、緊急避障：模擬突發(fā)情況，如意外出現(xiàn)的障礙物，測試無人機(jī)的避障反應(yīng)時(shí)間和效果，驗(yàn)證其傳感器的敏感度和處理算法的有效性。

102、自主降落：在控制信號丟失或電力不足的情況下，無人機(jī)是否能夠安全降落，在緊急降落過程中，測試其定位精度和地面接觸的平穩(wěn)性。

103、3.精度測試：

104、位置保持能力：通過短時(shí)定點(diǎn)懸停測試，評估無人機(jī)在無風(fēng)和有風(fēng)條件下的位置穩(wěn)定性，這對于執(zhí)行需要高定位精確度的任務(wù)非常關(guān)鍵。

105、路徑精度：在預(yù)設(shè)飛行路線上，檢測無人機(jī)實(shí)際飛行軌跡與預(yù)定軌跡的偏差，評估其飛行控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

106、4.耐力與穩(wěn)定性測試：

107、連續(xù)飛行性能：評估無人機(jī)在長時(shí)間飛行后的性能衰減情況，包括電池續(xù)航能力和機(jī)體各部件的耐久性。

108、控制穩(wěn)定性：在飛行過程中，無人機(jī)的響應(yīng)是否一致，特別是在進(jìn)行復(fù)雜機(jī)動(dòng)或長時(shí)間任務(wù)時(shí)，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反應(yīng)速度如何。

109、通過這些綜合性能評估，可以確保無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的高效性和安全性。這些測試不僅幫助制造商改進(jìn)無人機(jī)設(shè)計(jì)，還為操作者提供了關(guān)于機(jī)器性能的重要信息，從而在實(shí)際操作中做出更好的策略決定。例如，耐力測試結(jié)果可以指導(dǎo)操作者關(guān)于電池壽命的合理預(yù)期，而應(yīng)急處理能力的評估則直接影響任務(wù)規(guī)劃和風(fēng)險(xiǎn)管理策略。這種嚴(yán)格的評估過程確保了無人機(jī)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，并且顯著提升了其在民用及商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用效果。對于公共安全、環(huán)境監(jiān)控等關(guān)鍵領(lǐng)域，這種科技的優(yōu)化和可靠性進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用的廣度和深度，推動(dòng)了無人機(jī)技術(shù)在全球范圍內(nèi)的創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

110、步驟5.4：無人機(jī)導(dǎo)航性能評估

111、在獲取到經(jīng)過處理的無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)后，我們可以通過這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)導(dǎo)航性能評估的評估。

112、在無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)性能評估中，關(guān)注的核心是確保無人機(jī)在各種環(huán)境和情況下的導(dǎo)航準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)性能的評估涉及多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，具體包括無人機(jī)的定位精度、路徑跟蹤能力、對環(huán)境變化的適應(yīng)性，以及在不同操作條件下的穩(wěn)定性等。這些評估指標(biāo)分為幾個(gè)部分，具體如下：

113、1.基本導(dǎo)航能力：

114、在無人機(jī)的基本導(dǎo)航能力測試中，我們關(guān)注無人機(jī)在固定航線上的飛行精度。這包括兩個(gè)關(guān)鍵方面：首先是無人機(jī)在預(yù)定路徑上的位置保持能力，即其在設(shè)定的飛行路線上保持穩(wěn)定的能力；其次是對預(yù)設(shè)航線的精確跟蹤，這涉及無人機(jī)在接收到航線調(diào)整指令后，如何精確地調(diào)整飛行路徑以符合新的航線要求。這些測試幫助確保無人機(jī)可以在復(fù)雜的航線和多變的任務(wù)需求中保持高效和精確的操作。

115、2.高度和速度控制：

116、此項(xiàng)評估重點(diǎn)測試無人機(jī)在維持特定飛行高度和速度方面的穩(wěn)定性。這不僅包括無人機(jī)在設(shè)定高度上的穩(wěn)定飛行能力，還涵蓋了其在飛行過程中對高度變化的容忍度，如何快速準(zhǔn)確地調(diào)整飛行高度以適應(yīng)突發(fā)狀況。同時(shí)，還測試了無人機(jī)的加速和減速能力，這是評估其在應(yīng)對緊急情況或完成特定飛行任務(wù)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

117、3.姿態(tài)穩(wěn)定性：

118、無人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定性測試著重于評估機(jī)器在各種飛行姿態(tài)下的穩(wěn)定性，尤其是在遇到如突發(fā)風(fēng)向變化或操作指令突然變更這類挑戰(zhàn)時(shí)的表現(xiàn)。測試中將觀察無人機(jī)的響應(yīng)速度和調(diào)整精確性，確保無人機(jī)能在飛行中迅速且準(zhǔn)確地調(diào)整其姿態(tài)，以保持飛行的穩(wěn)定和安全。

119、4.傳感器性能評估：

120、傳感器性能評估主要集中在imu(慣性測量單元)和gnss(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))上。這些傳感器是無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，因此測試旨在驗(yàn)證這些設(shè)備在實(shí)際操作中能否提供準(zhǔn)確、可靠的位置和方向數(shù)據(jù)。確保傳感器的高性能是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)精準(zhǔn)導(dǎo)航和穩(wěn)定操作的基礎(chǔ)。

121、5.緊急操作反應(yīng)：

122、在緊急操作反應(yīng)的評估中，關(guān)注無人機(jī)在遇到導(dǎo)航錯(cuò)誤或需要突然改變飛行計(jì)劃時(shí)的處理能力。這包括無人機(jī)的急停能力和避障能力，測試在面臨潛在碰撞或飛行禁區(qū)時(shí)，無人機(jī)如何迅速安全地調(diào)整其飛行狀態(tài)以避免事故。這些能力對于提升無人機(jī)的應(yīng)急響應(yīng)和整體安全性至關(guān)重要。

123、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果在于：這些測試確保無人機(jī)能夠在各種操作環(huán)境和可能遇到的非標(biāo)準(zhǔn)情況下，依然能保持高效和安全的飛行表現(xiàn)。通過這些綜合的導(dǎo)航性能評估，無人機(jī)的操作者和制造商可以獲得關(guān)于設(shè)備性能的詳盡數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)和提升飛行策略的可靠性。這不僅提高了無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效率，還強(qiáng)化了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用能力，推動(dòng)了無人機(jī)技術(shù)在民用和商業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。