CN103364785B - 用于多转子旋翼式无人驾驶飞机的高度估计器 - Google Patents

Abstract

公开一种用于多转子旋翼式无人驾驶飞机的高度估计器。该无人驾驶飞机包括高度确定装置(134)，含有组合超声遥感传感器(154)的测量值和气压传感器(156)的测量值以在陆地系统中传送无人驾驶飞机的绝对高度值的估计器。估计器包括预测滤波器(152)，包含无人驾驶飞机的动态模型的表示，使得有可能基于马达控制(158)预测高度并且与遥感传感器(154)和气压传感器(156)传送的信号相关地周期性重新调整该预测。确认装置分析反射的回波并且可能修改估计器的参数和/或允许或者作废遥感传感器的信号。回波分析也使得有可能推断遥感传感器操作范围内障碍物的存在和轮廓，以及如果需要则应用适当的校正动作。

Description

用于多转子旋翼式无人驾驶飞机的高度估计器

技术领域

本申请涉及旋翼式无人驾驶飞机，例如四螺旋桨直升机等。

背景技术

这种无人驾驶飞机具有多个转子，由相应的马达驱动并以不同的方式进行控制，从而在高度和速度上操控该无人驾驶飞机。

该无人驾驶飞机的典型示例是法国巴黎的鹦鹉(Parrot SA)公司的AR.Drone，四螺旋桨直升机，装备一系列传感器(加速度计，三轴陀螺仪，高度计)、拍摄无人驾驶飞机行驶方向的场景图像的前相机、以及拍摄所飞越地形的图像的俯视相机。

WO2010/061099A2和EP2364757A1(鹦鹉公司)描述了这种无人驾驶飞机，以及通过电话或者带有触屏和集成加速度计的多媒体播放器(例如iPhone型蜂窝电话或者多媒体播放器或者iPod Touch或者iPad(美国苹果公司注册商标)型平板)对无人驾驶飞机进行操控的原理。无人驾驶飞机由用户借助设备倾斜传感器发出的信号进行操控，其中设备的倾斜运动由无人驾驶飞机复制：例如，为了使无人驾驶飞机向前运动，用户将他的设备围绕其俯仰轴倾斜，为了使无人驾驶飞机向右侧或向左侧运动，用户关于翻滚轴倾斜所述设备。这样，如果控制无人驾驶飞机从而倾斜或者向下“俯冲”(围绕俯仰轴倾斜)，它会以更高的速度向前运动，倾斜角很重要；相反，如果控制无人驾驶飞机从而“昂头”在相反方向，它的速度会逐渐地降低，然后会倒转，向后方运动，采用同样的方式，对于控制绕翻滚轴的倾斜，无人驾驶飞机斜向右侧或者左侧，导致向右侧或向左侧的横向平移上的线性位移。用户可以访问在触屏上显示出来的其它指令，尤其是“爬升/下降”(油门控制)和“右旋转/左旋转”(无人驾驶飞机绕其偏航轴的旋转)。

无人驾驶飞机还可以装有定点转换指令：当用户放开他遥控设备的所有指令时，无人驾驶飞机在定点上静止不动并且以全自动模式稳定在那里。

发明内容

本发明尤其涉及对无人驾驶飞机前进所处的高度的评估，以及涉及基于所评估高度在其前进过程中无人驾驶飞机的垂直稳定性。

如这里所使用的，“高度”表示在固定陆地系统(例如伽利略系统)中，无人驾驶飞机在垂直方向上的瞬态位置的值，其高度零点对应于起飞时无人驾驶飞机在陆地上的位置。从而该“高度”为绝对量。

无人驾驶飞机，例如上述文件中提及的AR.Drone，装有包括用于发射和接收超声的电声换能器的超声(US)遥测仪。该换能器发出几十或者几百微秒的短超声猝发，并等待经地面反射后的回波的返回。声速已知，猝发发射与回波接收分离的时间段允许估计所覆盖的声学路径长度并且评估无人驾驶飞机与反射面分离的距离。实际上，由于US传感器的波束相对较宽(通常为大约55°孔径的圆锥体)，换能器通常接收到多个回波，并且在这些回波中区分与最接近的点对应的一个。该测量以紧密间隔反复进行，通常的超声猝发再现频率为25Hz。

实现超声遥测计的这种高度估计器例如在EP2400460A1(鹦鹉)中有描述，其中它特别用于计算用于无人驾驶飞机飞越的地形的连续图像的比例因子，特别用于结合加速度计数据估计无人驾驶飞机相对于地面的水平速度。

超声遥测仪提供的结果(此后称为“距离”)在任何情况下都是相对值，相关于无人驾驶飞机所飞越地形的地貌。实际上，测量的距离与高度(在上文所示的含义内)不同，特别当无人驾驶飞机在障碍物上方通过时，例如，它在等高处飞过桌子或者墙壁：对于飞越期间，超声遥测仪所测量的距离会突然减少，而高度并没有变化。

如果仅仅使用遥测仪指示，那么当仅仅期望将高度保持为稳定值时，风险是使无人驾驶飞机进行本无意进行的“地形跟随”，特别是在不平坦的地势上。本发明的目的在于解决由此现象导致的多个问题，以及针对超声遥测传感器的其它缺点。这种传感器具有如下特征：

-产生的测量值仅仅是高度(遥感勘测，距离测量)的相对测量值；

-实际情况中，由于地面反射的多个回波、或多或少的反射地形以及信号经常消失(例如当无人驾驶飞机飞越吸收地形(灌木丛等)时)，测量会充满噪声，；

-范围有限，在上述文件中描述的AR.Drone的情况下大约为6m，超过该值时遥测信号会突然消失；

-另一方面，测量会非常快，在高频(通常是25Hz)下反复测量，其精确度很高，从几十厘米到几米的测量范围上达到几厘米的量级。

为了弥补这些缺陷，结合遥测传感器，可以使用另一类型的传感器，即压强传感器或者气压传感器。

气压传感器用于测量飞行期间的压强变化，该变化与高度的变化相关。因此可能通过对从起飞时的零高度以来的变化进行积分以获得绝对高度测量值。

气压传感器具有如下特点：

-其提供绝对测量值，与所飞越的地形无关；

-其可用于较高的高度，无上限；

-另一方面，它比较慢而且不太精确，因为必需对压强变化进行积分；

-除此之外，当无人驾驶飞机的转子产生高湍流，使得压强传感器传送的信号不稳定时，特别是较低高度处，它会受到由于地面效应引起的气动扰动。

实际上，由两个遥测仪和气压传感器同时传送的信号的简单组合不总是能获得无人驾驶飞机高度的连续评估的正确估计。

然而，如果特别期望控制无人驾驶飞机从而在定点条件或者操控飞行中在垂直方向上保持其稳定，就要求以不干扰控制无人驾驶飞机稳定性的控制回路的方式，获得连续、可靠的高度测量值。

因此，本发明的目的在于提出一种无人驾驶飞机，包括设有用于确认和可能条件下重新调整所估计高度测量值的算法的高度确定装置，这使得解决不同情况下的困难成为可能，特别是当无人驾驶飞机飞越类型和特点未知或无法预见的地形时。

本发明为此目的提出一种在上述EP2400460A1中公开的通用类型的无人驾驶飞机，即具有分别由马达驱动的多个转子的旋翼式无人驾驶飞机，马达通过施加不同的马达指令来控制，从而在高度和速度上操控无人驾驶飞机，该无人驾驶飞机包括高度确定装置，适于传送在绝对陆地系统中表示的无人驾驶飞机的绝对高度值，包括遥测传感器，该遥测传感器适于估计无人驾驶飞机与反射无人驾驶飞机发射的超声脉冲的表面分离的相对距离。

根据本发明的特点，高度确定装置进一步包括适于传送无人驾驶飞机高度变化信号的气压传感器，以及接收由遥测传感器和气压传感器传送的信号作为输入并且组合这些信号以传送无人驾驶飞机的所述高度绝对值作为输出的估计器。另外，用于确认由遥测传感器所传送信号的装置分析反射的回波，并且基于该分析结果，相应地修改估计器的参数和/或允许或禁止将由遥测传感器所传递的信号应用于估计器。最后，障碍物检测装置分析反射的回波，并且基于该分析结果，推断遥测传感器的操作范围内障碍物的存在和轮廓，并且向估计器应用校正行为，该校正行为适于补偿障碍物对遥测传感器估计的相对距离的影响。

非常有利地是，估计器包括包含无人驾驶飞机的动态模型表示的预测滤波器，该滤波器适于基于所述马达指令执行对无人驾驶飞机的所述高度绝对值的预测以及相关于遥测传感器和气压传感器所传送的信号周期性重新调整该预测。

该预测滤波器特别是四状态滤波器，包括：相对于无人驾驶飞机的起飞位置来计算的所述高度绝对值；无人驾驶飞机的垂直速度分量；所述马达指令相对于所述无人驾驶飞机动态模型的偏离；以及气压传感器的偏离。

根据不同的辅助优势特点：

-确认装置包括用于相关于对所发射的同一脉冲同时接收的回波数量和/或相关于由遥测传感器发射的脉冲时间系列所获得的距离值之间的离散，估计反射回波的所述表面的质量的装置；

-确认装置包括用于相关于对由遥测传感器发射的脉冲时间系列所获得的多个距离值一致性的分析和/或相关于当前距离值相对于从对由遥测传感器发射的脉冲时间序列获得的多个距离值获得的距离预测之间的差异，拒绝遥测传感器估计的距离值的装置；

-拒绝装置相关于反射回波的表面的质量估计，关于可变阈值进行操作；

-进一步提供用于当拒绝装置拒绝估计距离值时计算高度偏移值以及当拒绝装置不再拒绝估计距离值时将该偏移值加到估计距离值上的装置；

-障碍物检测装置包括用于在对遥测传感器发射的脉冲时间系列所获得的距离值中检测符号相反的两个连续跳跃，在两个跳跃之前和之后获得的距离值相似，优选地具有用于计算第一跳跃时间处的高度偏移值和用于将该偏移值加到在第二跳跃时间处估计的距离值上的装置；

-障碍物检测装置包括用于检测当无人驾驶飞机处于定点状态时，对遥测传感器发射的脉冲时间系列获得的距离值(在两个距离值之间)的振荡的装置；

-障碍物检测装置包括用于平滑在出现检测到的振荡时连续获得的距离值的装置；

-障碍物检测装置包括适用于检测由遥测传感器传送的信号由于没有反射回波而造成的丢失、计算该信号丢失时的高度偏移值、以及在估计器输入端施加该偏移值作为遥测信号的装置。具体而言，当遥测信号丢失的情况下：i)如果无人驾驶飞机的高度低于给定阈值高度，若存在记录偏移值，在估计器的输入端施加记录偏移值，相反情况下施加预定值，并且ii)如果无人驾驶飞机的高度高于所述给定阈值高度，在估计器的输入端不变地施加记录偏移值。

附图说明

本发明装置的示例性实施例会参考附图进行说明，其中附图中，相同的附图标记指定相同或者功能类似的部件。

附图1是总图，示出无人驾驶飞机以及用于其远程操控的关联远程控制装置。

附图2是无人驾驶飞机的控制、伺服控制和辅助操控的不同机构的框图。

附图3示出无人驾驶飞机在恒定高度处飞越地形的不同配置。

附图4是确认超声传感器测量以及应用可能的校正测量值的不同功能的流程图。

附图5为计时图，示出布尔指示器的连续状态，指示器表示相关于由超声传感器接收到的回波数量的地面质量。

附图6示出两个计时图，示出在飞越对所发射的超声信号具有可变吸收特征的地形期间，超声传感器传送的原始测量值和同时接收到的回波数量的变化。

附图7为计时图，示出布尔指示器的连续状态，指示器表示由超声传感器传送的测量值相关于连续获得和预测的测量值的一致性。

附图8示出当飞过障碍物时更新应用于超声传感器所传送的原始测量值的偏移，从而避免无人驾驶飞机在飞越该障碍物时跟随地形。

附图9示出当无人驾驶飞机飞过或者远离障碍物后的高度丢失现象，这是由于本次飞越期间无人驾驶飞机的倾斜。

附图10为计时图，示出附图9中所示的障碍物飞过配置中不同信号的变化，以及拒绝超声传感器传送信号的布尔指示器的连续状态。

附图11为计时图，示出在附图9和10的障碍物越过的配置下，管理应用于超声传感器所传送的原始测量值的偏移的方法。

附图12示出当在定点状态下飞越障碍物边界时，由无人驾驶飞机的超声传感器传送的测量值不稳定的现象。

附图13为计时图，示出定点配置下附图12的障碍物边界处由超声传感器传送的原始测量值的变化，以及拒绝超声传感器传送信号的布尔指示器的连续状态。

附图14为计时图，示出附图12和13的配置下，使用校正超声传感器测量值的算法。

附图15示出在相对于地面的距离突然增加的情况下，无人驾驶飞机的超声传感器传送信号的丢失现象。

附图16为计时图，示出应用用于校正测量值并重新调整附图15的配置估计的值的算法。

具体实施方式

附图1中，附图标记10通常标明无人驾驶飞机，例如四螺旋桨直升机，如在WO2010/061099A2和EP2364757A1、以及FR2915569A1(特别说明了无人驾驶飞机中使用的陀螺仪和加速度计的系统)和EP2431084A1(特别描述了如何控制预定轨迹)中所描述的上述AR.Drone。

无人驾驶飞机10包括四个共面转子12，它们的马达由导航和高度控制的集成系统独立控制。

惯性传感器(加速度计和陀螺仪)允许在特定精度下测量无人驾驶飞机的角速度和方位角，即描述无人驾驶飞机相对于固定陆地系统水平面的倾斜的欧拉角。

无人驾驶飞机设置有第一前景相机，用于获得其所朝向的场景的图像，以及第二俯视相机，朝向下以拍摄所飞越地形的连续图像并且特别用于结合加速度数据来评估无人驾驶飞机相对地面的速度，这种评估是借助估计由相机拍摄的场景从图像到下一图像的位移并对该估计位移应用作为所测高度的函数的比例因子的软件来进行的。在上述EP2400460A1中有这项技术的详细描述，可以对其进行参考以获得进一步细节。

无人驾驶飞机下设置的超声遥测仪和机载的气压传感器进一步提供测量值，当这些测量值结合在一起时，给出无人驾驶飞机相对于地面的高度估计。

更精确地，超声遥测仪包括电声换能器14，该换能器向地面18以近似锥波束16生成短超声猝发(几十或者几百微秒)，孔径角20在约55°的量级。在地面18上该波束的反射会产生声学回波，该回波被换能器14接收并分析从而基于猝发发射与收到第一回波分离的时间段以及基于声速来估计所覆盖的声学路径长度，并且因此评估无人驾驶飞机10与地面18分离的距离。

根据本发明的特点，该距离测量值与无人驾驶飞机前进过程中由于高度变化产生的压强变化测量值相吻合，下面进行解释。

无人驾驶飞机10由设置有触屏24的远程控制设备22操控，触屏24显示由无人驾驶飞机的相机之一产生的图像，叠加了允许通过用户手指26在触屏18上的简单接触来激活操控指令的多个符号。设备22设置有用于通过向设备给予相应的倾斜来控制无人驾驶飞机的高度的倾斜传感器。为了与无人驾驶飞机双向数据交换，还设置无线电链路装置，例如局域网型，如Wi-Fi(IEEE802.11)或者蓝牙Bluetooth(注册商标)。如介绍中指出，远程控制设备22优选地包括具有触屏和集成加速度计的电话或者多媒体播放器，例如iPhone之类的蜂窝电话、iPod Touch型的多媒体播放器、或iPad型多媒体平板，这些设备都包含用于显示和检测操控指令、用于可视化前置相机所拍摄图像、以及用于通过Wi-Fi或者蓝牙链路与无人驾驶飞机进行双向数据交换所需的不同控制机构。

无人驾驶飞机10的操控包括根据情况，以不同的方式控制马达使无人驾驶飞机行进从而产生以下运动：

a)围绕俯仰轴的旋转，使得无人驾驶飞机向前运动或者向回运动；和/或

b)围绕翻滚轴的旋转，使得无人驾驶飞机向右侧或者向左侧运动；和/或

c)围绕偏航轴的旋转，使得无人驾驶飞机的主轴向右或者向左旋转；和/或

d)通过改变油气状况来向下或者向上平移，从而分别降低或者增加无人驾驶飞机的高度。

当由用户从设备22(“受控操控”配置，用户发出指令)施加这些操控指令时，指令a)和b)通过设备倾斜获得：例如，为了使无人驾驶飞机向前运动，用户仅需要通过将其向前偏斜来倾斜设备，为了使得无人驾驶飞机向右侧运动，用户仅需要通过将其向右偏斜来倾斜设备，等等。指令c)和d)是通过用户手指在触屏的相应特定区域的接触而施加的动作引起的(参考上述WO2010/061099A2和EP2364757A1获得关于系统这些方面的更进一步细节)。

无人驾驶飞机还具有静态飞行稳定性(自动操控“定点”配置)的自动和自主系统，该系统尤其在用户从设备触屏上移走他的/她的手指后被尽快激活，或者在起飞阶段结束后自动激活，或者还可以在设备和无人驾驶飞机的无线电链路中断的情况下自动激活。然后无人驾驶飞机切换到上升状态，其中它自动地固定不动并稳定，无须用户的任何干预。

无人驾驶飞机马达的控制和伺服控制

现在参考附图2，揭示定义无人驾驶飞机马达的操控设定点的方式，附图2是无人驾驶飞机控制和伺服控制的不同机构的功能框图。需要注意的是，尽管这些图表被示为互连的电路，但是不同的功能本质上可以通过软件实现，这种表示方式仅仅是说明性的。

一般而言，如图2所示，操控系统包含用于控制无人驾驶飞机水平速度、角速度和高度以及高度变量的若干重叠回路。

最中心的回路为角速度控制回路100，它一方面使用陀螺仪102提供的信号，另一方面使用由角速度设定点104组成的参考。这些不同的信息段被应用到角速度校正级106的输入端，角速度校正级自身操控用于控制马达110的控制级108，从而分别调节不同的马达状况，以通过由这些马达驱动的转子的组合动作校正无人驾驶飞机的角速度。

角速度控制回路100重叠在高度控制回路112中，其基于由陀螺仪120、加速度计114以及提供无人驾驶飞机在陆地地磁系统中的绝对取向的磁力计提供的指示来操作。这些不同传感器传送的数据用于PI(比例积分)型的高度估计级118。级118会产生无人驾驶飞机的真实高度的估计，该估计应用于高度校正级120，该高度校正级将真实高度与电路122基于用户124直接施加的指令(“受控操控”配置)和/或无人驾驶飞机自动操控通过水平速度校正电路126内部生成的数据来生成的角度设定点进行比较，从而将无人驾驶飞机保持在静止的位置(自动操控“定点”配置)。应用于电路120并与无人驾驶飞机真实高度进行比较的可能经校正的设定点由电路120传送到电路104，以适当控制马达。

总结来说，基于设定点(用户施加和/或内部生成)和角度测定值(高度估计电路118产生)之间的误差，高度控制电路112使用电路120的PI校正器计算角度速度设定点。角度速度控制回路110此后计算先前角度速度设定点和陀螺仪102有效测量的角度速度之间的差。回路基于这些信息计算转速的不同设定点(以及升力的不同设定点)，这些设定点被发送给马达110以执行用户要求和/或无人驾驶飞机自动操控计划的操纵动作。

水平速度控制回路130使用垂直摄像机132以及高度估计器电路134(此后进一步详述)。电路136结合加速度计114的信号和高度估计电路118的信号，处理垂直摄像机132产生的图像，来借助电路138估计无人驾驶飞机的水平速度的两个分量。估计的水平速度由电路140给出的垂直速度估计以及从估计器134和无人驾驶飞机某些特定飞行配置下的高度值校正/补偿电路142(这一方面此后也会进行进一步详细说明)获得的高度值来校正。

考虑到无人驾驶飞机的垂直位移，用户124向电路114施加计算高度设定点的指令，这些设定点被应用于电路146，以通过接收电路142给出的高度估计值的高度校正电路148计算上升速度设定点V_Z。计算得到的上升速度V_Z被应用于电路150，电路150将该速度设定点与由电路140估计的相应速度进行比较，并修改相应的马达控制数据(电路108)，从而在所有的马达上同时提高或者降低转速以将上升速度设定点和测量的上升速度之间的差最小化。

无人驾驶飞机高度的估计

本发明特别涉及高度估计电路134和估计高度值校正/补偿电路142如何操作。

首先说明高度估计电路134的操作。该电路实现“卡尔曼(Kalman)滤波器”型状态估计器，它是基于在输入端施加的测量值系列来估计动态系统(这种情况下为无人驾驶飞机)的状态的无限脉冲响应滤波器。可以在例如R.E.Kalman在美国机械工程师协会(ASME)学报-基础工程期刊(Journal ofBasic Engineering)第82卷(1960年)上的文章“一种新型的线性滤波和预测问题的解决方法”(A new Approach to Linear Filtering andPrediction Problems)中找到该技术的一般原理。

在本情形中，卡尔曼滤波器接收以下信息作为输入：

-超声传感器154传送的信号，

-气压传感器156传送的信号，以及

-在158处，电路150产生的上升速度设定点(此后称为“PWM设定点”)，用于校正垂直速度V_Z并且应用于无人驾驶飞机马达(电路108)：PWM设定点表示由无人驾驶飞机四个马达的同时控制导致的垂直推进功率。

卡尔曼滤波器的动态系统包括描述无人驾驶飞机行为的方程组。该模型在EP2431084A1中特别进行了说明，可以作为参考来获得更详细的信息。

卡尔曼滤波器152在两个阶段连续操作：

-预测阶段，在滤波器每次迭代时执行：该阶段包括一方面通过PWM设定点、另一方面通过无人驾驶飞机的动态模型来预测当前时间的无人驾驶飞机高度。

-重新调整阶段，包括使用超声传感器154和气压传感器156传送的当前测量值对预测进行校正。该步骤无需每次迭代时都执行，因为下文中可以看出，超声传感器的测量值无需总是可以获得的。

卡尔曼滤波器使用和估计四个状态，即

-无人驾驶飞机相对于其起点(起飞时刻的位置)的高度，

-垂直速度V_Z，

-PWM设定点的偏离，以及

-气压传感器156传送的压强测量值的偏离。

与PWM设定点偏离相对应的状态表示无人驾驶飞机推进模型的误差：推进模型实际上可以相关于不同参数而变化，这些参数诸如无人驾驶飞机的重量、推进器的空气动力效率(该效率依赖于推进器的状态和空气压强)等。PWM设定点的偏离状态用于使用两个传感器提供的测量值重新调整飞行中的模型，这特别是在这些测量值消失时允许更精确。

压强测量值的偏离状态可校正气压传感器的漂移。后者主要出现在起飞时、马达启动时和温度上升的飞行最初几秒期间。这些漂移还可能出现在其他环境下压强环境发生改变时，例如当无人驾驶飞机在房间内飞行时以及当人打开该房间的窗户时等。该压强测量值的偏离状态基于超声传感器15的测量值来估计。当超声测量不再可用时，例如当无人驾驶飞机获得的高度超出了超声传感器的范围或者由于其他原因(太多吸收的地面)不再收到回波时，不再估计压强测量值的偏离状态，其保持在恒定值。

为了重新调整滤波器的状态，滤波器使用三种观测值：

-距离测量值，由超声传感器154给出，当飞过障碍物时可能由所谓的偏移值来校正(这方面会在下面进行详细的展开描述)。应当注意的是，这一观测值并不总是可用：最佳条件下，光滑的地面和较低的高度，以25Hz的重发频率来提供测量值，即无人驾驶飞机操控数据的重算频率(通常为200Hz)的八分之一。另一方面，一旦高度超过超声遥测仪的操作范围，通常超过6m，那么测量值就会消失，并且通常当飞过障碍物或者飞过混乱的地面时拒绝该测量值(这一方面将会在下面详述，特别是如何决定拒绝或者不拒绝由超声传感器传送的测量值)；

-压强测量值，由气压传感器156给出的，由自身的偏移来校正。该测量通常出现在每次迭代中，然而考虑到强烈干扰压强测量的扰动气流效应，当无人驾驶飞机非常接近地面时，通常是距离地面小于20cm时，停用该测量；以及

-零点高度测量值，仅当无人驾驶飞机不飞行时使用，这是允许确保传送给导航电路的高度值保持固定为零的虚拟测量值。

超声遥测仪传送数据的确认

管理由超声遥测传感器传送的信号的这一方面的目的是i)决定是否在给定时间出现超声测量值以及是否可用，以及ii)如需要，当飞过障碍物时更新偏移值。

超声测量的特点与地面的或多或少的反射特性高度相关，并且进一步根据无人驾驶飞机在定点条件下或在水平位移下而非常不同，使用若干算法来管理容易碰到的不同情况。

附图3示出无人驾驶飞机飞越地形的不同配置。

最初，将无人驾驶飞机放在地上保持不动(位置160)；高度值强制为0。

然后无人驾驶飞机上升到地面上空(位置162)，在恒定高度处(位置164至172)执行水平位移运动。

超声传感器没有给出高度绝对值的指示；仅仅给出无人驾驶飞机与地面18分离的距离d的表示。

当在平整、规则和反射性好的地面情况下，该距离可被明确评估。另一方面，当无人驾驶飞机飞越例如166处反射很少的地面(灌木丛等)，返回的回波不存在或不稳定，从而导致噪声很大的测量值。

另一方面是飞过障碍物，例如飞越户外墙体或者室内桌子，如图3中所示的168处：如果障碍物是反射性的，遥测仪测量的距离d₁(位置168)远低于那些飞越障碍物之前和之后所测量的距离d₂和d₃(位置170和172)，而无人驾驶飞机是在恒定(绝对)高度上飞行。障碍物越过(由超声传感器信号的突然减小来揭示)因此不得不通过在障碍物越过期间应用于超声测量值的“偏移”进行补偿。

因此，必要的是：

-估计接收到的信号质量以确认或作废超声传感器传送的测量值，

-并且，如果测量值被确认，管理可能加到其上的偏移。

确认测量值和应用可能校正的这些功能将在附图4的流程图中示出。

超声信号的分析当然仅在传感器传递信号(测试200)的情况下进行，即：i)8数据重新计算循环中的1个循环，以及ii)如果在与超声传感器范围相对应的时间窗内检测到至少一个回波。

因此建议估计无人驾驶飞机所飞越的地面质量(框202和204)，更精确地，估计超声传感器发射的回波反射质量，反射在光滑地面上很好，但是在更加散射的地面上噪音很大。

为了将这些不同考虑在内，卡尔曼滤波器测量噪音的设置将会与地面质量的好/差布尔指示器相关地调节(测试206)：例如，在平坦地面上，即质量好，滤波器的噪声水平调整到5厘米(框208)，而在反射质量差的地面上会调整到15厘米(框210)。这样，在平坦地面上，滤波器会精确地将估计高度调整到超声遥测仪提供的距离测量值，而在质量不好的地面情况下，不会那么信任距离测量值，并且会更有效地滤除噪声。

地面质量好/差的布尔指示器也可以用于修改用于后续确认或作废测量值的拒绝阈值，并且还可以用于管理偏移-这些方面后面进行说明。

地面质量的总体估计包括合并两个特定布尔指示器，一个来自回波数量分析(框202)，另一个来自超声遥测仪连续产生的测量值的或多或少的稳定特性(框204)。如果两个布尔指示器对应于好的地面，那么地面将被宣称为好(测试206)；另一种情况，即如果两个布尔指示器中至少一个认为地面情况差，则地面被宣称为差。

更精确地，第一地面质量评估标准(框202)包括相关于反射回波数量和换能器拾取的回波数量评估地面特性。

具体来说，超声遥测传感器的距离测量值与第一回波的返回时间相对应。但是许多其他回波也会由换能器接收和记录，并且所接收的回波数量会构成对地面质量的估计：例如，在平坦地面上，通常仅能收到一个或两个回波，然而，在混乱的地面上(灌木丛或者障碍物)，回波数量会上升到六个或七个。

回波数量的该测量值噪声相对较大，首先使用第一阶递归滤波器进行滤波。该算法然后应用滞后门限(hysteresis threshholding)(例如在3个回波处采用高阈值以及在2个回波处采用低阈值)来获得地面的第一布尔指示器。

附图5示出例如在一配置中飞行而获得的结果，在该配置中，无人驾驶飞机交替飞越光滑地面和灌木丛。

第二地面质量评估标准(框204)基于由超声传感器传送的连续距离测量值的稳定性。实际上，某些情况下，回波数量不足以成为地面质量的规则。

因此，附图6的示例示出表示在所飞越的地形对所发射超声信号具有变化的吸收特性期间，由超声传感器传送的原始测量值以及所接收的回波数量的同步变化。应当注意的是，由超声传感器给出的测量值噪声很大，表示地面的反射质量差，而回波数量依然很低并且仅仅基于第一布尔指示器(相关于所接收的回波数量)不足以宣称地面质量“差”。

将此考虑在内，通过观测测量值的离散度，计算地面质量的第二布尔指示器：对于由超声传感器传送的每个新测量值，该算法计算相对于先前值的差(绝对值形式)。然后采用低通滤波器(与回波数量的滤波的相同)对该值进行滤波，然后与阈值比较。例如高于40毫米的值会导致向第二布尔指示器给予“差”值。在25Hz的测量重复率下，该40毫米值被选择成与8m/s的垂直速度相对应，无人驾驶飞机不会达到该速度，这使无人驾驶飞机具有非零垂直速度时可能的偏离的出现最小化。

实际上，这样飞越障碍物不会触发测试，只会保持低于例如50厘米的离散度；较高的离散度会被认为是障碍物跳跃引起的，并不会认为是揭示质量差的地面的离散度。

评估地面质量后，该算法确定超声传感器传送的测量值是应被确认或拒绝。确认测试(附图4中的步骤212到216)会进行说明，从而使得响应如下要求成为可能：

-仅使用超声传感器产生的测量值而不使用滤波器的预测，从而获得稳健性，并且在超声测量值良好且滤波器模型失效(例如横向气流的配置下)的情况下，不会拒绝超声测量值；

-在多次迭代上呈现记忆效应：实际上，在检测被干扰的情况下(灌木丛等)，仅仅检测到由传感器传送值的跳跃是不够的，因为这可能会导致过快接受该值，而测量却不稳定，从而优选的是在更大数量的点上检查测量值的一致性；

-对无人驾驶飞机的垂直速度不敏感：为了快速排除任何干扰，实际上有必要对测量的量有更严格的阈值，该阈值必须独立于垂直速度从而避免在无人驾驶飞机爬升和下降阶段的测量值被拒绝的任何风险。

测量值一致性测试包括(附图4中的框212)维护超声传感器的最近五个测量值的历史并且对这些测量值应用线性回归。

五个点之间相互的一致性通过例如对各点相对于基于五个在前测量值计算的回归线的差求和来进行计算。如果历史中记录的五个点相互之间不一致(离散度过高)或者如果当前测量值(超声传感器测量值)与回归计算所预测的测量值距离太远，那么当前测量值被拒绝。

附图7示出一示例，在同一示图上示出传感器传送的超声测量值、回归计算预测的高度以及超声测量值的确认/拒绝结果。

需要注意的是，在最初几秒的爬升阶段，超声测量值并未被拒绝：这来自于以下事实，即回归考虑了垂直速度(高度升高)。另一方面，当飞越障碍物时(大约t＝99-100s以及102-103s)有效地决绝测量值，并且已表明回到五个连续一致性样本后，测量值再次被接受。

该一致性测试比较(框214)i)所记录的五个测量的一致性，以及ii)当前点相对于预测、相对于两个相应阈值的差。有利地，这两个阈值不是恒定的并且与两个参数(即，地面质量指示器(之前以指示的方式确定的)和无人驾驶飞机的位移速度)相关地变化。因此：

-在平坦地面上，两个阈值固定为平均值，提供对干扰的良好排除同时确保假障碍物检测的风险低：例如相应的值为50毫米(五个点的相关性)和20毫米(当前点的差)；

-在有干扰的地面上，无人驾驶飞机处于定点条件下或者具有低平移速度(低于300mm/s)，由于地面性质，超声测量值噪声更大：卡尔曼滤波设置要相应地调节以避免过于重要的拒绝率，并且上述阈值分别固定在100mm和50mm；

-在有干扰的地面上，无人驾驶飞机在运动(平移速度高于300mm/s)，超声测量值更易于从一个回波跳到另一个，并且置信指数低。因此有必要在有任何质疑的情况下拒绝它，并且为此目的，当前点的阈值被选择为非常低：然后将相应的阈值固定为例如，100mm和10mm。

这些不同的测试之后，超声测量值被最终拒绝或者确认(附图4中的测试216)。

在拒绝的情况下(框218)，卡尔曼滤波器不会使用当前的超声测量值，并且仅仅基于马达操控设定点(附图2中的输入158)和气压传感器传送的信号(附图2中的156)建立自身的预测。

相反情况下(经确认的测量值)，如果超声测量值在被拒绝后回到有效状态，则如果先前拒绝是飞过障碍物上方的结果，那么则潜在地偏移了一偏移值。这种情况在附图4中的框220进行管理。

任何情况下，如果测量值被确认，卡尔曼滤波器使用(框222)超声传感器传送的测量值(附图2中的输入154)。

这种情况的实例在附图8中示出。飞过障碍物对应于在t＝91-94s处的异常检测。到达障碍物时(达到t＝91s)，使用偏移来保持基本上恒定的高度估计。障碍物越过后(达到t＝94s)，在先前值被拒绝后，基于被认为有效的第一超声测量值重新计算偏移。这允许避免无人驾驶飞机做地形跟随，特别是如果在障碍物后，地面与障碍物之前不在同一水平上的情况下。

障碍物出现的数据校正/补偿

多种情况下，超声传感器进行的距离遥测可能受到障碍物的干扰。

第一现象在图9中示出，其中可以看到，在水平行进中的无人驾驶飞机(连续位置174到180)就在障碍物越过(位置180)后易于丢失高度。这种现象是由于以下事实，即使无人驾驶飞机飞过障碍物(位置180和182)，波束16仍旧保持朝障碍物取向，因为无人驾驶飞机略为向前倾斜(因此水平速度能被添加其上)。因此，遥测仪发现障碍物远离并且将部分水平速度转化为垂直速度：此后估计器会错误地估计无人驾驶飞机在爬升并且应用补偿偏移，该补偿偏移实际上会导致无人驾驶飞机高度的丢失(位置182)。

附图10示出在附图9的配置中，飞越障碍物之前、期间以及之后的多种信号(超声遥测仪传送的测量值、估计器传送的高度以及拒绝超声测量值的布尔指示器)的变化：

-当无人驾驶飞机接近障碍物(附图9的位置176)，超声测量值会呈现下降，但是超声测量值没有结果，因为其对应于超声测量值被拒绝的时间段；

-另一方面，就在障碍物越过(位置180)之后，测量值不会再被拒绝并且由于无人驾驶飞机的倾斜，约15厘米的高度虚拟增加导致估计器通过重新计算偏移来应用校正测量值以补偿该(假设)增加，通过修改设定点从而下降15厘米。

为了弥补这种现象并且避免无人驾驶飞机经常丢失高度，本发明提出应用管理障碍物跳跃并管理偏移的算法，其作用通过附图11的计时图来示出(与附图10的那些一致，但应用根据本发明的管理算法)。

当无人驾驶飞机检测到飞越障碍物且障碍物清理后，且当满足以下两个条件时激活该算法：

-在超声传感器测量值中出现符号相反的两个连续跳跃(附图11中的S+和S-)，以及

-在第一个跳跃时和第二个跳跃时由超声传感器传送基本上相等的距离值(一个预设的阈值内)(附图11的d₁和d₂)。

如果满足这些条件，那么认为i)障碍物已被飞过并清理，并且ii)障碍物后的地面水平与障碍物前的基本相同。

这种情况下，不再重新计算偏移，而是强制使用障碍物清理之前的值。该校正的作用在附图11中、估计高度X处可以看到，其中可以看到，在障碍物越过后，高度估计值基本上回到障碍物被接近和清理之前的水平。换句话说，障碍物存在时，尽管存在先前注意到的测量值上的15厘米误差，但是当超声传感器的测量值不再被拒绝时，该误差随后被校正。因此障碍物之前和之后，超声传感器测量值和高度估计之间的差是相同的，并且高度丢失现象消除了。

作为预防措施，仅当地面质量被认为好时才激活检测和补偿算法，因为当飞过反射质量差的障碍物时观测的超声传感器测量值的变化过高。

由障碍物产生的第二现象在无人驾驶飞机在障碍物边缘处在定点条件下发生。

这种情形在附图12的184处示出。

当无人驾驶飞机在尖锐障碍物(例如桌子边缘)的边缘处在定点条件时，超声传感器提供的测量值很不稳定并且总在两个值间跳跃，即从无人驾驶飞机到桌子的距离和从无人驾驶飞机到地面的距离。

附图13示出原始测量值的这些变化，以及拒绝超声信号的布尔指示器的连续状态。

上述公开的要求至少五个连续顺应测量值来确认超声传感器给出的测量值的一致性测试在这种情况下导致非常频繁的拒绝，使得无人驾驶飞机在定点条件下无法正确维持其高度：实际上，这种情况下，高度评估主要基于压强传感器，但是压强传感器的准确性不足以在定点条件下提供适当的稳定性。

然而这种情况下拒绝超声测量值很可惜，因为除了跳跃外，测量值十分稳定并且很容易看出无人驾驶飞机的高度变化，在附图13中为50厘米量级，这对应于压强传感器的性能。

为了弥补第二现象，当无人驾驶飞机处于定点条件时(该飞行条件已知并且与无人驾驶飞机的“自动操控”状态相对应)激活特定的算法。

跳跃被定义为超声传感器测量值上(例如至少50厘米)的差别。当检测到该跳跃时，将跳跃值从最近五个测量值的历史中记录的后续测量值扣除。

因此历史不再包含原始测量值，而是消除跳跃后经平滑的测量值。如果不考虑跳跃的情况下测量值是稳定的，这样会产生相对均匀的曲线，不会触发一致性检查算法的测量值拒绝。另一方面，在质量差的地面情况下，超声传感器测量值有噪声并且包含所有频率下的变化。这种情况下，即使消除跳跃，结果仍然有噪声并且一致性检查算法继续适当操作来确认顺应的测量值。

附图14中示出所获得的结果：跳跃情况下，仅拒绝第一测量值，并且不再需要等待五个后续测量值来重新获得对超声测量值的确认。另外，障碍物跳跃管理算法的使用确保了地面的绝对参考不丢失：超声信号的偏移在两个数值之间振荡，但不发散，并且无人驾驶飞机正确地保持其高度：附图14中，观测到非常低的高度变化，这在计时图的开始和结束之间不超过10厘米。

容易干扰超声传感器的操作的第三现象是由于任何回波的突然消失而从传感器传送的任何测量值的丢失导致的。

该现象的实例在附图15中示出：无人驾驶飞机在房间内以相对低的高度行进，例如距离地板1m(位置186和188)，然后穿过窗户(位置190)。如果房间在楼上，那么无人驾驶飞机在高得多的地方结束，例如距离地面10m。这种情况下，由于压强传感器，估计器传送的高度值继续由不再更新的偏移来结合。然而，该偏移很重要，因为通过与无人驾驶飞机高度的差，它可以允许计算到地面的距离，这是重要的参数，尤其是对于用于分析用于评估无人驾驶飞机水平速度的垂直相机图像的景像算法。

当超声测量值丢失时，返回无人驾驶飞机计算器的到地面距离是被最近计算的偏移校正的估计高度。在附图15所述情况下，无人驾驶飞机穿过窗户后(位置190)，到地面的距离仍然认为等于1m，这样如果无人驾驶飞机向下飞，例如，2m(位置192)，那么使用偏移后到地面的距离将会是-1m，这是不一致的值。

为了弥补这种现象，本发明提出特定偏移管理算法，当无人驾驶飞机在较高的高度时(“较高高度”是高于超声遥测传感器的操作范围的高度，通常为高于6m的高度)执行该算法。

当超声传感器的测量值消失持续时间大于例如2s时，这就意味着无人驾驶飞机远高于地面，并且到地面的距离值基于记忆的偏移进行评估：

-如果该距离高于6m，那么操作不被修改并且记录偏移值；

-如果小于6m，这意味着它不正确并且无人驾驶飞机很可能飞过落差上方(已经飞过窗户，已经飞过孔洞等)。

后一种情况下，偏移必需被修改：

-如果存在适当的记录偏移值，将取回并使用该偏移值；

-相反情况下，到地面的距离固定在任意值，例如6m。

附图16示出当无人驾驶飞机在院子飞行时获得的结果。

在开始处，无人驾驶飞机从地面起飞。上升阶段(t＝15s到t＝20s)过程中，到地面的距离保持在超声遥测传感器的操作范围内，并且由此在超声传感器信号的分析获得的偏移校正后，高度由估计器适当的评估。

从t＝20s时，无人驾驶飞机的高度接近超声传感器范围的极限，并且观测到超声信号的丢失，这重复出现直到t＞32s时信号完全丢失。t＝33s后，当高度高于4m时，保持并记忆那时记录的最后偏移值。朝向t＝37s，无人驾驶飞机运动靠近墙，这产生某些回波的返回，然后当无人驾驶飞机离开墙时会消失。由于墙上锁导致的超声信号的重现/消失之后，先前记忆的偏移被应用，这允许保持距离地面的距离基本上恒定，尽管该锁定期间该值的测量值出现突然的低谷。

需要注意的是，附图16的实例中，到地面的距离在飞行的开始处能够被估计，这使得它能够在窗口锁定之后被恢复。在附图15的实例中，随着从窗户直接起飞，没有记忆的偏移，并且到地面的距离被任意固定在6m。

Claims (15)

1.一种具有多个转子的旋翼式无人驾驶飞机，所述多个转子由通过应用不同马达指令来控制的相应马达驱动以在高度和速度方面操控所述无人驾驶飞机，所述无人驾驶飞机包括高度确定装置，适于传送在绝对陆地系统中表示的无人驾驶飞机绝对高度值，包括：

-遥测传感器，适于估计无人驾驶飞机与反射无人驾驶飞机发射的超声脉冲的回波的表面分离的相对距离，

其特征在于高度确定装置进一步包括：

-气压传感器，适于传送无人驾驶飞机高度变化信号；

-估计器，接收由遥测传感器和气压传感器传送的信号作为输入，并且组合这些信号以传送无人驾驶飞机的所述绝对高度值作为输出；

-用于确认由遥测传感器传送的信号的装置，适于分析反射的回波，并且，基于该分析的结果，估计反射所述回波的所述表面的质量并据此修改估计器的参数和/或允许或禁止对估计器应用由遥测传感器传送的信号；以及

-障碍物检测装置，适于分析反射的回波，并且基于该分析的结果，推断在遥测传感器操作范围内障碍物的存在和轮廓，并且据此对估计器应用校正动作，所述校正动作适于补偿障碍物对由遥测传感器估计的相对距离的作用。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中估计器包括含有无人驾驶飞机的动态模型的表示的预测滤波器，所述滤波器适于执行基于所述马达指令预测无人驾驶飞机的所述绝对高度值，并且与由遥测传感器和气压传感器传送的信号相关地周期性重新调整所述预测。

3.根据权利要求2所述的无人驾驶飞机，其中所述预测滤波器具体是四状态滤波器，包括：相对于无人驾驶飞机的起飞位置计算的所述高度绝对值；无人驾驶飞机垂直速度的分量；所述马达指令相对于所述无人驾驶飞机动态模型的偏离；以及气压传感器的偏离。

4.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中确认装置包括用于根据对于所发射的相同脉冲同时接收到的回波数量估计反射回波的所述表面的质量的装置。

5.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中确认装置包括用于根据对由遥测传感器发射的脉冲时间系列获得的距离值之间的离散度来估计反射回波的所述表面的质量的装置。

6.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中确认装置包括用于与对由遥测传感器发射的脉冲时间系列获得的多个距离值的一致性分析相关地拒绝由遥测传感器估计的距离值的装置。

7.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中确认装置包括用于与当前距离值相对于从对由遥测传感器发射的脉冲时间系列获得的多个距离值获得的距离预测的差相关地拒绝由遥测传感器估计的距离值的装置。

8.根据权利要求6或7所述的无人驾驶飞机，其中拒绝装置与反射回波的表面的质量估计相关地相对于可变阈值进行操作。

9.根据权利要求6或7所述的无人驾驶飞机，进一步包括用于当拒绝装置拒绝估计的距离值时计算高度偏移值(OFFSET)以及用于当拒绝装置不再拒绝估计的距离值时将该偏移值加到估计的距离值的装置。

10.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中障碍物检测装置包括用于在对由遥测传感器发射的脉冲时间系列获得的距离值中检测符号相反的两个连续跳跃的装置，这两个跳跃之前和之后获得的距离值相似。

11.根据权利要求10所述的无人驾驶飞机，进一步包括用于在第一跳跃时计算高度偏移值(OFFSET)以及用于将所述偏移值加到在第二跳跃时估计的距离值的装置。

12.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中障碍物检测装置包括用于当无人驾驶飞机处于定点状态时检测对由遥测传感器发射的脉冲时间系列获得的距离值中的在两个值之间的振荡的装置。

13.根据权利要求12所述的无人驾驶飞机，其中障碍物检测装置包括用于平滑在出现检测到的振荡的情况下连续获得的距离值的装置。

14.根据权利要求1所述的无人驾驶飞机，其中障碍物检测装置包括适于检测由于缺乏反射回波而导致的由遥测传感器传送的信号丢失、适于在信号丢失时计算高度偏移值(OFFSET)、以及在估计器的输入端施加偏移值作为遥测信号的装置。

15.根据权利要求14所述的无人驾驶飞机，其中，在遥测信号丢失的情况下：i)如果无人驾驶飞机的高度低于给定阈值高度，若存在所记录的偏移值，在估计器的输入端施加所记录的偏移值，相反情况下，施加预定值，并且ii)如果无人驾驶飞机的高度高于所述给定阈值高度，在估计器的输入端不变地施加所记录的偏移值。