无人机空速管的仿真分析及校准方法及系统与流程

本发明涉及无人机设计，特别涉及一种无人机空速管的仿真分析及校准方法及系统。

背景技术：

1、空速管是无人机测量系统的关键部件之一，用于感知飞行过程中的总压和静压，是大气数据计算机计算飞行速度、高度等一系列关键飞行参数的重要输入来源。空速管的测量精度直接影响飞控系统的判断准确性和无人机的飞行安全包线。

2、在亚声速飞行时，无人机机身周围会形成绕流场，使得机身绕流场范围内的静压值与自由来流的静压存在差异。这种差异主要与空速管在机身上的安装位置有关，被称为“静压位置误差”。因此，空速管应安装在机身周围气流干扰最小的位置，通常位于无人机机头或机身两侧。

3、目前，为了确定空速管的最佳安装位置并进行空速校准，主流方法仍然依赖于飞行试验。常用的确定总压、静压系统测量误差的试飞方法包括飞过塔台法、伴航法、拖锥法、照相经纬仪法、微波空间定位测距法、激光测距法等。然而，这些方法存在以下显著不足：

4、第一，高空中存在难以精确测量的自然风风速和风向，为排除高空风对测量结果的干扰，需要进行特定的飞行动作和路径，增加了试飞的复杂性和成本。

5、第二，空速管安装位置的选型和方案优选，均需覆盖飞行包线内的典型工况，这要求进行多架次的飞行试验，周期长、成本高。

6、第三，在无人机设计初期或方案迭代阶段，缺乏一种快速、低成本的手段来预估空速管安装效果并进行初步校准。

7、因此，亟需发展一种低成本、高效率的空速管仿真分析及校准方法，以降低传统空速校准的成本并提高研发效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种无人机空速管的仿真分析及校准方法及系统，通过数值仿真手段，在无人机设计阶段即可快速、低成本地确定空速管的最佳安装位置，并获取初步的空速校准公式，为后续的飞行试验提供可信的参考依据。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种无人机空速管的仿真分析及校准方法，包括以下步骤：

4、s1.建立包含无人机机体和空速管的三维仿真模型；

5、s2.在所述无人机机体上确定空速管的初步布置区域；

6、s3.基于预设的空速管与机身的限制距离，在所述初步布置区域内生成一组满足距离约束的候选静压探测点；

7、s4.通过流体力学仿真，获取各候选静压探测点在设定来流条件下，不同迎角和不同侧滑角时的当地指示空速；

8、s5.对各候选静压探测点，分别计算其在所述不同迎角下的指示空速的纵向标准差，以及在不同侧滑角下的指示空速的横航向标准差；

9、s6.根据所述纵向标准差和所述横航向横航向标准差的综合评价值，从所述候选静压探测点中确定空速管的优选安装位置；

10、s7.在所述优选安装位置处，根据来流空速与当地指示空速的误差，建立空速校准公式。

11、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s6中所述综合评价值为所述纵向标准差与所述横航向标准差的加权求和值；其中，将综合评价值最小的候选静压探测点确定为所述优选安装位置。

12、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中所述满足距离约束的候选静压探测点，是在所述初步布置区域内，沿与机身表面保持所述限制距离的偏移线上等间距或非等间距选取的。

13、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s7中所述空速校准公式采用线性拟合、多项式拟合或分段拟合方式建立。

14、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s4中所述设定来流条件包括多个不同的来流速度；步骤s7中建立的空速校准公式为与来流速度相关的校准关系式。

15、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s4中所述流体力学仿真的边界条件设置为：

16、以压力远场边界模拟自由来流，所述压力远场边界与无人机机体之间的距离不小于机翼平均气动弦长的预设倍数；

17、无人机机体表面设置为绝热固壁边界。

18、另一方面，本发明还提供了一种无人机空速管的仿真分析及校准系统，所述系统用于实现上述的方法，所述系统包括：

19、建模模块，用于建立包含无人机机体和空速管的三维仿真模型；

20、区域确定模块，用于在所述无人机机体上确定空速管的初步布置区域；

21、候选静压探测点生成模块，用于基于预设的空速管与机身的限制距离，在所述初步布置区域内生成一组满足距离约束的候选静压探测点；

22、仿真计算模块，用于通过流体力学仿真，获取各候选静压探测点在设定来流条件下，不同迎角和不同侧滑角时的当地指示空速；

23、标准差计算模块，用于对各候选静压探测点，分别计算其在所述不同迎角下的指示空速的纵向标准差，以及在不同侧滑角下的指示空速的横航向标准差；

24、位置筛选模块，用于根据所述纵向标准差和所述横航向标准差的综合评价值，从所述候选静压探测点中确定空速管的优选安装位置；

25、校准公式建立模块，用于在所述优选安装位置处，根据来流空速与当地指示空速的误差，建立空速校准公式。

26、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述位置筛选模块具体用于：将所述纵向标准差与所述横航向标准差进行加权求和，得到所述综合评价值；将综合评价值最小的候选静压探测点确定为所述优选安装位置。

27、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述候选静压探测点生成模块具体用于：在所述初步布置区域内，沿与机身表面保持所述限制距离的偏移线，等间距或非等间距地生成所述候选静压探测点。

28、如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统还包括存储模块，用于存储所述空速校准公式，以供无人机飞行控制系统调用。

29、本发明的有益效果为：

30、1、成本低、效率高：本发明通过数值仿真手段，在无人机设计阶段即可完成空速管安装位置的优选和初步空速校准，替代了传统方法中需要多架次飞行试验的过程，显著降低了研发成本，大幅缩短了研发周期。

31、2、筛选标准客观量化：本发明创新性地引入了“指示空速标准差”作为安装位置优劣的量化评价指标。标准差反映了当地指示空速对飞行姿态（迎角、侧滑角）变化的敏感程度，标准差越小，表明该位置对姿态变化的响应越稳定，越有利于后续的空速精确校准。相比于传统方法中仅凭经验或简单压力分布图判断安装位置的方式，本发明提供的量化筛选标准更加客观、可靠。具体而言，步骤s5通过计算各候选静压探测点在变迎角下的纵向标准差和变侧滑角下的横航向标准差，将“稳定性”这一工程诉求转化为精确的数值指标；步骤s6则基于该指标进行综合决策，从而将优选过程从定性判断提升为定量分析，这是确保最终安装位置工程合理性的关键技术支撑。

32、3、综合考虑纵横向工况：本发明在筛选最优安装位置时，并非仅考虑单一飞行姿态，而是综合考量了纵向工况（变迎角）和横航向工况（变侧滑角）下的性能表现。通过步骤s5和s6中分别计算并综合评价两个方向的标准差，确保所选位置在不同的飞行姿态下均具有较小的静压位置误差波动，从而使确定的安装位置具有更全面的工况适应性。

33、4、校准精度可满足工程需求：本发明在确定优选安装位置后，进一步通过线性拟合建立空速校准公式。经仿真验证，校准后的指示空速与来流空速的误差可控制在较小范围内，满足无人机型号合格审定中对空速测量精度的要求，证明了本发明方法所建立的校准公式具有实际工程应用价值。

34、5、适用范围广：本发明的方法和系统可适用于不同型号、不同构型的无人机，只需建立对应的三维仿真模型并设置相应的边界条件，即可完成空速管的安装位置优选和初步校准，具有良好的通用性和可移植性。