用于用側(cè)風(fēng)和加速度計偏差估計和補償來控制多旋翼的旋翼無人機的方法
【專利摘要】無人機的姿態(tài)和速度由施加到用于根據(jù)俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸來控制無人機的各引擎的控制回路(120)的角命令來控制。具體包括卡爾曼預(yù)測濾波器的無人機的動力學(xué)模型在無人機質(zhì)量和阻力系數(shù)、無人機相對于絕對地面參考的歐拉角、以及無人機繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上表示無人機的水平速度分量。無人機沿三個軸的加速度以及無人機相對地面的相對速度被測量并被應(yīng)用到該模型以估計側(cè)風(fēng)的水平速度分量(128)。這一估計可用來產(chǎn)生校正命令(126)，這些校正命令與被施加到該無人機的與俯仰和滾轉(zhuǎn)有關(guān)的控制回路的角命令相結(jié)合。
【專利說明】用于用側(cè)風(fēng)和加速度計偏差估計和補償來控制多旋翼的旋 翼無人機的方法
[0001] 本發(fā)明涉及諸如四旋翼直升機（quadricop-tSres)之類的旋翼無人機。
[0002] 此類無人機設(shè)有由相應(yīng)的馬達驅(qū)動的多個旋翼，這些馬達可以以不同模式控制， 從而在姿態(tài)和速度方面駕駛該無人機。
[0003] 此類無人機的典型示例是法國巴黎鸚鵡股份有限公司的AR.無人機，其是一種四 旋翼直升機，該四旋翼直升機配備有一系列傳感器（加速度計、三軸陀螺儀、高度計）、對無 人機被指引朝向的場景的圖像進行拾取的前置相機，以及對飛過的地面的圖像進行拾取的 垂直視點相機。
[0004] 文獻W02010/061099A2和EP2364757A1 (鸚鵡股份有限公司）描述了此種無人機 以及通過具有觸摸屏和集成的加速度計的電話或多媒體播放器（例如，iPhone類型的蜂 窩電話，或iPod Touch或iPad類型的播放器或多媒體平板設(shè)備（美國蘋果公司的注冊商 標））來駕駛后者的原理。
[0005] 更精確地，在這一操作模式（此后將被稱為"受控模式"）中，用戶通過由設(shè)備傾斜 傳感器發(fā)射的信號來駕駛無人機，該傾斜被無人機復(fù)制：例如，為了讓無人機向前運動，用 戶使他的設(shè)備繞其俯仰軸傾斜，且為了使無人機向左側(cè)或右側(cè)運動，用戶使所述設(shè)備相對 于其滾轉(zhuǎn)軸傾斜。這樣，如果無人機被控制從而向下傾斜或"俯沖"（根據(jù)俯仰角傾斜），該 設(shè)備將以更高的速度向前移動（其中傾斜角是重要的）；相反，如果該無人機被控制按相反 方向"升起"，它的速度將逐漸降低，然后將轉(zhuǎn)向，向后返回。以相同方式，針對繞滾轉(zhuǎn)軸傾斜 的控制，無人機將偏向左或偏向右，造成在水平平移中向右或向左的線性位移。
[0006] 具有用戶有權(quán)處理的其它命令，這些命令顯示在觸摸屏上，具體而言是"爬升/下 降（節(jié)流控制）"及"右旋/左旋（無人機繞其偏航軸旋轉(zhuǎn)）"。
[0007] 該無人機還設(shè)有用于切換到固定點狀況的命令：在這一操作模式（此后被稱為 "自動受控模式"）中，當(dāng)用戶釋放其遙控設(shè)備的所有命令時，該無人機被以全自動方式固定 和穩(wěn)定在固定點狀況中。
[0008] 發(fā)明的一般問題是在風(fēng)中駕駛此類無人機。
[0009] 在空間和時間上恒定的平行于地面的空氣位移將被稱作"風(fēng)"（不考慮陣風(fēng)）。這 樣的"風(fēng)"隨后是通過其在給定地面坐標系內(nèi)的水平速度分量或其在此類坐標系內(nèi)的范數(shù) (norme)及方向而被完全確定的。
[0010] 風(fēng)表示無人機在飛行時通過其特性影響無人機的擾動。在重量非常輕的"微型無 人機"（諸如上述的AR.無人機，其質(zhì)量僅有數(shù)百克）的情況中，這種擾動特別明顯。因此 這種無人機的風(fēng)速計特別敏感（即使對溫和的風(fēng)）。
[0011] 為了移動，無人機依賴因變于風(fēng)的空氣移動的質(zhì)量，同時測量其相對于地面的水 平速度分量（例如，通過朝向下方并提供地面的圖像的相機）、角度（通過機載加速度計和 陀螺儀）以及施加到其上的外力（通過機載加速度計）。
[0012] 在無風(fēng)的情況下，無人機可保持零速并通過維持零俯仰（une assiette nulle)而 保持在固定位置。因此準確測量這一中性狀態(tài)是必要的。
[0013] 現(xiàn)在，加速度計因構(gòu)造具有偏差（假定在短時期內(nèi)為恒定的），估計并補償該偏差 是必要的，以便在重建角度時正確地使用加速度測量。加速度計尤其被用作傾斜儀，對加速 度計偏差的估計誤差導(dǎo)致角度測量的偏差，這對于維持在固定點是有害的。類似地，這一傳 感器偏差對由加速度計執(zhí)行的對風(fēng)力的測量具有影響。
[0014] 在有風(fēng)的情況下，無人機必須傾斜以補償風(fēng)并維持在固定點（基于垂直相機的穩(wěn) 定圖像來控制）：其俯仰因此將不再為零并且偏差估算將被修改。這不會阻止無人機被維 持在固定點狀況（由相機控制），但是在兩種情況下這將有特別明顯的傾角（incidence):
[0015] --在固定點狀況中，僅僅在偏航移動期間（繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，而即沒有前/后位移 也沒有右/左位移）：由于無人機以精確的取向傾斜以便對著風(fēng)移動，它一開始轉(zhuǎn)動，它的 傾斜就不再對應(yīng)于風(fēng)力補償方向而是形成具有后者的角度：因此，無人機將"在風(fēng)中行進" 且將不再保持其固定點；
[0016] --在受控的駕駛中，在順風(fēng)向上位移被增強而在逆風(fēng)向上位移被減緩或甚至變 得不可能。
[0017] 本發(fā)明的諸目標中的一個是提供一種風(fēng)估計方法，其允許在加速度計構(gòu)造偏差和 由風(fēng)引起的測量偏差之間進行區(qū)分。
[0018] 本發(fā)明的另一目標是提供一種風(fēng)補償方法，其允許對剛才所述的兩種現(xiàn)象進行彌 補，即i)在自動駕駛飛行中，允許無人機在偏航移動期間在風(fēng)中維持在其固定點狀況，以 及ii)在受控模式中，允許在所有方向上（無論其在順風(fēng)方向上還是在逆風(fēng)方向上）相同 的位移控制對駕駛透明。
[0019] FR2926637A1描述了一種用于通過應(yīng)用表達施加在無人機上的力及其平移與旋轉(zhuǎn) 速度和加速度之間的機械關(guān)系的模型來估計無人機相對于空氣的速度的系統(tǒng)。尤其基于阻 止無人機位移的空氣動力學(xué)阻力來估計相對于空氣的速度，該空氣動力學(xué)阻力被間接測量 并用來獲得與相對于空氣的速度有關(guān)的信息。
[0020] 為了測量風(fēng)速，即i)無人機相對空氣的速度，以及ii)無人機相對地面的速度之 間的差值，這一文獻提出使用機載GPS接收機測量無人機相對地面的速度。然而，這種操作 方式要求在無人機中有此類接收機并且要求GPS信號可用，以及其準確性足夠（足夠數(shù)量 的衛(wèi)星的可視性）。在任何情況下，所獲得的準確性不提供對于正確估算因風(fēng)所致的加速度 計傳感器的測量偏差部分而言足夠精細的對風(fēng)速的估計，而正確估算該測量偏差部分對于 補償在風(fēng)中進行駕駛的上述缺點而言是必須的。
[0021] Waslander 等人的論文"Wind Disturbance Estimation and Rejection for Quadrotor Position Control (用于四旋翼飛行器位置控制的風(fēng)擾動估計和抑制）〃，AIAA InforecM航空航天會議和AIAA無人操縱的…無限量會議，美國航空航天協(xié)會，美國華盛 頓州西雅圖市，2009年4月，描述了一種估算及補償由風(fēng)引起的測量偏差的技術(shù)，但是其沒 有考慮無人機加速度計的構(gòu)造偏差。事實上，對這一偏差的估計并不總是必要的，尤其在無 人機設(shè)有有足夠準確性的質(zhì)量傳感器的情況下。
[0022] 另一方面，對于設(shè)有低效傳感器的消費品，這一構(gòu)造偏差的存在容易使這些測量 失真，且因此使適用于無人機的馬達的補償參數(shù)失真。
[0023] 具體而言，對無人機角度的估算可受加速度計的這一構(gòu)造偏差的嚴重影響。
[0024] 為了解決這些問題以及實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種允許獨立于因風(fēng)引起的 偏差來估計加速度計傳感器的偏差的技術(shù)。
[0025] 實際上，由于加速度計的構(gòu)造偏差以及風(fēng)的影響是在不同的坐標系中表達的，把 具有不同屬性的這兩種類型的偏差相互去關(guān)聯(lián)是可取的。
[0026] 本發(fā)明還提出了一種補償技術(shù)，其允許使用偏差估計的結(jié)果來校正在自動駕駛模 式（固定點）和受控模式（用戶施加駕駛命令）下在風(fēng)中進行駕駛的上述缺點。
[0027] 更精確地，本發(fā)明提出了一種用于駕駛具有由相應(yīng)馬達驅(qū)動的多個旋翼的旋翼無 人機的方法，所述馬達能夠被控制以在姿態(tài)和速度方面駕駛無人機，所述方法以一種本身 可從Waslander的上述論文中可知的方式包括：
[0028] _產(chǎn)生角設(shè)定點以及把這些設(shè)定點應(yīng)用到無人機馬達的控制回路，這些設(shè)定點適 配成控制無人機繞俯仰軸和滾轉(zhuǎn)軸的姿態(tài)，
[0029] _建立無人機的至少一個動力學(xué)模型，所述模型描述作為無人機阻力系數(shù)和質(zhì) 量、表征無人機相對于絕對地面坐標系的姿態(tài)的歐拉角以及無人機繞垂直偏航軸的轉(zhuǎn)速的 函數(shù)的無人機的水平速度分量；
[0030] -測量無人機的空氣動力學(xué)阻力，其從無人機的加速度測量中推導(dǎo)出；
[0031] -測量無人機相對地面的相對速度；以及
[0032] _通過卡爾曼預(yù)測濾波器對無人機的所述動力學(xué)模型施加所述有關(guān)空氣動力學(xué) 阻力和相對于地面的速度的測量，從而產(chǎn)生對側(cè)風(fēng)的水平速度分量的估計。
[0033] 本發(fā)明的特征在于，卡爾曼預(yù)測濾波器是六狀態(tài)濾波器，這些狀態(tài)包括：
[0034] ?在與無人機相關(guān)的坐標系中所表達的無人機相對地面的位移速度的兩個分量，
[0035] ?在相關(guān)的絕對地面坐標系中所表達的相對地面的風(fēng)速的兩個分量，以及
[0036] ?無人機加速度計偏差的兩個水平分量。
[0037] 有利地，建立無人機的動力學(xué)模型包括建立兩個不同的模型，S卩：i)無人機在飛 行中的動力學(xué)模型，以及ii)無人機在地面上的動力學(xué)模型，這些模型根據(jù)無人機的狀態(tài) 而被選擇性地使用。
[0038] 有利地，無人機的坐標系中，無人機在飛行中的動力學(xué)模型可以使用無人機的加 速度測量作為與空氣速度成比例的測量。
[0039] 無人機在飛行中的動力學(xué)模型具體而言具有以下類型：
【權(quán)利要求】
1. 一種用于駕駛旋翼無人機（10)的方法，所述旋翼無人機具有由相應(yīng)馬達（Iio)驅(qū)動 的多個旋翼（12)，所述馬達能夠被控制以在姿態(tài)和速度方面駕駛所述無人機， 所述方法包括： -產(chǎn)生角設(shè)定點（ft釣i并把這些設(shè)定點應(yīng)用到無人機馬達的控制回路（120),這些設(shè) 定點適配成控制所述無人機繞俯仰軸（22)和滾轉(zhuǎn)軸（24)的姿態(tài)， -建立所述無人機的至少一個動力學(xué)模型，所述模型描述所述無人機的作為所述無人 機的阻力系數(shù)和質(zhì)量、表征所述無人機相對于絕對地面坐標系的姿態(tài)的歐拉角以及所述無 人機繞垂直偏航軸的轉(zhuǎn)速的函數(shù)的水平速度分量； -測量所述無人機的空氣動力學(xué)阻力，所述空氣動力學(xué)阻力是從所述無人機的加速度 測量推導(dǎo)出的； -測量所述無人機相對地面的相對速度；以及 _由卡爾曼預(yù)測濾波器對所述無人機的所述動力學(xué)模型施加所述對空氣動力學(xué)阻力和 對相對于地面的速度的測量，從而產(chǎn)生所述側(cè)風(fēng)的水平速度分量的估計， 所述方法的特征在于： 所述卡爾曼預(yù)測濾波器是六狀態(tài)濾波器，這些狀態(tài)包括： ?在與所述無人機相關(guān)的坐標系中所表達的所述無人機相對地面的位移速度的兩個分 量， ?在相關(guān)的絕對地面坐標系中所表達的相對地面的風(fēng)速的兩個分量，以及 ?無人機加速度計偏差的兩個水平分量。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述無人機的至少一個動力學(xué)模型包 括建立兩個不同的模型，其中：i)所述無人機在飛行中的動力學(xué)模型，以及ii)所述無人機 在地面上的動力學(xué)模型，這些模型因變于所述無人機的狀態(tài)被選擇性地使用。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述無人機在飛行中的動力學(xué)模型使用所 述無人機的加速度測量作為與所述無人機的坐標系中的空氣速度成比例的測量。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述無人機在飛行中的動力學(xué)模型具有以 下類型：
X表示該狀態(tài)向量相對于其初始值X的演變， 所述系統(tǒng)的輸入U是重力U = g， Cx和Cy是所述無人機沿其u軸和V軸的空氣動力學(xué)摩擦系數(shù)， m是所述無人機的質(zhì)量， e和V是表征所述無人機相對于N ED坐標系的姿態(tài)的歐拉角（分別是滾轉(zhuǎn)角、 俯仰角和偏航角）， ?2是繞W軸（偏航旋轉(zhuǎn)運動）的轉(zhuǎn)速，以及 RV是在2維中與角度V相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)矩陣。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述無人機在地面上的動力學(xué)模型具有以 下類型：
Jr表示該狀態(tài)向量相對于其初始值X的演變， U是重力U = g,以及 T是所述風(fēng)速估計的逐步減少時間參數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括通過以下來補償側(cè)風(fēng)對所述無 人機的定位和位移的影響的步驟： -產(chǎn)生校正設(shè)定點，該校正設(shè)定點為所述側(cè)風(fēng)的估計出的水平速度分量的函數(shù)，以及 -把這些校正設(shè)定點結(jié)合到被施加到所述無人機馬達的控制回路的俯仰角設(shè)定點和滾 轉(zhuǎn)角設(shè)定點。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述校正設(shè)定點具有以下類型：
Vm是所估計的風(fēng)速的模數(shù)，Cx是所述無人機的阻力系數(shù)，！!/^是風(fēng)向的航向角，而 是無人機航向的航向角。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述補償步驟進一步包括為所述無人機定 義開環(huán)參考俯仰。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述無人機處于受用戶控制的飛行中時， 校正設(shè)定點被結(jié)合到用戶所施加的駕駛設(shè)定點（沒##，中。
10. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述無人機處于自動駕駛的懸停飛行中 時，校正設(shè)定點（沒〇?;，被結(jié)合到響應(yīng)于所述無人機相對地面的水平速度的測量 (? Sx 而產(chǎn)生的固定點穩(wěn)定設(shè)定點（￠,修）中。
【文檔編號】G05D1/02GK104335128SQ201380028830
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】F·凱羅, G·費耐特 申請人:鸚鵡股份有限公司