專利名稱：具有多個(gè)螺旋槳的旋翼無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航方法
具有多個(gè)螺旋槳的旋翼無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如四槳直升機(jī)等的旋翼無(wú)人機(jī)。
無(wú)人機(jī)具有由各馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的多個(gè)螺旋槳，這些馬達(dá)是獨(dú)立可控的，以便控制無(wú)人機(jī)的高度和速度。
此類無(wú)人機(jī)的一個(gè)典型例子就是法國(guó)巴黎Parrot SA的AR. Drone，其是安裝了一組傳感器(高度計(jì)、三軸陀螺儀、加速度計(jì))的四槳直升機(jī)。該無(wú)人機(jī)還具有前方攝像頭來(lái)采集無(wú)人機(jī)前進(jìn)方向上的場(chǎng)景的圖像，以及向下監(jiān)視的攝像頭來(lái)采集飛越過(guò)的地表的圖像。
該無(wú)人機(jī)由使用者通過(guò)遙控設(shè)備來(lái)控制，遙控設(shè)備通過(guò)無(wú)線電與無(wú)人機(jī)連接。
WO 2010/061099 A2 (Parrot SA)具體描述了此無(wú)人機(jī)以及如何通過(guò)電話或具有觸摸屏和集成在其中的加速度計(jì)的多媒體播放器來(lái)控制該無(wú)人機(jī)。
如果以這樣的方式來(lái)控制馬達(dá)，即使得無(wú)人機(jī)偏轉(zhuǎn)或機(jī)鼻向下“俯沖”(以俯仰角偏轉(zhuǎn))，則它將以隨傾角的增加而增加的速度向前移動(dòng)；相反地，如果它采取在相反方向上的“機(jī)鼻向上”姿勢(shì)，則它的速度會(huì)逐漸降低然后反轉(zhuǎn)，向后掉落。類似地，關(guān)于滾轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)(無(wú)人機(jī)向左或向右傾斜)使得無(wú)人機(jī)以線性方式向左或向右水平移動(dòng)。
總的來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“偏轉(zhuǎn)”是用于指代無(wú)人機(jī)相對(duì)于固定地面參照系統(tǒng)水平面的偏轉(zhuǎn)，應(yīng)理解到，其水平速度的縱向和橫向分量以及其關(guān)于俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)是緊密聯(lián)系的。
無(wú)人機(jī)還具有自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)，自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)特別用于使得無(wú)人機(jī)自動(dòng)達(dá)到平衡點(diǎn)，并且一旦達(dá)到平衡點(diǎn)，就提供所需的校正以維持這個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)，例如校正由諸如空氣運(yùn)動(dòng)之類的外部作用所引起的平移運(yùn)動(dòng)的微小變化。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)微調(diào)來(lái)估計(jì)傳感器的漂移。
慣性傳感器(加速度計(jì)和陀螺儀)可以相當(dāng)準(zhǔn)確地測(cè)量無(wú)人機(jī)的角速度和姿態(tài)角 (即，描述無(wú)人機(jī)相對(duì)于絕對(duì)地面參照系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)度的歐拉角)。它們所傳輸?shù)男盘?hào)可以被用于動(dòng)態(tài)地伺服控制無(wú)人機(jī)的推力方向與擾流的方向相反，或者與使用者發(fā)送給無(wú)人機(jī)的駕駛指令的方向相反。
高度計(jì)是位于無(wú)人機(jī)下面的超聲波測(cè)距儀，它傳輸高度測(cè)量數(shù)據(jù)，以伺服控制推力方向來(lái)穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的高度。
把無(wú)人機(jī)向下監(jiān)視攝像頭傳輸回來(lái)的圖像與加速度計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)分析，可以估算出水平面上的線速度(在陸地參照系統(tǒng)水平面上，縱向和橫向延伸的兩個(gè)正交分量所表示的平移運(yùn)動(dòng)的速度)，使用軟件從由攝像頭采集的一張到下一張圖像估計(jì)其運(yùn)動(dòng)，估計(jì)所得的運(yùn)動(dòng)受比例系數(shù)的影響，該比例系數(shù)是關(guān)于所測(cè)高度的函數(shù)。多種算法可以在接近懸停飛行狀態(tài)中的平衡點(diǎn)(在該狀態(tài)中，所使用的廉價(jià)的加速度計(jì)由于太大的噪音，經(jīng)過(guò)信號(hào)的雙層積分后，很難對(duì)無(wú)人機(jī)的速度進(jìn)行令人滿意的估算，因此，利用攝像頭測(cè)量速度可以補(bǔ)償這些由傳感器引起的偏差)附近，實(shí)時(shí)地、較為精確地確定水平速度，包括那些接近無(wú)人機(jī)最高速度(約每秒8米(m/s))的值，和那些很小的值。
特別地，本發(fā)明涉及這樣的過(guò)渡
從一個(gè)狀態(tài)其中，無(wú)人機(jī)高速飛行(并因此具有非零的傾角)，以下稱為“移動(dòng)狀態(tài)”，并被由使用者發(fā)送到無(wú)人機(jī)的駕駛指令所控制；
到另一個(gè)狀態(tài)該無(wú)人機(jī)并不運(yùn)動(dòng)，以下稱為“懸?！睜顟B(tài)，其中，無(wú)人機(jī)的水平速度為零，并且其傾角同樣為零。該狀態(tài)下，用于將無(wú)人機(jī)自動(dòng)穩(wěn)定在懸停飛行的回路被啟動(dòng)，以維持如上所述的速度和傾斜角均為零的懸停狀態(tài)。
當(dāng)使用者觸發(fā)了從受控導(dǎo)航模式到自動(dòng)導(dǎo)航模式的切換后，這樣的過(guò)渡才會(huì)發(fā)生。在受控制導(dǎo)航模式中，無(wú)人機(jī)根據(jù)使用者通過(guò)控制器施加的指令而飛行；在自動(dòng)導(dǎo)航模式中，無(wú)人機(jī)僅僅基于其傳感器所采集的數(shù)據(jù)而飛行，并不受使用者方面的干預(yù)。
如上述的WO 2010/061099A2里所描述的，當(dāng)使用者“放開(kāi)” 了控制儀，過(guò)渡才會(huì)發(fā)生，例如，手指從儀器的觸摸屏上拿開(kāi)這種情況下，出于安全原因，無(wú)人機(jī)就自動(dòng)進(jìn)入懸停飛行狀態(tài)。
為實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)渡，自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)將設(shè)定值應(yīng)用于回路來(lái)控制無(wú)人機(jī)的馬達(dá)，以達(dá)到速度和傾角均為零的目標(biāo)值。
然而，如果將速度和傾角的零目標(biāo)值直接作為設(shè)定值而應(yīng)用于控制回路，則常?？梢钥吹剑瑹o(wú)人機(jī)達(dá)到懸停狀態(tài)要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，并且是在繼續(xù)了很長(zhǎng)的一段路之后且其速度發(fā)生了一次或多次符號(hào)改變(即，無(wú)人機(jī)超過(guò)定點(diǎn)、反轉(zhuǎn)、振蕩等)之后，這里所涉及的制動(dòng)時(shí)間(即，從過(guò)渡的開(kāi)始起算，達(dá)到最終懸停狀態(tài)所花的時(shí)間)與有經(jīng)驗(yàn)的使用者直接控制的從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到懸停狀態(tài)的過(guò)渡相比，并不是最優(yōu)的。
本發(fā)明的目的在于提供一種方法，使得該方法下的這種過(guò)渡可以是完全自動(dòng)并且優(yōu)化的，即，快速發(fā)生、路線較短、并且無(wú)人機(jī)的速度不發(fā)生符號(hào)變化、無(wú)人機(jī)無(wú)振蕩，這樣可以在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到懸停狀態(tài)。
如上文所解釋的，本發(fā)明的方法是實(shí)現(xiàn)這樣的過(guò)渡，從I)初始時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 其中，無(wú)人機(jī)以非零的水平線速度和相對(duì)于水平面的非零傾角飛行，到ii)最終時(shí)刻的懸停狀態(tài)，其中無(wú)人機(jī)的水平線速度和傾角均為零。
具體來(lái)說(shuō)，該發(fā)明包括以下步驟
a)在初始時(shí)刻，獲取分別代表水平線速度分量、傾角度和角速度的初始測(cè)量數(shù)據(jù)；
b)設(shè)定初始時(shí)刻和最終時(shí)刻之間的制動(dòng)時(shí)間值；
c)基于步驟a)中獲取的初始測(cè)量數(shù)據(jù)和步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間，將預(yù)定的預(yù)測(cè)函數(shù)參數(shù)化，該預(yù)定的預(yù)測(cè)函數(shù)建模了從初始時(shí)刻的速度開(kāi)始到所設(shè)時(shí)間結(jié)束時(shí)的零速度為止的、以時(shí)間為函數(shù)的水平線速度的最優(yōu)化連續(xù)減小變化；
d)產(chǎn)生用于回路Q6-40)的設(shè)定值，該回路用于控制無(wú)人機(jī)的馬達(dá)(34)，在給定的示例中，這些設(shè)定值與基于步驟c)中所參數(shù)化的預(yù)測(cè)函數(shù)而預(yù)先計(jì)算出的目標(biāo)水平線速度一致；
e) 一旦達(dá)到懸停狀態(tài)，就啟動(dòng)懸停飛行控制回路06-40，48-58)，該懸停飛行控制回路用于將無(wú)人機(jī)穩(wěn)定在零水平速度和相對(duì)地面的零傾角。
預(yù)定的預(yù)測(cè)函數(shù)有利地是多項(xiàng)式函數(shù)，特別是四階多項(xiàng)式函數(shù)，并且對(duì)該函數(shù)進(jìn)行參數(shù)化的步驟C)是一個(gè)確定多項(xiàng)式的系數(shù)的步驟。
更確切地說(shuō)，該多項(xiàng)式函數(shù)可以是以下形式的函數(shù)3/11 頁(yè)
u(t) = (T-t)3* (au*t+bu)
v(t) = (T-t)3* (av*t+bv)
其中
u(t)是預(yù)先計(jì)算出的目標(biāo)水平線速度的一個(gè)分量；
v(t)是預(yù)先計(jì)算出的目標(biāo)水平線速度的另一個(gè)分量；
T是在步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間值；且
au, bu，av和bv是在步驟c)中確定的該多項(xiàng)式的系數(shù)。
步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間值優(yōu)選地與無(wú)人機(jī)在初始時(shí)刻的線速度有關(guān)，和/或與是否在無(wú)人機(jī)上安裝了保護(hù)整流罩有關(guān)。它與無(wú)人機(jī)的垂直速度無(wú)關(guān)。
接下來(lái)參照附圖對(duì)本發(fā)明的方法實(shí)施進(jìn)行描述。其中一幅圖和另一幅中相同的附圖標(biāo)記用于指示相同或功能相似的元件。


圖1是狀態(tài)圖，顯示了無(wú)人機(jī)可能通過(guò)的各功能配置。
圖2是各傳感和控制元件以及無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的方框圖。
圖3是特征曲線圖，描繪了利用本發(fā)明的預(yù)測(cè)函數(shù)而預(yù)先計(jì)算出的以時(shí)間為函數(shù)的速度。
圖4顯示的是試驗(yàn)結(jié)果，給出了應(yīng)用于無(wú)人機(jī)伺服控制回路的角度設(shè)定值、根據(jù)模型預(yù)測(cè)的傾角、和實(shí)際測(cè)得的傾角。
圖5顯示的是試驗(yàn)結(jié)果，給出了由模型預(yù)測(cè)的速度、實(shí)際測(cè)得的速度、以及將速度設(shè)定值持續(xù)從一開(kāi)始就設(shè)為零而可能獲得的速度曲線。
下面將以對(duì)諸如法國(guó)巴黎Parrot SA的AR. Drone模型之類的四槳直升機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航來(lái)具體解釋本發(fā)明的實(shí)施，AR.Drone的模型曾在上述WO 2010/061099 A2、WO 2009/109711 A2 (描述了基于由高度計(jì)和向前監(jiān)視攝像頭提供的信息的自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)例)和FR 2 915 569 Al (特別描述了無(wú)人機(jī)所使用的陀螺儀和加速度計(jì))中進(jìn)行了詳細(xì)描述。
無(wú)人機(jī)具有由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的四個(gè)共面螺旋漿，這些馬達(dá)是由集成的導(dǎo)航和高度控制系統(tǒng)所獨(dú)立控制的。
無(wú)人機(jī)還包括能夠獲取無(wú)人機(jī)前進(jìn)方向情況場(chǎng)景的攝像頭，能夠獲取地面圖像的向下監(jiān)視攝像頭，向下監(jiān)視攝像頭也被用于計(jì)算平移運(yùn)動(dòng)的水平速度。
無(wú)人機(jī)由遙控設(shè)備來(lái)控制，該遙控設(shè)備是具有觸摸屏的設(shè)備所構(gòu)成，觸摸屏上顯示由前方攝像頭采集的圖像，并在圖像上顯示一定數(shù)量的符號(hào)，這些符號(hào)使得僅當(dāng)使用者的手指觸摸屏幕時(shí)才以啟動(dòng)控制。該設(shè)備特別可以是多媒體設(shè)備或個(gè)人數(shù)字助理， 如iphone類型的蜂窩電話或ipod touch類型的的多媒體播放器(均為美國(guó)蘋(píng)果公司的注冊(cè)商標(biāo))，這些設(shè)備集成了各種傳感元件，這些傳感元件是監(jiān)測(cè)導(dǎo)航指令以及通過(guò) Wi-Fi (IEEE802. 11)或藍(lán)牙(注冊(cè)商標(biāo))類型的局域網(wǎng)落無(wú)線連接而與無(wú)人機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換所需要的。
對(duì)無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航包括如下的微調(diào)
a)圍繞俯仰軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)以向前或向后移動(dòng)；和/或
b)圍繞滾轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)以向左或向右變向；和/或
c)圍繞偏航軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以使無(wú)人機(jī)的主軸線向右或向左旋轉(zhuǎn)，從而令前方攝像頭的指向方向和無(wú)人機(jī)的前進(jìn)方向也旋轉(zhuǎn)；并且
d)通過(guò)改變“節(jié)流閥”設(shè)置以向上或向下運(yùn)動(dòng)，由此分別降低或增加無(wú)人機(jī)的高度。
當(dāng)使用者直接從遙控設(shè)備發(fā)出導(dǎo)航指令時(shí)(以“反應(yīng)”模式導(dǎo)航)，通過(guò)以直覺(jué)方式而傾斜遙控設(shè)備，就可以獲得無(wú)人機(jī)圍繞俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的指令a)和b)。例如，為使無(wú)人機(jī)向前移動(dòng)，只需將遙控設(shè)備圍繞俯仰軸向前傾斜；為使無(wú)人機(jī)向右變向，只需將遙控設(shè)備圍繞滾轉(zhuǎn)軸向右傾斜，等等。
指令c)和d)是由使用者將手指與觸摸屏上的相應(yīng)區(qū)域發(fā)生接觸的行為而導(dǎo)致的。
圖1以狀態(tài)圖的方式，顯示了無(wú)人機(jī)可能處于的各種功能配置。
打開(kāi)電源并進(jìn)行一些初始化步驟(框10)后，無(wú)人機(jī)立刻進(jìn)入“就緒”狀態(tài)(框 12)，其馬達(dá)已經(jīng)準(zhǔn)備好啟動(dòng)。
使用者發(fā)出的指令使得馬達(dá)開(kāi)始運(yùn)行，無(wú)人機(jī)起飛(框14)。在此之后，可以進(jìn)行兩種主要的操作模式。
在導(dǎo)航的第一模式或“導(dǎo)航飛行”模式(框16)下，使用者如上文所述的以下組合方式直接對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操縱
·首先是通過(guò)設(shè)備的傾斜探測(cè)器所發(fā)出的信號(hào)例如，為使無(wú)人機(jī)向前移動(dòng)，使用者圍繞相應(yīng)的俯仰軸傾斜設(shè)備，為使其向右或向左運(yùn)動(dòng)，使用者相對(duì)于滾轉(zhuǎn)軸傾斜此設(shè)備； 并且
其次是從觸摸屏上可獲得的指令，特別是“向上/向下”(對(duì)應(yīng)于節(jié)流閥控制)和 “左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)”(使得無(wú)人機(jī)繞偏航軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn))。
另一個(gè)導(dǎo)航模式(框18)是使用用于穩(wěn)定懸停飛行的獨(dú)立系統(tǒng)的自動(dòng)模式。該自動(dòng)導(dǎo)航模式在如下特別情況中被啟動(dòng)
在起飛階段的末期；
· 一旦使用者的手指離開(kāi)了設(shè)備的觸摸屏；或者
·設(shè)備和無(wú)人機(jī)之間的無(wú)線鏈路被中斷的場(chǎng)合下。
無(wú)論是導(dǎo)航飛行還是懸停飛行，都會(huì)在設(shè)備上的特定控制鍵被按下后或者在電池電量過(guò)低的情況下經(jīng)過(guò)著陸狀態(tài)(框20)而結(jié)束。進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)會(huì)使得馬達(dá)的運(yùn)行速度降低，引起高度的相應(yīng)減小。一旦探測(cè)出已經(jīng)與地面接觸，就再次回到框12的“就緒”狀態(tài)。
同樣，在檢測(cè)到異常的情況下，也有與緊急狀態(tài)相應(yīng)的錯(cuò)誤狀態(tài)(框22)，這讓馬達(dá)立刻停止運(yùn)行。從上述的任何一個(gè)狀態(tài)都可能進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)，特別是在馬達(dá)故障(螺旋槳被阻擋)、軟件異常的情況下，或是加速度計(jì)探測(cè)到了碰撞的結(jié)果。
本發(fā)明還特別涉及從導(dǎo)航飛行(移動(dòng)狀態(tài)，框16)到穩(wěn)定飛行(懸停狀態(tài)，框18) 的過(guò)渡(框24)這個(gè)構(gòu)想是為了使該過(guò)渡能夠循序漸進(jìn)，使無(wú)人機(jī)能從以非零傾角和相對(duì)較高的水平速度移動(dòng)的移動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入到無(wú)人機(jī)是穩(wěn)定的、并且由自動(dòng)導(dǎo)航和穩(wěn)定系統(tǒng)保持在固定位置的懸停狀態(tài)，這樣的過(guò)渡在最少量的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，并且沒(méi)有水平速度的逆轉(zhuǎn)。
為此目的，本發(fā)明提供了預(yù)先計(jì)算的最佳指令，并且在過(guò)渡階段全程中將相應(yīng)的適當(dāng)設(shè)定值應(yīng)用到自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。
如上所述，當(dāng)使用者松開(kāi)控制器以觸發(fā)從導(dǎo)航飛行到懸停飛行的過(guò)渡時(shí)就馬上應(yīng)用速度為零的指令并不是使無(wú)人機(jī)停止的最好方法。
從無(wú)人機(jī)的初始狀態(tài)開(kāi)始(水平速度和傾角)，就計(jì)算出最佳角度指令，使無(wú)人機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)速度和傾角達(dá)到零。為此目的，通過(guò)傳遞函數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)的行為作出預(yù)先判斷， 該傳遞函數(shù)代表了無(wú)人機(jī)對(duì)設(shè)定值作出的實(shí)時(shí)角度響應(yīng)；這使得可以預(yù)測(cè)出無(wú)人機(jī)的行為，并應(yīng)用最佳設(shè)定值來(lái)使得無(wú)人機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)停止。
進(jìn)一步地，規(guī)劃從導(dǎo)航飛行到懸停飛行的過(guò)渡，確保不會(huì)超過(guò)設(shè)定值，S卩，無(wú)人機(jī)達(dá)到零速度而沒(méi)有速度的符號(hào)變化，即，在停止過(guò)程的全程中無(wú)人機(jī)持續(xù)在相同方向上行進(jìn)而不發(fā)生反轉(zhuǎn)。
應(yīng)該注意，從導(dǎo)航飛行到懸停飛行過(guò)渡這一規(guī)劃，是作用于無(wú)人機(jī)的水平線速度分量上的，與無(wú)人機(jī)的垂直速度無(wú)關(guān)(垂直速度可以是零或可以由使用者來(lái)修改)。
還應(yīng)該注意，從懸停飛行(框18)到導(dǎo)航飛行(框16)的反向過(guò)渡在初始狀態(tài)是零速度和零傾角的狀態(tài)的情況下并沒(méi)有增加任何特別的困難，因此，只需要將使用者施加的指令所定義的速度和傾角的目標(biāo)值應(yīng)用為速度和傾角的設(shè)定值就可以了。
圖2是無(wú)人機(jī)的多個(gè)傳感器和控制元件以及自動(dòng)導(dǎo)航的功能性框圖。然而應(yīng)該注意，盡管附圖是以互連電路的形式，但各功能實(shí)際是通過(guò)軟件實(shí)施的，圖僅僅是用于解釋說(shuō)明。
導(dǎo)航系統(tǒng)包含數(shù)個(gè)嵌套回路，用于控制無(wú)人機(jī)的角速度和高度，并用于穩(wěn)定懸停， 也用于自動(dòng)地或響應(yīng)于使用者的指令來(lái)控制高度變化。
用于控制角速度的最內(nèi)層回路使用由陀螺儀沈提供的信號(hào)以及由角速度設(shè)定值 28所形成的參照，這些數(shù)據(jù)被用作為對(duì)角速度校正階段30的輸入。該階段30特別地使用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)而驅(qū)動(dòng)用于馬達(dá)34控制的階段32，這樣就可以單獨(dú)控制不同的馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而通過(guò)由馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的螺旋槳的組合動(dòng)作來(lái)校正無(wú)人機(jī)的角速度。
角速度控制回路嵌套在高度控制回路中，高度控制回路基于陀螺儀沈和加速度計(jì)36傳送的信息而運(yùn)行，這些數(shù)據(jù)被用作為高度估算階段38的輸入，而高度估算階段38 的輸出被施加到比例積分(PI)型階段40來(lái)校正高度。階段40輸出角速度設(shè)定值給階段觀，角速度設(shè)定值由電路42產(chǎn)生，角速度設(shè)定值的產(chǎn)生是源于當(dāng)無(wú)人機(jī)處于懸停飛行狀態(tài) (圖1中的框18)或處于導(dǎo)航飛行和懸停飛行之間的過(guò)渡狀態(tài)(框24)時(shí)由無(wú)人機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航內(nèi)部所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，或源于當(dāng)無(wú)人機(jī)處于導(dǎo)航飛行配置(圖1中的框16)時(shí)使用者44 直接施加的指令，對(duì)這些選項(xiàng)中的一個(gè)或另一個(gè)的選擇由用開(kāi)關(guān)46來(lái)表示。
概括地講，基于設(shè)定值(由使用者所施加的或由自動(dòng)導(dǎo)航內(nèi)部所產(chǎn)生的)與由高度估算回路38給出的角度測(cè)量值之間的誤差，高度控制回路(電路沈到40)使用電路40 中的PI校正器來(lái)計(jì)算角速度設(shè)定值。然后，角速度控制回路(電路26到34)計(jì)算出上述角速度設(shè)定值與由陀螺儀26實(shí)際測(cè)得的角速度之間的誤差，回路使用這個(gè)信息來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速設(shè)定值(以及上升力設(shè)定值)，用于傳送給無(wú)人機(jī)的多個(gè)馬達(dá)以實(shí)現(xiàn)使用者原始要求的微調(diào)或自動(dòng)導(dǎo)航的規(guī)劃。
高度控制回路本身嵌套在懸停飛行控制回路中，懸停飛行控制回路用于自動(dòng)導(dǎo)航模式操作，在自動(dòng)導(dǎo)航模式操作中由內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)取代使用者施加的設(shè)定值。用作為測(cè)高儀的垂直視頻攝像頭48和測(cè)距儀傳感器50傳送被應(yīng)用于處理器電路52的數(shù)據(jù)，處理器電路52也接收來(lái)自陀螺儀28的數(shù)據(jù)以對(duì)電路M中的估算水平速度施加所期望的校正。水平速度估算值可以由垂直速度估算值來(lái)校正，垂直速度估算值是由電路58基于電路52 所傳送的高度估算值而給出的，而電路52接收來(lái)自測(cè)距儀傳感器50的信息。
由電路M估算的水平速度用于使得電路60按照下述的方式來(lái)計(jì)算速度設(shè)定值， 隨后，該設(shè)定值在被電路42轉(zhuǎn)換成角度設(shè)定值后，被用作為高度控制回路的輸入。
概括地講，當(dāng)自動(dòng)導(dǎo)航模式被啟動(dòng)時(shí)，原由使用者44直接發(fā)送的設(shè)定值被由用于控制懸停飛行的回路(電路觀到60)內(nèi)部所產(chǎn)生的設(shè)定值來(lái)取代，該回路計(jì)算出設(shè)定值傳送給高度控制回路(電路觀到34)，以使得無(wú)人機(jī)的速度變?yōu)榱?，從而將無(wú)人機(jī)保持在速度和傾角均為零的配置中。
考慮都安無(wú)人機(jī)的垂直運(yùn)動(dòng)，使用者44施加一直接被用于電路64的爬升速度設(shè)定值(Vz)，或者施加一被用于電路62的高度設(shè)定值，電路62使用電路66在電路56所產(chǎn)生的高度估算值的基礎(chǔ)上計(jì)算爬升速度設(shè)定值。
在任意一種情況下，爬升速度(設(shè)定的或計(jì)算得出的)都被施加到電路68，電路 68將設(shè)定的爬升速度Vz與電路58所傳送的相應(yīng)估算速度進(jìn)行比較，并且相應(yīng)地對(duì)馬達(dá)控制數(shù)據(jù)(電路32)進(jìn)行修正，以同時(shí)增加或降低所有馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，以將爬升速度設(shè)定值和爬升速度測(cè)量值之間的誤差最小化。
在以本發(fā)明為特征的方式中，當(dāng)無(wú)人機(jī)處于介于導(dǎo)航飛行狀態(tài)16和懸停飛行狀態(tài)18之間的過(guò)渡階段(圖1中的框時(shí)，高度控制設(shè)定值不是一個(gè)零高度設(shè)定值(即， 因而不是零速度設(shè)定值)，而是與無(wú)人機(jī)可預(yù)測(cè)行為有關(guān)的預(yù)先計(jì)算出來(lái)的使過(guò)渡最小化并使達(dá)到懸停狀態(tài)所需的時(shí)間最短的設(shè)定值。
下面將給出在導(dǎo)航飛行到懸停飛行的過(guò)渡階段期間確定用于控制無(wú)人機(jī)馬達(dá)的設(shè)定值的詳細(xì)描述。
水平移動(dòng)的速度分量記為U和v(u在無(wú)人機(jī)的前向方向，ν在橫向方向)，垂直移動(dòng)的速度記為w，所有這三個(gè)速度分量均表示在與無(wú)人機(jī)有關(guān)的參照系統(tǒng)中(并因此與無(wú)人機(jī)相對(duì)于地面參照系的任何傾角無(wú)關(guān))。
無(wú)人機(jī)的四個(gè)螺旋槳中的每一個(gè)i(i = 1, ...,4)都產(chǎn)生與馬達(dá)轉(zhuǎn)速Coi的平方成正比的扭矩Γ i和向上推力Fi:(F1 ~ αω_〒_7] Ir! = 1,4
將動(dòng)力學(xué)的基本關(guān)系映射到無(wú)人機(jī)的移動(dòng)參照系中，因此得到了下面三個(gè)等式
= (rv - qw) - gsin0 - Cxu
ν = (pw — ru) + gsin<pcos0 + Cyv
w = (qu — pv) + gcoscpcos0 - -^f=Iawf
(等式 1-3)
其中
P，q，r是關(guān)于三條軸線的角速度；
g是重力加速度；
φ和θ是定義無(wú)人機(jī)相對(duì)于水平面傾斜的兩個(gè)角度(歐拉角)；
Cx和Cy是沿兩條水平軸線的運(yùn)動(dòng)的阻尼系數(shù)(代表無(wú)人機(jī)所受的磨擦力)；
a是將推力和爬升速度與轉(zhuǎn)速ω聯(lián)系起來(lái)的系數(shù)；并且
m是無(wú)人機(jī)的質(zhì)量。
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量理論同樣適用于本系統(tǒng)，仍然映射到移動(dòng)參照系，得到下列三個(gè)等式
權(quán)利要求
1.一種控制旋翼無(wú)人機(jī)的方法，所述旋翼無(wú)人機(jī)具有多個(gè)螺旋槳，所述多個(gè)螺旋槳分別被獨(dú)立受控的馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)，用于控制所述無(wú)人機(jī)的高度和速度，所述方法是用于實(shí)現(xiàn)以下過(guò)渡過(guò)程的方法-從初始時(shí)刻的移動(dòng)狀態(tài)(16)，其中，無(wú)人機(jī)以非零的水平線速度和相對(duì)于水平面的非零傾角飛行；-過(guò)渡到最終時(shí)刻的懸停狀態(tài)(18)，其中，無(wú)人機(jī)的具有零線速度和零傾角； 所述方法的特征在于包括以下步驟a)在初始時(shí)刻，獲取代表水平線速度分量、傾角和角速度的初始測(cè)量數(shù)據(jù)；b)設(shè)定初始時(shí)刻和最終時(shí)刻之間的制動(dòng)時(shí)間值；c)基于步驟a)中獲取的初始測(cè)量數(shù)據(jù)和步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間，將預(yù)先確定的預(yù)測(cè)函數(shù)參數(shù)化，所述預(yù)先確定的預(yù)測(cè)函數(shù)對(duì)從初始時(shí)刻的速度開(kāi)始到設(shè)定時(shí)間結(jié)束時(shí)的零速度為止的、因變于時(shí)間的水平線速度的最優(yōu)化連續(xù)減小變化進(jìn)行建模；d)產(chǎn)生用于回路O6-40)的設(shè)定值，用于控制無(wú)人機(jī)的馬達(dá)(34)，這些設(shè)定值對(duì)應(yīng)于基于步驟c)中所參數(shù)化的預(yù)測(cè)函數(shù)的在給定時(shí)間的預(yù)先計(jì)算出的目標(biāo)水平線速度；e)一旦達(dá)到懸停狀態(tài)，就啟動(dòng)懸停飛行控制回路06-40，48-58)，懸停飛行控制回路適用于將所述無(wú)人機(jī)穩(wěn)定為具有零水平速度和相對(duì)地面零傾角的。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其中所述預(yù)先確定的預(yù)測(cè)函數(shù)是多項(xiàng)式函數(shù)，且對(duì)所述函數(shù)進(jìn)行參數(shù)化的步驟c)是確定所述多項(xiàng)式的系數(shù)的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述方法，其中所述多項(xiàng)式函數(shù)是四階多項(xiàng)式函數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述方法，其中所述多項(xiàng)式函數(shù)是以下類型的函數(shù) u(t) = (T-t)3* (au*t+bu)v(t) = (T-t)(av*t+bv)其中u(t)是預(yù)先計(jì)算出的目標(biāo)水平線速度的一個(gè)分量； v(t)是預(yù)先計(jì)算出的目標(biāo)水平線速度的另一個(gè)分量； T是在步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間；以及 au, bu，av. bv是在步驟c)中確定的多項(xiàng)式的系數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述方法，其中在步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間值是因變于所述無(wú)人機(jī)在初始時(shí)刻的水平線速度的值。
6.如權(quán)利要求1所述方法，其中在步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間值是因變于所述無(wú)人機(jī)是否安裝有整流罩的值。
7.如權(quán)利要求1所述方法，其中在步驟b)中設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間值是與所述無(wú)人機(jī)的垂直速度無(wú)關(guān)的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有多個(gè)螺旋槳的旋翼無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航方法。本方法實(shí)現(xiàn)了從i)移動(dòng)狀態(tài)，到ii)懸停狀態(tài)的過(guò)渡，在移動(dòng)狀態(tài)中無(wú)人機(jī)以一定速度和非零的傾角飛行，在懸停狀態(tài)中無(wú)人機(jī)的速度和傾角均為零。本方法包括以下步驟a)測(cè)量初始時(shí)刻的水平線速度、傾角和角速度；b)設(shè)定制動(dòng)時(shí)間值；c)基于初始的測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間值，將預(yù)先確定的預(yù)測(cè)函數(shù)參數(shù)化，該預(yù)先確定的預(yù)測(cè)函數(shù)對(duì)因變于時(shí)間的水平線速度的最優(yōu)連續(xù)減小變化進(jìn)行建模；d)將設(shè)定值應(yīng)用于控制無(wú)人機(jī)馬達(dá)的回路，該值對(duì)應(yīng)于由所述參數(shù)化的預(yù)測(cè)函數(shù)預(yù)先計(jì)算得來(lái)的目標(biāo)水平線速度；e)一旦達(dá)到懸停狀態(tài)，就啟動(dòng)懸停飛行控制回路，將無(wú)人機(jī)維持為速度和傾角相對(duì)于地面均為零。
文檔編號(hào)G01D1/10GK102538828SQ201110350899
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者F·凱羅 申請(qǐng)人:鸚鵡股份有限公司