CN105573331B - 一种控制多旋翼飞行器翻转的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制多旋翼飞行器翻转的方法及装置，接收遥控器发送的翻转指令；在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为‑180度至+180度；获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；计算与所述目标角速度对应的翻转动力；采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。通过上述方法，能够实现姿态角与多旋翼飞行器姿态的唯一对应，从而可为多旋翼飞行器翻转的整个过程提供逐级变化的翻转动力，完成了多旋翼飞行器平滑稳定翻转。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器控制技术领域，更具体的说，是涉及一种控制多旋翼飞行器翻转的方法及装置。
背景技术
四旋翼飞行器主要由MCU(Microcontroller Unit、微控制单元)、传感器、机架及四路电机构成，MCU采集传感器数据通过四旋翼飞行器姿态算法来控制四路电机，实现四旋翼飞行器的姿态调整。具体的，结合角速度目标值以及四旋翼飞行器翻转过程中的姿态角进行PID运算来实现飞行器的姿态调整。
目前，四旋翼飞行器翻转过程中的姿态角主要是将六轴陀螺仪数据(三轴角速度和三轴加速度)通过梯度补偿运算得到四元数，再将四元数转化而成的，通过上述方式能够获取-90°到+90°的姿态角。
基于上述方式，当四旋翼飞行器翻转一周时，相同的姿态角将对应四旋翼飞行器的两种对称姿态，为了区分出这两种对称姿态，需要在四旋翼飞行器上增设其它传感器，这无疑会增加四旋翼飞行器的硬件成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种控制多旋翼飞行器翻转的方法及装置，以克服现有技术中由于获取的姿态角为-90°到+90°而导致的四旋翼飞行器需要增设其它传感器以区分相同的姿态角对应的两种对称姿态而造成的硬件成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种控制多旋翼飞行器翻转的方法，所述方法包括：
接收遥控器发送的翻转指令；
在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；
检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；
获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；
计算与所述目标角速度对应的翻转动力；
采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；
当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
优选的，在所述接收遥控器发送的翻转指令之后，所述方法还包括：
控制所述多旋翼飞行器上升到与所述翻转指令对应的预设高度并获得预设的上升初速度；
优选的，所述检测所述多旋翼飞行器的姿态角，具体包括：
获取由传感器检测的六轴陀螺仪数据；
将所述六轴陀螺仪数据进行梯度补偿运算获得四元数Q＝【q0，q1，q2，q3】，其中，q0表示所述四元数的实部，q1，q2，q3表示所述四元数的虚部，q1体现出多旋翼飞行器在俯仰方向pitch上的旋转量，q2体现出多旋翼飞行器在横滚方向roll上的旋转量，q3体现出多旋翼飞行器在偏航方向yaw上的旋转量；
将所述四元数转化为姿态角pitch+、roll+和yaw+，所述姿态角pitch+、roll+和yaw+的取值范围为﹣180°～+180°。
优选的，所述控制所述多旋翼飞行器自主回稳具体包括：
采用串级PID控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
优选的，所述控制所述多旋翼飞行器自主回稳还包括：
对所述多旋翼飞行器进行翻转抑制。
一种控制多旋翼飞行器翻转的装置，所述装置包括：
接收单元，用于接收遥控器发送的翻转指令；
翻转控制单元，用于在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；
检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；
获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；
计算与所述目标角速度对应的翻转动力；
采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；
自主回稳控制单元，用于当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
优选的，所述装置还包括：
上升控制单元，用于在所述接收遥控器发送的翻转指令之后，控制所述多旋翼飞行器上升到与所述翻转指令对应的预设高度并获得预设的上升初速度；
优选的，翻转控制单元具体用于：
获取由传感器检测的六轴陀螺仪数据；
将所述六轴陀螺仪数据进行梯度补偿运算获得四元数Q＝【q0，q1，q2，q3】，其中，q0表示所述四元数的实部，q1，q2，q3表示所述四元数的虚部，q1体现出多旋翼飞行器在俯仰方向pitch上的旋转量，q2体现出多旋翼飞行器在横滚方向roll上的旋转量，q3体现出多旋翼飞行器在偏航方向yaw上的旋转量；
将所述四元数转化为姿态角pitch+、roll+和yaw+，所述姿态角pitch+、roll+和yaw+的取值范围为﹣180°～+180°。
优选的，所述自主回稳控制单元具体用于：
采用串级PID控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
优选的，所述自主回稳控制单元还具体用于：
对所述多旋翼飞行器进行翻转抑制。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种控制多旋翼飞行器翻转的方法及装置，接收遥控器发送的翻转指令；在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；计算与所述目标角速度对应的翻转动力；采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。通过上述方法，能够实现姿态角与多旋翼飞行器姿态的唯一对应，从而可为多旋翼飞行器翻转的整个过程提供逐级变化的翻转动力，完成了多旋翼飞行器平滑稳定翻转。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种控制多旋翼飞行器翻转的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例公开的一种多旋翼飞行器姿态角示意图；
图3为本发明实施例公开的一种多旋翼飞行器向前翻转时不同的姿态角与目标角速度的对应关系示意图；
图4为本发明实施例公开的一种串级PID算法示意图；
图5为本发明实施例公开的一种控制多旋翼飞行器翻转的装置的结构示意图；
图6为本发明实施例公开的另一种控制多旋翼飞行器翻转的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。
由背景技术可知，现有技术中，由于获取的姿态角为-90°到+90°而导致的四旋翼飞行器需要增设其它传感器以区分相同的姿态角对应的两种对称姿态而造成的硬件成本较高。
为此，本发明公开了一种控制多旋翼飞行器翻转的方法及装置，接收遥控器发送的翻转指令；在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；计算与所述目标角速度对应的翻转动力；采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。通过上述方法，能够实现姿态角与多旋翼飞行器姿态的唯一对应，从而可为多旋翼飞行器翻转的整个过程提供逐级变化的翻转动力，完成了多旋翼飞行器平滑稳定翻转。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参阅附图1，为本发明实施例公开的一种控制多旋翼飞行器翻转的方法的流程示意图，在本实施例中，所述多旋翼飞行器具体可以为四旋翼飞行器，也可以为其它多旋翼飞行器。该方法具体包括如下步骤：
S101，接收遥控器发送的翻转指令。
具体的，可以通过先按下遥控器方向键，再方向键打舵产生翻转指令。
S102，检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；
具体的，本实施例通过如下方式检测所述多旋翼飞行器的姿态角。
获取由传感器检测的六轴陀螺仪数据；
将所述六轴陀螺仪数据进行梯度补偿运算获得四元数Q＝【q0，q1，q2，q3】，其中，q0表示所述四元数的实部，q1，q2，q3表示所述四元数的虚部，q1体现出多旋翼飞行器在俯仰方向pitch上的旋转量，q2体现出多旋翼飞行器在横滚方向roll上的旋转量，q3体现出多旋翼飞行器在偏航方向yaw上的旋转量；以四旋翼飞行器为例，俯仰方向pitch、横滚方向roll以及偏航方向yaw具体如图2所示。
将所述四元数转化为姿态角pitch+、roll+和yaw+，所述姿态角pitch+、roll+和yaw+的取值范围为﹣180°～+180°。
S103，判断所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件，当不满足时，则执行步骤S104～S106后返回执行S102，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止，当满足时，则执行步骤S107。
S104，获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；
在本实施例中，预设不同的姿态角对应不同的目标角速度，本实施例中给出了一种多旋翼飞行器向前翻转时不同的姿态角与目标角速度的对应关系示意图，具体如图3所示。
S105，计算与所述目标角速度对应的翻转动力；
S106，采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；
S107，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
具体的，本实施例中，可以采用串级PID控制所述多旋翼飞行器自主回稳，串级PID算法具体如图4所示。
本实施例公开了一种控制多旋翼飞行器翻转的方法，接收遥控器发送的翻转指令；在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；计算与所述目标角速度对应的翻转动力；采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。通过上述方法，能够实现姿态角与多旋翼飞行器姿态的唯一对应，从而可为多旋翼飞行器翻转的整个过程提供逐级变化的翻转动力，完成了多旋翼飞行器平滑稳定翻转。
在上述本发明公开的实施例的基础上，需要说明的是，为实现多旋翼飞行器安全稳定翻转，多旋翼飞行器在执行翻转过程之前，即在接收遥控器发送的翻转指令后，还要控制多旋翼飞行器上升到与所述翻转指令对应的预设高度，该上升过程具体可以是一定时间的加速上升，经过该上升过程后，可为多旋翼飞行器的后续翻转过程提供合适的高度，并获得预设的上升初速度。
进一步需要说明的是，为了实现多旋翼飞行器能够迅速自主回稳，在所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，在采用串级PID控制所述多旋翼飞行器自主回稳的同时还可以对所述多旋翼飞行器进行翻转抑制，具体的，可通过给定预设时间的翻转反方向转动目标值来抑制惯性翻转。
本发明实施例提供的控制多旋翼飞行器翻转的方法，实现了全角度扩展姿态角算法以及分级翻转控制方法，降低了多旋翼飞行器翻转对控制器MCU的性能要求，降低了翻转算法的复杂度，提高了翻转角度判断的准确性，有效提高多旋翼飞行器翻转的灵活性和飞行的平稳性。
上述本发明公开的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置实现，因此本发明还公开了一种控制多旋翼飞行器翻转的装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。
请参阅附图5，为本发明实施例公开的一种控制多旋翼飞行器翻转的装置的结构示意图，该装置具体包括如下单元：
接收单元11，用于接收遥控器发送的翻转指令；
翻转控制单元12，用于在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；
检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；
获取与所述当前的姿态角相对应的目标角速度；
计算与所述目标角速度对应的翻转动力；
采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；
自主回稳控制单元13，用于当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
请参阅附图6，所述装置还包括：
上升控制单元14，用于在所述接收遥控器发送的翻转指令之后，控制所述多旋翼飞行器上升到与所述翻转指令对应的预设高度并获得预设的上升初速度；
优选的，翻转控制单元12具体用于：
获取由传感器检测的六轴陀螺仪数据；
将所述六轴陀螺仪数据进行梯度补偿运算获得四元数Q＝【q0，q1，q2，q3】，其中，q0表示所述四元数的实部，q1，q2，q3表示所述四元数的虚部，q1体现出多旋翼飞行器在俯仰方向pitch上的旋转量，q2体现出多旋翼飞行器在横滚方向roll上的旋转量，q3体现出多旋翼飞行器在偏航方向yaw上的旋转量；
将所述四元数转化为姿态角pitch+、roll+和yaw+，所述姿态角pitch+、roll+和yaw+的取值范围为﹣180°～+180°。
优选的，所述自主回稳控制单元13具体用于：
采用串级PID控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
优选的，所述自主回稳控制单元13还具体用于：
对所述多旋翼飞行器进行翻转抑制。
需要说明的是，上述各个单元的具体功能实现已在方法实施例中详细说明，本实施例不再赘述。
综上所述：
本发明实施例提供的控制多旋翼飞行器翻转的方法及装置，实现了全角度扩展姿态角算法以及分级翻转控制方法，降低了多旋翼飞行器翻转对控制器MCU的性能要求，降低了翻转算法的复杂度，提高了翻转角度判断的准确性，有效提高多旋翼飞行器翻转的灵活性和飞行的平稳性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种控制多旋翼飞行器翻转的方法，其特征在于，所述方法包括：
接收遥控器发送的翻转指令；
在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；
检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；
根据预设的姿态角与目标角速度的对应关系获取与当前的姿态角相对应的目标角速度；
计算与所述目标角速度对应的翻转动力；
采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；
当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述接收遥控器发送的翻转指令之后，所述方法还包括：
控制所述多旋翼飞行器上升到与所述翻转指令对应的预设高度并获得预设的上升初速度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述检测所述多旋翼飞行器的姿态角，具体包括：
获取由传感器检测的六轴陀螺仪数据；
将所述六轴陀螺仪数据进行梯度补偿运算获得四元数Q＝【q0，q1，q2，q3】，其中，q0表示所述四元数的实部，q1，q2，q3表示所述四元数的虚部；
根据公式
将所述四元数转化为姿态角pitch+、roll+和yaw+，所述姿态角pitch+、roll+和yaw+的取值范围为﹣180°～+180°。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述多旋翼飞行器自主回稳具体包括：
采用串级PID控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制所述多旋翼飞行器自主回稳还包括：
对所述多旋翼飞行器进行翻转抑制。
6.一种控制多旋翼飞行器翻转的装置，其特征在于，所述装置包括：
接收单元，用于接收遥控器发送的翻转指令；
翻转控制单元，用于在多旋翼飞行器翻转过程中，循环执行如下步骤，直至所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件为止；
检测所述多旋翼飞行器的姿态角，所述姿态角的取值范围为-180度至+180度；
根据预设的姿态角与目标角速度的对应关系获取与当前的姿态角相对应的目标角速度；
计算与所述目标角速度对应的翻转动力；
采用所述翻转动力控制多旋翼飞行器翻转；
自主回稳控制单元，用于当所述多旋翼飞行器的姿态角满足预设的翻转停止条件时，控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
上升控制单元，用于在所述接收遥控器发送的翻转指令之后，控制所述多旋翼飞行器上升到与所述翻转指令对应的预设高度并获得预设的上升初速度。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，翻转控制单元具体用于：
获取由传感器检测的六轴陀螺仪数据；
将所述六轴陀螺仪数据进行梯度补偿运算获得四元数Q＝【q0，q1，q2，q3】，其中，q0表示所述四元数的实部，q1，q2，q3表示所述四元数的虚部；
根据公式
将所述四元数转化为姿态角pitch+、roll+和yaw+，所述姿态角pitch+、roll+和yaw+的取值范围为﹣180°～+180°。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述自主回稳控制单元具体用于：
采用串级PID控制所述多旋翼飞行器自主回稳。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述自主回稳控制单元还具体用于：
对所述多旋翼飞行器进行翻转抑制。
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