CN105083567A - 无人机飞行控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机飞行控制方法，该方法包括：检测无人机的运行状态；根据所述无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；根据所述获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速。本发明还公开了一种无人机飞行控制装置。采用本发明，可提高无人机飞行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机飞行控制方法及装置。
背景技术
无人机(无人驾驶机)，是目前开始逐渐实用化的一种飞行器，其具有机动灵活、反应快速、无人飞行、操作要求低等优点，无人机结构简单、使用成本低、不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于完成有人驾驶飞机无法执行的任务，如危险区域的地质灾害调查等。
无人机的动力装置主要包括电机和控制电机转动的控制器。在现有技术中，在通过控制器控制电机的转速时，都采用相同的PID(proportion-integration-differentiation，比例-积分-微分)控制算法，即取相同的PID参数，将马达的转速从当前转速调整到目标转速；但是，由于无人机在运行过程中，在不同时间所处的运行状态不一样，如果在无人机运行过程中的所有运行状态，都采用相同的PID参数控制马达，则会出现以下问题：如在无人机处于某一个运行状态时，采用某个PID参数控制马达转动时，可使得无人机平稳飞行，而在无人机处于另一个运行状态时，采用同样的PID参数控制马达转动时，则容易导致无人机发生侧翻，使得无人机不能平稳飞行。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种无人机飞行控制方法及装置，旨在解决的现有技术中，无人机不能平稳飞行的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种无人机飞行控制方法，该方法包括：
检测无人机的运行状态；
根据所述无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；
根据所述获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速。
优选地，所述检测无人机的运行状态的步骤包括：
获取所述无人机的马达的当前转速；
根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间，确定所述无人机的运行状态。
优选地，所述检测无人机的运行状态的步骤包括：
获取所述无人机的马达的当前转速和所述无人机的当前飞行高度；
根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间和所述无人机的当前飞行高度所在的高度区间，确定所述无人机的运行状态。
优选地，所述检测无人机的运行状态的步骤之前，该方法还包括：
预先设置所述无人机在各个运行状态时对应的PID参数。
优选地，所述无人机的运行状态包括起飞状态、悬停状态、空中飞行状态和降落状态。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种无人机飞行控制装置，该装置包括：
检测模块，用于检测无人机的运行状态；
获取模块，用于根据所述无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；
PID控制器，用于根据所述获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速。
优选地，所述检测模块包括：
第一获取单元，用于获取所述无人机的马达的当前转速；
第一确定单元，用于根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间，确定所述无人机的运行状态。
优选地，所述检测模块包括：
第二获取单元，用于获取所述无人机的马达的当前转速和所述无人机的当前飞行高度；
第二确定单元，用于根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间和所述无人机的当前飞行高度所在的高度区间，确定所述无人机的运行状态。
优选地，该装置还包括：
设置模块，用于预先设置所述无人机在各个运行状态时对应的PID参数。
优选地，所述无人机的运行状态包括起飞状态、悬停状态、空中飞行状态和降落状态。
本发明的无人机飞行控制方法即装置，通过检测无人机的运行状态；根据所述无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；根据所述获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速；可根据无人机的不同运行状态，采用对应的PID参数，对马达转速进行控制，提高无人机飞行的稳定性。
附图说明
图1为本发明无人机飞行控制方法的第一实施例的流程示意图；
图2为本发明无人机飞行控制方法中的检测无人机的运行状态的一实施例详细流程示意图；
图3为本发明无人机飞行控制方法中的检测无人机的运行状态的另一实施例详细流程示意图；
图4为本发明无人机飞行控制方法的第二实施例的流程示意图；
图5为本发明无人机飞行控制装置的第一实施例的结构示意图；
图6为本发明无人机飞行控制装置的检测模块的一实施例的结构示意图；
图7为本发明无人机飞行控制装置的检测模块的另一实施例的结构示意图；
图8为本发明无人机飞行控制装置的第二实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明无人机飞行控制方法的第一实施例的流程示意图，该方法包括：
S10、检测无人机的运行状态。
无人机的运行状态包括起飞状态、悬停状态、空中飞行状态和降落状态等。其中，由于外在环境的不同，可根据外在环境的风速等级对空中飞行状态进行细分，如，将空中飞行状态分为第一空中飞行状态和第二空中飞行状态，在外在环境的风速等级为微风时，空中飞行状态为第一空中飞行状态，在外在环境的风速等级为强风时，空中飞行状态为第二空中飞行状态。
在该步骤中，检测无人机的运行状态，可通过读取无人机上的各类传感器的测量值、无人机接收到的遥控器的控制指令，确定该无人机的运行状态。该各类传感器的测量值包括速度传感器测量的速度值、高度传感器测量的高度值、环境传感器测量的风速值、陀螺仪测量的角度值等。陀螺仪测量的角度值包括俯仰角角度值、横滚角角度值、航向角角度值。
在一实施例中，当无人机接收到的遥控器的控制指令为起飞指令，则可以确定该无人机的运行状态为起飞状态；当无人机接收到的遥控器的控制指令为降落指令，则可以确定该无人机的运行状态为降落状态。
在一实施例中，获取无人机的俯仰角角度值、横滚角角度值、航向角角度值和飞行高度值，根据获取的俯仰角角度值、横滚角角度值、航向角角度值和高度值确定无人机的运行状态。如，当无人机的俯仰角角度值在第一预设角度区间，无人机的横滚角角度值在第二预设角度区间，无人机的航向角角度值在第三预设角度区间，无人机的飞行高度值在第一预设高度区间，则可以确定该无人机的运行状态为起飞状态。
S20、根据该无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数。
在确定了无人机的运行状态后，查找到该确定的运行状态对应的PID参数，不同运行状态对应的PID参数不同。PID参数包括P值、I值和D值，其中P值用于决定控制量从当前数值向目标数值靠近的速度，但是只有P值控制会导致最后当前数值在目标数值附近震荡而无法进一步靠近，这个差距称为稳态误差，I值用于减少稳态误差，D值用于决定控制量的当前数值在目标数值附近震荡的快慢。在本实施例中，该控制量为马达的转速。
通常的，无人机的运行状态为悬停状态时，PID参数中的P值比较大；无人机的运行状态为起飞状态时，PID参数中的D值比较大。在实际测试中发现，在悬停状态时，P值比较大时，无人机能够很好的抵抗外界外力，进而保持平稳飞行；在起飞状态时，D值比较大时，无人机能够能够减少侧翻概率。
S30、根据该获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速。
在该步骤中，根据该获取的PID参数输出控制指令，控制马达的转速从当前转速调整到目标转速，使得马达的转速可以平稳的从当前转速变化到目标转速，增加无人机飞行的稳定性。
采用上述实施例，通过检测无人机的运行状态；根据该无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；根据该获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速；可根据无人机的不同运行状态，采用对应的PID参数，对马达转速进行控制，提高无人机飞行的稳定性。
参照图2，图2为本发明无人机飞行控制方法中的检测无人机的运行状态的一实施例详细流程示意图，详述如下：
S21、获取该无人机的马达的当前转速。
可通过速度传感器实时获取无人机的马达的当前转速。当无人机是四轴无人机时，无人机上四个螺旋桨分别通过一个马达连接浆臂，则在该步骤中，分别获取四个马达的当前转速。
S22、根据该无人机的马达的当前转速所在的转速区间，确定该无人机的运行状态。
预设设置转速区间与无人机的运行状态的映射关系，如表一所示。
表一：
| 转速区间 | 无人机的运行状态 |
| [V1，V2] | 起飞状态 |
| [V3，V4] | 悬停状态 |
| [V5，V6] | 空中飞行状态 |
| [V7，V8] | 降落状态 |
| …… | …… |
在该步骤中，根据无人机的马达的当前转速在该转速区间与无人机的运行状态的映射关系中查找到该当前转速对应的转速区间，进而确定无人机的运行状态。如，当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V3，V4]，则可以确定无人机的运行状态为悬停状态；当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V5，V6]，则可以确定无人机的运行状态为空中飞行状态。
参照图3，图3为本发明无人机飞行控制方法中的检测无人机的运行状态的另一实施例详细流程示意图，详述如下：
S23、获取该无人机的马达的当前转速和该无人机的当前飞行高度。
可通过速度传感器实时获取无人机的马达的当前转速。当无人机是四轴无人机时，无人机上四个螺旋桨分别通过一个马达连接浆臂，则在该步骤中，分别获取四个马达的当前转速。
可通过设置在无人机上的超声波传感器、激光传感器、声纳传感器、红外传感器等高度传感器测量无人机的当前飞行高度，该当前飞行高度为无人机相对地面的高度。
在该步骤中，通过读取超声传感器、激光传感器、声呐传感器、红外传感器等高度传感器上的测量数据，得到无人机的当前飞行高度。
S24、根据该无人机的马达的当前转速所在的转速区间和该无人机的当前飞行高度所在的高度区间，确定该无人机的运行状态。
预设设置转速区间-高度区间-无人机的运行状态的映射关系，如表二所示。
表二：
| 转速区间 | 高度区间 | 无人机的运行状态 |
| [V1，V2] | [H1，H2] | 起飞状态 |
| [V1，V2] | [H3，H4] | 起飞状态 |
| [V3，V4] | [H3，H4] | 悬停状态 |
| [V3，V4] | [H5，H6] | 悬停状态 |
| [V5，V6] | [H5，H6] | 空中飞行状态 |
| [V5，V6] | [H7，H8] | 空中飞行状态 |
| [V7，V8] | [H1，H2] | 降落状态 |
| [V7，V8] | [H3，H4] | 降落状态 |
| …… | …… | …… |
在该步骤中，根据无人机的马达的当前转速和当前飞行高度在该转速区间-高度区间-无人机的运行状态的映射关系中查找到该当前转速对应的转速区间和该当前飞行高度对应的高度区间，进而确定无人机的运行状态。如，当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V3，V4]，当前飞行高度H0所在的高度区间为[H3，H4]，则可以确定无人机的运行状态为悬停状态；当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V5，V6]，当前飞行高度H0所在的高度区间为[H7，H8]，则可以确定无人机的运行状态为空中飞行状态。
参照图4，图4为本发发明无人机飞行控制方法的第二实施例的流程示意图。
基于上述无人机飞行控制方法的第一实施例，在步骤S10之前，该方法还包括：
S40、预先设置该无人机在各个运行状态时对应的PID参数。
不同运行状态对应的PID参数不同，PID参数包括P值、I值和D值。可根据需要设置无人机在各个运行状态下的PID参数，如设置悬停状态对应的PID参数为P1、I1、D1，其中，P1越大，则无人机的马达将越快的从当前转速调整到目标转速。
参照图5，图5为本发明无人机飞行控制装置的第一实施例的结构示意图，该装置包括：
检测模块10，用于检测无人机的运行状态；
获取模块20，用于根据该无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；
PID控制器30，用于根据该获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速。
无人机的运行状态包括起飞状态、悬停状态、空中飞行状态和降落状态等。其中，由于外在环境的不同，可根据外在环境的风速等级对空中飞行状态进行细分，如，将空中飞行状态分为第一空中飞行状态和第二空中飞行状态，在外在环境的风速等级为微风时，空中飞行状态为第一空中飞行状态，在外在环境的风速等级为强风时，空中飞行状态为第二空中飞行状态。
检测模块10检测无人机的运行状态，可通过读取无人机上的各类传感器的测量值、无人机接收到的遥控器的控制指令，确定该无人机的运行状态。该各类传感器的测量值包括速度传感器测量的速度值、高度传感器测量的高度值、环境传感器测量的风速值、陀螺仪测量的角度值等。陀螺仪测量的角度值包括俯仰角角度值、横滚角角度值、航向角角度值。
在一实施例中，当无人机接收到的遥控器的控制指令为起飞指令，则可以确定该无人机的运行状态为起飞状态；当无人机接收到的遥控器的控制指令为降落指令，则可以确定该无人机的运行状态为降落状态。
在一实施例中，获取无人机的俯仰角角度值、横滚角角度值、航向角角度值和飞行高度值，根据获取的俯仰角角度值、横滚角角度值、航向角角度值和高度值确定无人机的运行状态。如，当无人机的俯仰角角度值在第一预设角度区间，无人机的横滚角角度值在第二预设角度区间，无人机的航向角角度值在第三预设角度区间，无人机的飞行高度值在第一预设高度区间，则可以确定该无人机的运行状态为起飞状态。
在确定了无人机的运行状态后，该获取模块20查找到该确定的运行状态对应的PID参数，不同运行状态对应的PID参数不同。PID参数包括P值、I值和D值，其中P值用于决定控制量从当前数值向目标数值靠近的速度，但是只有P值控制会导致最后当前数值在目标数值附近震荡而无法进一步靠近，这个差距称为稳态误差，I值用于减少稳态误差，D值用于决定控制量的当前数值在目标数值附近震荡的快慢。在本实施例中，该控制量为马达的转速。
通常的，无人机的运行状态为悬停状态时，PID参数中的P值比较大；无人机的运行状态为起飞状态时，PID参数中的D值比较大。在实际测试中发现，在悬停状态时，P值比较大时，无人机能够很好的抵抗外界外力，进而保持平稳飞行；在起飞状态时，D值比较大时，无人机能够能够减少侧翻概率。
该PID控制器30根据该获取的PID参数输出控制指令，控制马达的转速从当前转速调整到目标转速，使得马达的转速可以平稳的从当前转速变化到目标转速，增加无人机飞行的稳定性。
参照图6，图6为本发明无人机飞行控制装置的检测模块10的一实施例的结构示意图，该检测模块包括：
第一获取单元11，用于获取该无人机的马达的当前转速；
第一确定单元12，用于根据该无人机的马达的当前转速所在的转速区间，确定该无人机的运行状态。
该第一获取单元11可通过速度传感器实时获取无人机的马达的当前转速。当无人机是四轴无人机时，无人机上四个螺旋桨分别通过一个马达连接浆臂，则该第一获取单元11分别获取四个马达的当前转速。
预先设置设置转速区间与无人机的运行状态的映射关系，如上述表一所示。
该第一确定单元12根据无人机的马达的当前转速在该转速区间与无人机的运行状态的映射关系中查找到该当前转速对应的转速区间，进而确定无人机的运行状态。如，当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V3，V4]，则可以确定无人机的运行状态为悬停状态；当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V5，V6]，则可以确定无人机的运行状态为空中飞行状态。
参照图7，图7为本发明无人机飞行控制装置的检测模块的另一实施例的结构示意图，该检测模块10包括：
第二获取单元13，用于获取该无人机的马达的当前转速和该无人机的当前飞行高度；
第二确定单元14，用于根据该无人机的马达的当前转速所在的转速区间和该无人机的当前飞行高度所在的高度区间，确定该无人机的运行状态。
该第二获取单元13可通过速度传感器实时获取无人机的马达的当前转速。当无人机是四轴无人机时，无人机上四个螺旋桨分别通过一个马达连接浆臂，则第二获取单元13分别获取四个马达的当前转速。
可通过设置在无人机上的超声波传感器、激光传感器、声纳传感器、红外传感器等高度传感器测量无人机的当前飞行高度，该当前飞行高度为无人机相对地面的高度。
该第二获取单元13通过读取超声传感器、激光传感器、声呐传感器、红外传感器等高度传感器上的测量数据，得到无人机的当前飞行高度。
预设设置转速区间-高度区间-无人机的运行状态的映射关系，如上述表二所示。
该第二确定单元14根据无人机的马达的当前转速和当前飞行高度在该转速区间-高度区间-无人机的运行状态的映射关系中查找到该当前转速对应的转速区间和该当前飞行高度对应的高度区间，进而确定无人机的运行状态。如，当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V3，V4]，当前飞行高度H0所在的高度区间为[H3，H4]，则可以确定无人机的运行状态为悬停状态；当无人机的马达的当前转速V0所在的转速区间为[V5，V6]，当前飞行高度H0所在的高度区间为[H7，H8]，则可以确定无人机的运行状态为空中飞行状态。
参照图8，图8为本发明无人机飞行控制装置的第二实施例的结构示意图。
基于上述无人机飞行控制装置的第一实施例，该装置还包括：
设置模块40，用于预先设置该无人机在各个运行状态时对应的PID参数。
不同运行状态对应的PID参数不同，PID参数包括P值、I值和D值。可根据需要设置无人机在各个运行状态下的PID参数，如设置悬停状态对应的PID参数为P1、I1、D1，其中，P1越大，则无人机的马达将越快的从当前转速调整到目标转速。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种无人机飞行控制方法，其特征在于，该方法包括：
检测无人机的运行状态；
根据所述无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；
根据所述获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速。
2.如权利要求1所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述检测无人机的运行状态的步骤包括：
获取所述无人机的马达的当前转速；
根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间，确定所述无人机的运行状态。
3.如权利要求1所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述检测无人机的运行状态的步骤包括：
获取所述无人机的马达的当前转速和所述无人机的当前飞行高度；
根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间和所述无人机的当前飞行高度所在的高度区间，确定所述无人机的运行状态。
4.如权利要求1至3任一项所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述检测无人机的运行状态的步骤之前，该方法还包括：
预先设置所述无人机在各个运行状态时对应的PID参数。
5.如权利要求1至3任一项所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述无人机的运行状态包括起飞状态、悬停状态、空中飞行状态和降落状态。
6.一种无人机飞行控制装置，其特征在于，该装置包括：
检测模块，用于检测无人机的运行状态；
获取模块，用于根据所述无人机的运行状态获取对应的比例-积分-微分PID参数；
PID控制器，用于根据所述获取的PID参数输出控制指令，以控制马达的转速。
7.如权利要求6所述的无人机飞行控制装置，其特征在于，所述检测模块包括：
第一获取单元，用于获取所述无人机的马达的当前转速；
第一确定单元，用于根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间，确定所述无人机的运行状态。
8.如权利要求6所述的无人机飞行控制装置，其特征在于，所述检测模块包括：
第二获取单元，用于获取所述无人机的马达的当前转速和所述无人机的当前飞行高度；
第二确定单元，用于根据所述无人机的马达的当前转速所在的转速区间和所述无人机的当前飞行高度所在的高度区间，确定所述无人机的运行状态。
9.如权利要求6至8任一项所述的无人机飞行控制装置，其特征在于，该装置还包括：
设置模块，用于预先设置所述无人机在各个运行状态时对应的PID参数。
10.如权利要求6至8任一项所述的无人机飞行控制装置，其特征在于，所述无人机的运行状态包括起飞状态、悬停状态、空中飞行状态和降落状态。
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