物流无人机操作与运维（高级） 课件 单元10 无人机系统试飞数据

单元10无人机系统试飞数据单元10无人机系统试飞数据单元10无人机系统试飞数据【知识目标】1.了解无人机试飞的要求及特点，熟悉试飞前故障检查与排除的方法。2.针对性地掌握飞行状态各种数据采集和状态识别的方法。【技能目标】1.按照无人机试飞要求，完成物流无人机运行各项数据的采集。2.按照无人机试飞要求，完成物流无人机异常状态与飞行状态各项数据的采集。3.按照无人机试飞要求，完成物流无人机不同飞行状态下运行性能数据的采集。【素养目标】1.具备试飞数据的基本计算分析能力。2.培养安全作业的职业意识与严谨的工作态度。3.培养对物流无人机系统运行相关岗位与职业认同感。任务1物流无人机各项数据的采集及留存任务描述任务分析相关知识1）INS导航系统采集的数据包括：IMU的角速度p、q、r和加速度ax、ay、az，电子罗盘的三轴磁通量Hx、Hy、Hz。2）GPS导航系统采集的数据包括：GPS的位置信息x、y、z和速度信息u、v、w。任务1物流无人机各项数据的采集及留存任务准备任务1物流无人机各项数据的采集及留存任务实施1.无人机试飞流程（1）测试飞行流程试飞流程如图10-3所示。任务1物流无人机各项数据的采集及留存1）在逆风或者载重时启用角度限幅降低飞行速度使压降降低，在顺风或者空载时增大飞行速度使飞行时长缩短，从而使无人机配送平台实现配送半径最优、效率最高。2）在倾斜起飞和倾斜降落时，将飞行数据和常规航线或A-B（降落抛货）-A模式进行对比，确认哪种模式效率最高，如图10-4所示。（2）通过目测京东Y3无人机信号灯实时采集运行状态1）红灯慢闪表示低电量报警；红灯快闪表示严重低电量报警；红灯常亮表示有错误（见图10-5）。任务1物流无人机各项数据的采集及留存2）红灯、黄灯交替闪烁表示指南针有故障需要校准（见图10-6）；黄灯慢闪表示无人机处于姿态模式；黄灯快闪表示遥控器信号中断；黄灯闪4次代表无人机在预热。3）绿灯慢闪表示正在使用GPS模块定位；绿灯双闪表示正在使用视觉系统定位；三种颜色连续闪烁代表正在自检（见图10-7）。任务1物流无人机各项数据的采集及留存（3）通过软件实时采集坐标有以下两种实现方法：1）打开京东Y3控制软件，单击“我的”→“选择查找无人机”，查看左下角坐标即可。2）打开京东Y3地面站，实时采集地图经纬度。（4）振动监测（见图10-8）部分飞控内部可存储振动数值，调试起来较为方便。任务1物流无人机各项数据的采集及留存2.京东Y3地面站地平仪分析及数据记录任务1物流无人机各项数据的采集及留存任务1物流无人机各项数据的采集及留存3.采集飞行数据注意事项1）起飞前飞行姿态：起飞前无人机置于水平地面，俯仰、横滚姿态应处于-1°～1°以内。2）飞行中俯仰角：飞行过程中无人机姿态受环境影响相对较大，俯仰角通常位于-20°～10°以内（当前姿态限幅为20°）。3）速度：确认飞行速度与设置的目标速度匹配。4）电压：飞行过程中电压必须大于21V。5）定位状态。任务1物流无人机各项数据的采集及留存检查评议任务1物流无人机各项数据的采集及留存问题管理1.机动性测试注意事项1）结构强度验证：观测机动飞行反向刹车过载时的结构变形，确认结构强度是否符合要求。2）控制系统性能验证：姿态模式下快速反向刹车的超调量是否正常，快速打杆时无人机内外环跟踪是否存在发散迹象，定点模式飞行时反向刹车状态是否一致。3）导航稳定性验证：机动飞行时传感器数据情况是否稳定，导航数据是否存在跳变。2.性能测试问题1）空机时验证最大航程方案：俯仰角放开至30°，在基本一致的气候环境下，飞行速度为14m/s、16m/s、18m/s时进行最大航程测试。2）在风速较大、相同航程、不同速度时，通过监测风速、俯仰角、电压、压降、里程等信息得出最优速度和最优俯仰角。任务1物流无人机各项数据的采集及留存3）按上述方法得出载重10kg时的最大航程、最优速度和最优俯仰角。4）无人机测试过程中存在的问题见表10-2。任务1物流无人机各项数据的采集及留存知识拓展1.飞控的内置与外加组件对比2.无人机的数据传输和通信方式任务小结课后训练1.在试飞过程中，如果飞控支持内部数据记录，可以分别记录哪些关键数据？请列举至少4项，并简要说明这些数据的作用。2.无人机传感器系统所采集的原始数据主要来自哪两个系统？任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集任务描述任务分析相关知识1.极大似然法（MLE）在试飞数据处理中的应用（1）气动参数辨识无人机的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数等气动参数是飞行性能分析的核心，但无法直接测量。（2）传感器误差模型参数估计试飞中传感器（如加速度计、陀螺仪）的测量误差（如零偏、尺度因子误差）会影响数据可靠性。（3）飞控参数辨识针对无人机自动驾驶仪的控制参数（如比例系数、积分系数），通过试飞中“输入指令-输出响应”数据，用极大似然法估计使响应数据概率最大的控制参数，验证控制系统设计的合理性。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集适用范围如下：1）适用于“模型已知但参数未知”的场景（需先确定参数化模型，如气动参数与飞行状态的函数形式）。2）适合处理大样本试飞数据（因极大似然法在大样本下估计精度更高）。3）不适合模型假设错误或数据含大量异常值的场景（会导致参数估计偏差）。2.多项式移动平滑算法在试飞数据处理中的应用（1）原始传感器数据预处理试飞中加速度计、速度传感器、高度计等输出的原始数据常含高频噪声（如机械振动导致的加速度跳变、气流扰动导致的高度波动）。（2）飞行轨迹平滑试飞轨迹（如经度、纬度、高度随时间的变化）由GPS或惯导系统输出，可能因信号漂移产生局部波动。（3）参数趋势分析预处理对燃油流量、发动机转速等随时间变化的参数，平滑后可更直观地观察其与飞行状态（如推力设置）的关联趋势，减少噪声对趋势判断的干扰。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集适用范围如下：1）适用于处理“含高频噪声但趋势明确”的时间序列数据（如传感器原始数据、轨迹数据）。2）适合飞行状态相对平稳或缓慢变化的场景（如巡航阶段），窗口大小和多项式阶数可根据噪声强度调整（噪声越强，窗口可适当增大）。3）不适合快速动态变化的数据（如急剧机动时的加速度），否则可能因过度平滑丢失关键瞬态特征。3.非线性鲁棒滤波技术在试飞数据处理中的应用（1）大机动飞行状态估计无人机做筋斗、横滚、眼镜蛇机动等大机动动作时，运动模型是非线性的（如姿态角变化剧烈、线性化模型误差大），且可能伴随传感器测量异常（如过载传感器在大过载下的瞬时跳变）。（2）多传感器数据融合（含异常值）试飞中常用多传感器（惯导、GPS、雷达、大气数据系统）融合获取状态，但传感器可能因环境干扰（如雷雨天气导致GPS信号丢失）产生异常值。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集（3）恶劣环境下的导航数据处理在高原、海洋等复杂地形试飞时，GPS信号易受遮挡或多路径效应影响，导致测量噪声偏离高斯分布。1）适用于非线性飞行状态（如大迎角、大机动）或模型误差显著的场景。2）适合存在传感器异常值（如跳变、丢失）或噪声非高斯的情况（如恶劣天气、复杂电磁环境）。3）计算量相对较大（如粒子滤波），更适合离线分析或高性能机载处理系统。4.卡尔曼滤波法在试飞数据处理中的应用（1）平稳飞行状态实时估计无人机在巡航阶段（高度、速度稳定）或小幅度机动（如水平转弯）时，运动模型可近似为线性（如位置、速度的变化符合线性微分方程），且传感器噪声（如惯导漂移、GPS随机误差）接近高斯分布。（2）多传感器数据融合（高斯噪声场景）在传感器噪声符合高斯分布的场景（如晴空下的中高空试飞），卡尔曼滤波可高效融合惯导（短期精度高）与GPS（长期无漂移）数据，弥补单一传感器缺陷。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集（3）传感器误差校准对试飞中的传感器（如速率陀螺），卡尔曼滤波可通过状态估计residuals（预测与观测的偏差）反推传感器零偏、尺度因子误差，实现在线校准。适用范围如下：1）适用于飞行状态接近线性（如平稳巡航、小机动）且噪声符合高斯分布的场景。2）适合需要实时、低计算量处理的场景（如机载实时监控系统）。3）不适合非线性强（如大迎角）或噪声非高斯（如含异常值）的场景（此时估计精度会显著下降）。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集任务准备任务实施任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集1.正常状态下飞行数据的采集1）采集基础飞行参数：如飞行高度、速度、航向等，通过无人机自带的传感器进行实时采集。2）采集物流作业数据：如货物重量、载货量等，通过无人机上的任务载荷进行测量和记录。3）数据处理与分析：对采集到的数据进行处理和分析，提取有关无人机性能的关键信息，如航迹、能耗等。2.异常状态下飞行数据的采集1）异常模拟：通过特定的方法或设备，模拟无人机在异常状态下的飞行条件，如图10-13所示。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集2）参数监测：密切监测无人机的飞行参数变化，特别是与异常飞行姿态相关的参数。3）记录控制系统反应：记录无人机在异常情况下的控制系统反应，如自动调整、故障警告等。4）数据记录与分析：详细记录异常状态下的数据，并对其进行分析，以评估无人机的异常应对能力。5）无人机电子系统的检测：首先将要进行检查的无人机放在空地上，打开地面站、遥控器以及所有机载设备的电源，运行地面站软件，检查设计数据，向机载飞控发送设计数据并检查所采集数据的正确性，检查地面站、机载设备的工作状态，检查飞控的设置参数。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集3.不同飞行状态下性能数据的采集1）不同飞行阶段的数据采集：针对起飞、巡航、降落等不同阶段，分别进行数据采集。2）不同气象条件下的数据采集：在不同风速、温度、湿度等气象条件下进行测试，观察无人机性能的变化，并进行数据采集。3）数据汇总与分析：将不同飞行阶段和气象条件下的数据进行汇总和分析，以得出全面的性能评估结果。4.安全措施与注意事项1）遵守安全操作规程：确保所有操作符合无人机安全操作规范，避免因误操作导致安全事故。2）风险评估与预防：在任务前进行详细的风险评估，并采取相应的预防措施，确保人员和设备的安全。3）应急预案：制定应急预案，包括紧急情况下的处置措施和人员撤离程序，以应对可能出现的意外情况。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集检查评议任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集问题管理1）如无必要，试飞时不要安装GPS模块。2）如必须安装GPS模块，尽量不使用GPS模式而使用姿态模式飞行，但起飞仍需6颗卫星以上，并等待记录返航点。3）如非万不得已，不要使用失控返航。4）尽可能安装iOSD-MARK记录飞行数据。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集知识拓展1.对检测信号进行数据采集任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集2.无人机试飞数据的特点和处理的必要性1）通过数据处理可以得到飞行试验的结果。2）由于在实际试飞中，试飞试验取得的只是一些离散的数据，很多性能数据需通过试飞数据计算得到，因此这些计算得到的结果将同样作为取证的依据。3）试飞数据的取得会受到很多不确定参数的影响，包括大气阻力、噪声、声波等，造成数据存在误差，影响后续计算的准确性和可靠性。4）无人机数据采集和姿态解算是飞行控制的前提和基础。任务2物流无人机不同飞行状态下原始性能数据的采集任务小结课后训练1.请描述物流无人机在起飞、巡航和降落等不同飞行阶段中，需要采集哪些原始性能数据，并解释这些数据对于评估无人机性能的重要性。2.在采集物流无人机原始性能数据时，应如何选择合适的传感器和监测设备，以确保数据的准确性和可靠性？3.请简述一种有效的数据采集方法，用于在物流无人机飞行过程中实时记录原始性能数据，并解释该方法的优势和应用范围。任务3飞行状态、数据分析及应急返航任务描述任务分析相关知识1.飞行参数记录器（1）事故型飞行参数记录器事故型飞行参数记录器俗称黑匣子，在结构上采用抗坠毁设计，耐火烧、耐撞击、耐腐蚀等。（2）维护型飞行数据记录器维护型飞行数据记录器是无人机上记录飞行信息的储存和读出装置。2.无人机的飞行模式3.无人机的控