CN105388901A - 在抛投开始时对旋翼无人机进行动态控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括以下步骤：a)初始化预测滤波高度估计器(202)；b)在马达被关闭的情况下由用户将无人机抛投到空中；c)检测自由落体(FF)状态；d)在检测到自由落体状态之际，通过以下快速开始：打开马达、高度控制装置的开环激活及姿态控制装置的闭环激活；e)在马达的响应时间之后，通过以下来使无人机稳定(206)：高度控制装置的闭环激活及姿态控制装置的闭环激活；f)检测稳定状态，使得无人机的总角速度小于预定阈值；以及，g)在检测到稳定状态之际，切换到最终状态(208)，在最终状态，无人机处于稳定上升条件并可由用户驾驶。

Description

在抛投开始时对旋翼无人机进行动态控制的方法

本发明涉及旋翼无人机，诸如四螺旋桨遥控直升机(quadricopter)等等。

这样的无人机提供有多个由相应的马达驱动的转子，这些马达可以差动方式控制，从而使得以某种飞行姿态和速度来驾驶无人机。

这种无人机的典型例子为法国巴黎的鹦鹉股份有限公司的AR.Drone2.0(AR.无人机2.0)，其是配备有一系列传感器(加速计、三轴陀螺测试仪、测高仪)、捕捉无人机朝向其定向的场景的图像的前部摄像机、以及捕捉溢流地面的图像的垂直视像摄像机的四螺旋桨遥控直升机。

更具体地，本发明涉及对这种无人机的自动控制以确保在以下状态之间的转换：

-初始状态，在该状态下，无人机马达关闭，并且因此在该状态下，转子停止，以及

-最终状态，在该状态下，无人机处于上升条件，即其水平和垂直速度为零或者几乎为零，其倾斜度也是如此。

通常，初始状态是无人机停靠在、停在地面上的状态。用户使用通过其遥控触发马达的打开，并借助于合适的命令使无人机演变，可能在此之后，在先前的自动驾驶起飞阶段中，无人机在距离地面的预定高度处已自动采取上升条件。

本发明涉及对无人机进行动态控制的方法，该方法支持另一种“抛投”类型的飞行启动技术，在该技术中，用户将无人机拿在手中、将马达关闭、并且释放无人机或将无人机抛投到空中。

随后问题将是确保快速打开马达，以便防止自由落体效果，并在无人机还有时间落到地面之前，自动地使无人机在姿态和海拔高度方面稳定。

因此，WO2013/123944A1描述了一种可具体可在营救操作时使用的无人机，比如可从船上或者地面上抛投给遇难人员的救生圈形式的无人机。最初停靠在地面上并且其马达被关闭的无人机随后被营救人员抓起并抛投给遇难人员。马达的关闭是自动的，且无人机自动将其自身置成在遇难人员上方的悬空飞行，以向他/她投放安全设备。然而，本文档没有描述对无人机的马达进行精确控制和伺服控制以安全并快速地在初始状态(这时，无人机被营救人员抛出并且其马达被关闭)和处于悬空飞行的稳定上升状态之间进行转变的方式。

本发明的问题在于在先前的“抛投”阶段期间以可能最高效且最快速的方式确保这种稳定性，该抛投阶段将一直维持，直到使无人机稳定到足以能够退出临时的自动驾驶模式并将控制转移给用户。

这种稳定性更难以得到确保，因为与以从地面起飞为开始不同，在无人机为静止并且初始高度已知(为零)的情形下，在抛投开始时，以下初始条件可能以非常大的比例改变且不能预先预测：

-简单释放，因此具有零初始速度，或者抛投，在预先未知的方向上(向上、或水平……)具有更高或更低的初始脉冲速度；

-平抛或者“旋转”抛投，引入了角速度分量；

-用户释放或者抛投无人机的相对于地面的高度；

-外部条件：风、地面影响或者附近的墙壁的影响等。

也建议避免在稳定阶段期间对各马达的任何不一致的影响(例如，在错误方向施加的任何推进)或者使在稳定阶段期间对各马达的任何不一致的影响降低到最小，这种不一致的效果倾向于将无人机推向地面。

EP2644240A1详细描述了卡尔曼滤波高度估计器的操作，但是没有给出关于使用这种估计器来以“抛投开始”或者“释放开始”配置控制无人机马达的方式的任何指示。

在另一上下文中，LupashinSetal.″ASimpleLearningStrategyforHigh-SpeedQuadrocopterMulti-Flips″，Proceedingsofthe2010IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation，May2010，pp.1642-1648(2010年5月的2010年IEEE机器人和自动化国际会议论文集第1642-1648页LupashinS等人的文章“高速四螺旋桨遥控直升机的多次快速翻转的简单学习策略”)描述了如何控制四螺旋桨遥控直升机类型的无人机执行“自旋”或者“翻腾”类型(无人机绕着其滚转轴或俯仰轴转动一周)的演习。但是这种演习在任意情况下都是从其中马达已经被激活的初始上升状态开始执行的-因此问题不在于使无人机从其中无人机在马达关闭的情况下以某种方式或者其它方式被抛出的初始状态进入最终上升状态。此外，这篇文章描述了如何用预先计算的轨迹命令来优化多个参数以生成精确的轨迹，该精确的轨迹总是相同(自旋或者翻腾)。实际上，这样的方法在某种或者其他抛投之后将不适合于无人机的稳定，因为无人机的速度和加速度等初始参数可能非常可变并且在任意情况下都是不可预测的。最终，旋转自旋或者翻腾的不同执行步骤之间的转变总是同时发生并且不是无人机的初始运动的函数：因此在这种情况下，不必根据初始条件来提供高度估计器的特定控制策略。

如上所述，本发明的目的在于提出一种方法，该方法允许在抛投开始的情况下发生从初始状态到最终状态的转变，在初始状态中，无人机在其马达关闭的情况下突然处于自由落体条件，而在最终状态中，无人机在地面以上某个高度处稳定在上升条件中，且控制可以被转移给用户，该整个过程在最小的时间内完成。

这样的方法可以按例如从前面提到的WO2013/123944A1中获知的方式来实现，其中无人机包括：加速计装置，适于递送无人机的加速度值；陀螺仪装置，适于递送无人机的角速度值；测高仪装置，适于递送无人机的高度值；高度控制装置，包括基于高度设定点来操作的伺服控制回路；以及姿态控制装置，包括基于姿态设置点来操作的伺服控制回路。

本发明的特征在于，测高仪装置包括预测滤波估计器，其合并了无人机的动态模型的表示，并基于包含高度和水平速度变量的状态矢量来操作，并且该方法包括以下步骤：

a)初始化预测滤波估计器；

b)由用户从马达关闭的初始状态将无人机抛投到空中；

c)检测自由落体状态，使得无人机加速度的模在预定的最小持续时间内小于预定阈值；

d)在检测到所述自由落体状态之际，通过以下操作快速启动：

·打开马达，

·开环激活高度控制装置；以及

·闭环激活姿态控制装置；

e)然后，在至少等于马达对所述打开的响应时间的持续时间后，通过以下操作使无人机稳定：

·闭环激活高度控制装置，以及

·开环激活姿态控制装置；

f)检测稳定状态，使得无人机的总角速度的模(|Ω|)小于预定阈值；以及

g)在检测到稳定状态之际，切换到最终状态。

根据各种附加有利的特征：

-初始化预测滤波估计器的步骤a)包括用包括在1m和2m之间的高度变量来初始化状态矢量、用正向上且包括在0到200cm/s之间的垂直速度变量来初始化状态矢量和/或以包括在100mm/s和2000mm/s之间的值来初始化无人机的初始速度的置信区间；

-在步骤d)，以开环激活的高度控制装置基于与高度估计器的初始状态相对应的固定高度设定点来操作；

-在步骤e)，以闭环激活的高度控制装置基于预定的固定高度设定点来操作；以及

-在步骤d)和e)，以闭环激活的姿态控制装置基于零微调设定点以及与具有零角速度设定点的当前航向相对应的航向设定点来操作。

现在将参考附图描述本发明的示例性实施例，附图中相同的附图标记在所有附图中代表相同或者功能相似的元件。

图1是示出无人机及构成该无人机的主要元件的整体视图。

图2示意性地示出了以“抛投开始”开始飞行开始的初始阶段。

图3为无人机的各种控制、伺服控制和辅助导航元件的框图。

图4为详述本发明的的允许无人机从马达关闭的初始状态切换到处于稳定悬飞的最终状态的方法的不同步骤的流程图。

图5为示出针对六次连续抛投测量的无人机加速度模的变化的计时图。

图6为更精确地示出加速度模在这些抛投之一中的不同阶段期间加速度模的变化的计时图。

图7和8分别示出在具有或者不具有对高度估计器的特定初始化的情况下的测试结果，从而将由无人机的传感器测量到的实际高度数据与在无人机的稳定阶段期间产生的对这些数据的估计进行比较。

现在将通过图解的方式来描述本发明的实施例。

图1显示了四螺旋桨遥控直升机类型的无人机10，该无人机具有中心主体12，从该中心主体12向周围伸展出四个支撑臂14。每一支撑臂14在其远端配备有推进单元16，推进单元包括马达18，该马达驱动延伸在支撑臂14上方的水平面中的推进器20旋转。

集成的导航和姿态控制系统使四个马达18彼此独立地引导，该系统将参考图3更详细地描述。

这种无人机可有利地通过具有触摸屏和集成加速计的电话或者多媒体播放器来驾驶，比如IPhone类型的蜂窝电话或者IPad类型的多媒体平板电脑(美国苹果股份有限公司的注册商标)。这种装置包括检测驾驶命令以及经由Wi-Fi(IEEE802.11)或者蓝牙(注册商标)局域网类型的无线链路来与无人机双向交换数据所需的各种控制元件。此外，它们还提供有允许显示无人机的相机所捕捉的图像的触摸屏并且叠加有允许通过用户的手指在触摸屏上的简单接触来激活命令的多个符号。

惯性传感器(加速计和陀螺仪)以某一精度值测量无人机的各角速度和姿态角，即描述无人机相对于固定地球参考系的水平面的倾斜的欧拉角(俯仰角滚转角θ、偏转角ψ)，应理解水平速度的两个纵向分量和横向分量与围绕两个相应的俯仰轴和滚转轴的倾斜密切相关。

此外，布置在无人机下面的超声测距仪和机载测压计提供了组合起来给出无人机相对于地面的高度的估计值的测量值。

无人机也包括指向下的俯视相机，其适于捕捉所飞过的地面的连续图像，并具体用于估计无人机相对于地面的速度。

无人机提供有在悬飞时进行稳定化的自动和自主系统，具体地一旦用户将其手指从该设备的触摸屏上移开，或者在起飞阶段的结束时，或者在该设备和无人机之间无线电链路中断的情况下，该自动和自主系统就会被激活。然后无人机切换到上升条件，在上升条件下，无人机在没有用户的干预的情况下，自动地停航并被稳定在这个固定位置。

为了更加精确地描述这种无人机，通常对以下文档作出参考：WO2010/061099A2和EP2364757A1以及FR2915569A1(其具体描述无人机所使用的陀螺仪和加速计系统)、EP2431084A1(其具体描述如何控制预定轨迹)以及EP2644240A1(其具体描述基于气压传感器和超声波传感器的测量的高度估计器系统)，这些文档属于鹦鹉股份有限公司。

参考图2，本发明的目的在于允许无人机10的“抛投开始”，在抛投开始时，用户22抛出或者释放他手中具有的无人机。然后，无人机10沿着初始状态L(这时用户22抛起无人机且马达关闭)和为稳定升起状态的最终状态STS之间的轨迹24前进。轨迹24或多或少是不稳定的或者不可提前预计，因为其在很大程度上取决于用户22释放或者抛投无人机时的高度、在该用户抛投无人机时该用户赋予无人机的初始速度V、在该抛投“向外螺旋”而非平直等情况下的可能角速度。

问题在于通过避免和最小化不利现象(具体为马达的将趋于使无人机更为接近地面的推进)来以更高效的方式管理这两个初始和最终状态之间转变，，并使此以最小时间发生。

无人机马达的控制和伺服控制

现将参考图3详细描述无人机马达驾驶各设定点的一般方式，图3是无人机的各控制和伺服控制元件的框图。

应该注意到，尽管这些框图被呈现为互连的电路，但不同功能的实现基本上是基于软件的，而该表示仅仅是示例性的。

除了高度变化外，驾驶系统还涉及用于控制无人机的水平速度、角速度和姿态的若干交织回路。

最中心的回路(其姿态和角速度控制回路100)使用由陀螺仪102所提供的信号，并且在姿态和角速度校正阶段104，将这些信号与角速度设定点组成的参考进行比较。阶段104驾驶马达108的控制阶段106，以便分开地控制不同马达的体系(regime)以通过由这些马达驱动的转子的组合动作来校正无人机的角速度。

由陀螺仪102以及由加速计110提供的指示被应用于PI(比例积分器)类型的姿态估计阶段112。阶段112产生对无人机的真实姿态的估计(俯仰角滚转角θ、偏航角ψ)，其被应用于姿态和角速度校正阶段104。阶段10将这样估计出的姿态与角度设定点进行比较，这些角度设定点由电路114基于由用户116直接应用的命令(“受控驾驶”配置)和/或基于由无人机的自动驾驶经由用于将无人机保持在静止上升位置的水平速度校正电路118在内部生成的数据(自动驾驶“固定点”配置)生成。应用到阶段104并与无人机的经估计姿态进行比较的可能经校正的设定点通过阶段104到阶段106传送以合适地控制马达108。

总之，基于(由用户应用和/或在内部生成的)设定点和(由姿态估计电路112给出的)角度测量之间的误差，回路100计算角速度设定点，然后计算这个先前角速度设定点和由陀螺仪102有效测量的角速度之间的差。回路100基于这个信息确定不同的转速设定点(并因此确定升力设定点)，这些设定点被发送给马达108以执行用户所要求和/或无人机的自动驾驶所计划的操纵。

水平速度控制回路120使用(此后更详细描述的)垂直摄影机122和高度估计器电路124。电路126确保处理由垂直摄影机122所产生的图像以及加速计1110的信号和姿态估计电路112的信号以借助电路128来估计无人机的水平速度的两个分量。所估计的水平速度依据由电路130给出的垂直速度估计以及从估计器134和从在无人机的某个特定飞行配置中校正/补偿高度值的电路132获得的高度的值来校正。

关于无人机的垂直位移，用户116向计算高度设定点的电路134应用命令，这样的设定点被经由接收由电路132给出的高度估计的高度校正电路138应用于计算上升速度设定点Vz的电路136。计算出的上升速度Vz被应用于电路140，该电路140将这个设定点速度与电路140所估计的相应速度进行比较，并因此改进马达控制数据(阶段106)，以同时增加或者减少所有马达的转速，以使得设定点上升速度和所测得的上升速度之间的差最小化。

无人机高度的估计

现将描述高度估计电路124和估计的高度值校正/补偿电路132操作的方式。

本文中，单词“高度”指无人机在垂直方向上的即时位置在固定的地球参考系中(比如伽里略参考系中)考虑的值，其高度零对应于地面位置。因此，这个“高度”是绝对大小。

现将首先描述高度估计电路124操作的方式。该电路实现“卡尔曼滤波器”类型的状态估计器142，该状态估计器142是基于在输入处应用的一系列测量来估计动态系统(无人机在当前情况下)的状态的无限脉冲响应滤波器估计。该技术的一般原理将在例如R.E.Kalman，AnewApproachtoLinearFilteringandPredictionProblems，TransactionsoftheASME-JournalofBasicEngineering，Vol.82(1960)((1960年的)ASME交易(基础工程月刊)第82卷R.E.Kalman的“线性过滤和预测问题的新方式”)中找到。

在当前情况下，卡尔曼过滤器接收以下作为输入：

-由超声波传感器(US传感器)144)递送的信号，

-由气压计传感器146递送的信号，及

-在148中，由加速计110递送的信号。

卡尔曼滤波器的动态系统由描述无人机的行为的一组等式组成。这种建模具体在前面提到的EP2644240A1中被披露，可对该文献作出参考以得到进一步详情。

卡尔曼滤波器142以两个阶段操作，先后为：

-预测阶段，在滤波器的每一次迭代处都被执行：这个阶段包括一方面借助加速计信号，另一方面借助无人机动态建模来预测无人机在当前时刻的高度；及

-调整阶段，该阶段包括使用US传感器144和气压计传感器146所递送的当前测量来校正预测。这个步骤不一定在每一次迭代都被执行，因为US传感器的测量不一定总是可用，如将在此后解释的。

卡尔曼滤波器使用并估计四个状态，即：

-无人机相对于其起点(初始时刻的位置)的高度，

-垂直速度V_z，

-加速计偏差，及

-气压计传感器146所递送的压力测量的偏差。

加速计偏差表示加速计z测量的误差，该误差具体以低频随温度变化。该误差在飞行中借助两个传感器144和146所提供的测量值来调整，这尤其允许当这些测量消失时更精确。

压力测量的偏差状态允许校正气压计传感器146的偏移。这些偏移主要出现在起飞时、马达开始时以及飞行前几秒温度增加期间。在其它情况下，这些偏移也可出现在压力环境被修改时，比如当无人机在房间内部起飞且有人打开房间窗户的时等等。压力测量的偏差状态由US传感器154的测量来估计。当US测量不再可用时，例如当无人机不再接收任何回波时，压力测量的偏差状态不再被估计，其保持为常量。

为了调整滤波器的状态，滤波器使用三种观察：

-由US传感器144给出，并可能依据所谓的偏置值来校正的距离测量。将注意到，该观察并不是总是可用：在最优条件中，在光滑的地面上并且在低的高度处，该测量以25Hz的循环频率(即重新计算无人机驾驶数据的频率(通常为200Hz)的1/8)提供。另一方面，在接收到混乱回音的情况下，该测量值可能被拒绝：

-由气压计传感器146给出并依据其自身的偏置来校正的压力测量。该测量一般出现在每一次迭代中，然而当无人机非常接近地面(通常距地面小于20cm)时，考虑到对压力测量造成强烈干扰的恼人的嘶嘶声的影响，该测量是无效的；以及

-仅在无人机不飞行时使用的零高度测量；问题是使允许的虚拟测量确保向导航电路递送的高度值保持固定为零。

抛投开始的控制

图4为是详述允许无人机从马达被关闭时的初始状态(步骤200)切换到稳定悬飞时的最终状态(步骤208)的不同步骤的流程图。

用户例如借助于其遥控设备的触碰接口的按钮来激活“抛投开始”模式。

无人机然后等待(步骤202)用户的抛投。

马达保持被关闭，从而不存在伤害用户的危险。

然后以适于抛投开始的特定方式被初始化高度估计器124的卡尔曼滤波器142的各参数。

实际上，在从地面起飞的情况下，已知高度为零且垂直速度为零；因此对估计器的初始化非常可靠，并且可能给予这状态非常低的初始变化，且垂直速度具有1mm/s量级的置信区间。

另一方面，在抛投开始的情况下，初始高度和速度都是未知的。状态矢量(其具体包含高度和垂直速度)的初始条件因此按以下方式来修改，即通过选择初始化以下来修改：

-高度，大致为肩部的高度，即约为1.50m(通常为1到2m)及

-垂直速度，为正向上70cm/s(通常0到200cm/s)。

另一方面，状态估计器的垂直速度分量将由于关于该初始化的值的非常高的不确定性而变得非常不敏感。为了能够非常快速地通过传感器估计垂直速度(其初始值非常不确定)，估计初始速度的置信区间被建立在1000mm/s量级的值处(通常被建立在包括在100和2000mm/s之间的值处)。这允许该估计器根据两个US传感器144和气压计传感器146估计更快速地收敛，如此后将参考图7和8的示例示出的。

无人机随后准备好被抛投，在该先前阶段期间激活的自由落体检测器决定切换到以下步骤(步骤202)。

自由落体检测的目的在于检测无人机的抛投以便一旦用户已经释放来无人机就尽可能更快速地启动马达。

加速计110测量无人机在地球参考系中的加速度，而不测量在无人机的本地坐标系中表达的重力场加速：实际上，当无人机处于自由落体时，其重心的加速度仅等于向系统施加的力，即重力。这会通过测量到的零加速度而转移到加速计的信号上。

该检测的原理包括：确定加速度测量的模，以及如果该模在给定的最小时间期间小于给定阈值S则认为检测到自由落体。这个阈值例如被固定在S＝4m/s²，由于该传感器不在无人机的惯性中心处的事实，该阈值允许对传感器的偏差并对在无人机旋转时出现的非零加速度分量稳健。

图5是示出针对六次连续抛投L₁到L₆测量到的加速度的模的变化的计时图。在该图中也示出了重力加速度g以及自由落体条件的检测阈值S。

图6更加精确地示出了这些抛投之一的加速度模的变化。

在对应于用户向上抛投无人机的第一阶段，加速度向上增加到最大值M，该最大值在无人机离开用户的手时的时间达到。接着是自由落体FF阶段，其中测量到的加速度快速减小，并在检测到自由落体条件的时刻DET处下降到越过对应的阈值S。该自由落体继续，直到在MOT时刻(即几百毫秒之后)马达启动。加速度再次增加，因为无人机随后不再仅仅遭受重力，而且也遭受马达的推动无人机的上升力。

检测到自由落体不仅仅触发开启马达，也触发激活姿态和高度控制回路(步骤204)。将注意到，只要该开始是在马达关闭的情况下作出的，则使无人机配备电刷马达(而不是无刷电机)是有利的，因为电刷马达对打开有非常低的响应时间，通常约100ms。

本发明的特征在于，在紧随马达的启动之后的阶段中，高度控制利用等于在先估计到的前馈值的固定设定点的开环式控制，这允许确保四个马达以高度控制回路将能够关于其进行操作的平均设定点启动。高度控制的开环操作允许不会向马达命令传播高度估计器的调整效果。

关于姿态控制，该姿态控制以闭环操作，具有零微调且航向角等于当前航向。伺服控制本身已知，四元PID(比例积分微分器)伺服控制针对调整设定点(控制角和θ)以及控制器D针对航向，即该控制可以表达为：U_Ψ＝-K_P·Ψ，且后者是饱和的。

这个快速启动状态维持达预定延迟时间的持续时间，在马达的情况下，为响应时间的幅值量级，即约100ms。

在该快速开启之后(步骤204)，接下来的阶段(步骤206)是无人机的稳定化阶段，在该阶段，高度控制由现在处于闭环的PID伺服控制来确保，其中高度参考被固定到例如为1.50m。另一方面，姿态控制没有被修改，并且该姿态控制与此前已针对步骤204的快速启动阶段描述的姿态控制相同。

使无人机稳定的步骤206持续达确保无人机的稳定所需的时间。

当无人机的总角速度|Ω|小于预定阈值(例如90°/s)时，认为无人机足够稳定。

这个稳定化阶段的持续时间非常可变：如果无人机根据平直移动抛投，则该持续时间很短，而如果无人机根据自旋移动抛投，则该持续时间要长的多。

最终步骤(步骤208)是使悬飞足够稳定，使得控制可返回给用户，无人机随后在抛投开始后退出自动驾驶操作模式。

图7和8分别示出了在具有或者不具有对高度估计器的特定初始化的情况下的测试结果，从而允许将由无人机的超声波传感器(图3中的US传感器114)所测量的实际高度数据与无人机的稳定化阶段期间所产生的这些数据的估计进行比较。

图7对应于其中卡尔曼滤波器的未经修改的初始化情况，即无人机从地面抛投开始的常规初始化：零高度、零垂直速度和非常小的置信区间(为1mm/s的量级)。

这个附图中已示出：

-US传感器144测量到的高度(即高度估计器124必须收敛到的值)；

-高度估计值，诸如由卡尔曼滤波器142所产生的高度估计值；及

-恒定的高度参考，等于零。

利用这样的初始化参数，当无人机被用手(比如，在1m量级的高度处)抛投而不是从地面起飞时，从自由落体检测DET的时刻起，该高度由于用户施加的向上的脉冲而增加。接着是第一阶段I，在该第一阶段，估计是不相干的，即估计的高度减少并取负值，而实际上高度增加了。该不相干的估计阶段可持续达几百微秒(在所示示例中为约700ms)，直到估计的高度再次变为正值并增加(相干的估计阶段II)。因此，估计收敛到测量需要几百微秒，在该时段期间马达也将以不相干的模式受到控制，即这些马达将在错误方向上施加推力，并将趋向于将无人机推向地面，而不是使无人机从地面离开。

图8与图7相似，但是具有尤其适合于抛投开始的对卡尔曼滤波器的初始化，如上所述。

在该示例中，高度被初始化在1.50m(而不是零)处，而垂直速度被初始化在正向上的70cm/s处，(而不是零)。状态估计器的垂直速度分量也不是非常敏感，且有非常宽的置信区间，比如在本示例中被固定为1000mm/s(而不是1mm/s)处。

如可以看到的那样，从自由落体检测的时刻DET开始，高度的估计值非常快速地达到局部最大值ML，然后下降，使得不相干估计阶段I的持续时间急剧减小，达到与马达的反应时间相对应的100ms的量级。接着的阶段II是相干估计阶段，该阶段将允许估计器以较短的延迟收敛到如由超声波传感器测量到的实际高度。

Claims (7)

1.一种动态控制旋翼无人机(10)的方法，其中多个转子由相应的马达(18)通过应用不同的马达命令驱动以在姿态、高度和速度方面驾驶无人机，该方法是用于操作从初始状态到最终状态的转变的方法：

-在所述初始状态中，无人机使其马达被关闭，

-在所述最终状态中，所述无人机处于上升条件，且从所述最终状态开始，所述无人机可由用户驾驶，

所述无人机包括：

-加速计装置(110)，该加速计装置适于递送所述无人机的加速度值；

-陀螺仪装置(102)，所述陀螺仪装置适于递送所述无人机的角速度值；

-测高仪装置(124)，所述测高仪装置适于递送所述无人机的高度值；

-高度控制装置(132-138)，所述高度控制装置包括基于高度设定点操作的伺服控制回路；及

-姿态控制装置(104，106，112)，所述姿态控制装置包括基于姿态设定点操作的伺服控制回路，

所述方法包括以下步骤：

·从马达被关闭的初始状态将所述无人机抛投到空中；

·打开所述马达、激活所述高度控制装置和所述姿态控制装置；及

·在所述最终状态的上升条件下使所述稳定无人机，

所述方法的特征在于，

所述测高仪装置包括预测滤波估计器(142)，所述预测滤波估计器合并所述无人机的动态模型的表示并基于包含高度和水平速度变量的状态矢量操作，所述方法包括以下连续步骤：

a)初始化(202)所述预测滤波估计器；

b)由所述用户从所述马达被关闭的初始状态(LL)将所述无人机抛投到空中；

c)检测自由落体(FF)状态，使得无人机加速度的模(|γ|)在预定的最小持续时间内小于预定阈值；

d)在检测到所述自由落体状态之际，通过以下快速开启(204)：

·打开所述马达，

·开环激活所述高度控制装置，及

·闭环激活所述姿态控制装置；

e)随后，在至少等于所述马达对所述打开的响应时间的持续时间后，通过以下使所述无人机稳定(206)：

·闭环激活所述高度控制装置，及

·闭环激活所述姿态控制装置；

f)检测所述稳定状态，使得所述无人机的总角速度的模(|Ω|)小于预定阈值(S)；及

g)在检测到所述稳定状态之际，切换到所述最终状态(208)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始化所述预测滤波估计器的步骤a)包括用包括在1m到2m之间的高度变量来初始化所述状态矢量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始化所述预测滤波估计器的步骤a)包括用正向上且包括在0到200cm/s之间的垂直速度变量来初始化所述状态矢量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始化所述预测滤波估计器的步骤a)包括以包括在100mm/s到2000mm/s之间的值来初始化所述无人机的初始速度的置信区间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)，以开环激活的所述高度控制装置基于与所述高度估算器的初始状态相对应的固定高度设定点来操作。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)，以闭环激活的所述高度控制装置基于预定的固定高度设定点来操作。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)和e)，以闭环激活的所述姿态控制装置基于零微调设定点和与具有零角速度设定点的当前航向相对应的航向设定点来操作。