CN106225769B - 一种飞行器定高方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种飞行器定高方法和系统，通过传感器检测飞行器或无人机当前的气压和加速度数据；利用当前的气压数据计算高度变化，利用当前加速度数据计算高度变化；根据所述气压数据计算的高度变化对加速度数据计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算的高度中时间累积的影响，根据加速度数据计算的高度修正气流波动对气压计算高度变化的影响，将利用气压和加速度数据计算的高度变化进行相互校正获得飞行器高度数据进行融合；根据融合的数据确定飞行器的当前高度。本申请同时检测气压和加速度，利用气压和加速度各自计算高度变化，然后相互校正，从而得到精度高、稳定性好的定高方法。
Description
技术领域
本申请涉及一种飞行器定高方法和系统，特别涉及一种能够对误差校正的飞行器定高方法和系统。
背景技术
现有飞行器利用大气气压和海拔高度具有一定比例关系的原理，当飞行器所在高度发生变化时，气压也相应有一定变化，飞行器通过检测气压的变化来判断高度是否发生变化。这种单独依靠气压进行定高的方式会受到气压计检测精度、外界气流导致气压变化、外界温度导致气压变化等因素影响，存在定高精度有限、容易受外界影响等不足，为了让飞行器在空中能够达到近似静止的悬停效果，需要找到一种精度高、稳定性好的定高方法。
发明内容
为解决上述技术问题：本发明提出一种飞行器定高方法，应用于飞行器或无人机上，所述飞行器或无人机包括传感器，包括如下步骤：（1）通过传感器检测飞行器或无人机当前的气压和加速度数据；
（2）利用当前的气压数据计算高度变化，利用当前加速度数据计算高度变化；
（3）根据所述气压数据计算的高度变化对加速度数据计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算的高度中时间累积的影响，根据加速度数据计算的高度修正气流波动对气压计算高度变化的影响，将利用气压和加速度数据计算的高度变化进行相互校正获得飞行器高度数据进行融合；
（4）根据融合的数据确定飞行器的当前高度。
所述的飞行器定高方法，其中，所述步骤（1）具体包括如下步骤：利用加速度计检测加速度数据，检测出飞行器细小位移，提高定高精度，利用气压计检测所述飞行器的当前大气气压。
所述的飞行器定高方法，其中，所述步骤（3）具体包括如下步骤：
（301）通过气压修正加速度计算位移随时间累积产生的偏差；
（302）通过加速度修正气压计算高度因气流波动产生的偏差；
（303）通过气压和加速度融合计算得出飞行器的运动速度和位移；
（304）通过气压和加速度融合计算结果修正气压计和加速度计的温漂；
（305）根据飞行器状态动态融合加速度和角速度；
（306）根据飞行器状态动态融合气压和加速度；
(307）六面自动校正加速度计。
所述的飞行器定高方法，其中，所述步骤（302）具体包括如下步骤：当气压大幅度波动但加速度变化不明显时，此时对位移的计算以加速度为主要参考量，气压只是将新测量到的气压值作为目标值，逐步逼近，如果后面测量到的气压又恢复到原来值附近，目标值会变回原来值，让气压波动的影响变得非常小，如果新测量到的气压值一直维持大的变化，没有回复到原来值附近，气压结果就趋向新测量到的值，而且趋近速度会越来越快，保证良好的响应速度。
所述的飞行器定高方法，其中，所述步骤（303）具体包括如下步骤：
如果气压值恒定平稳，加速度值平均变化明显，对速度和位移的计算以气压值为主；
如果加速度平均值相对恒定，气压值变化明显，对速度和位移的计算以加速度值为主；
如果气压值恒定平稳，加速度平均值相对恒定，对速度和位移的计算长期以气压结果为准、瞬时以加速度结果为准，两者相互融合；
如果气压值和加速度值平均值变化均明显，当两者变化一致时认为飞机在运动，当两者不一致时认为传感器异常，进入保护状态，引入经验值辅助修正计算结果。
所述的飞行器定高方法，其中，所述步骤（304）具体包括如下步骤：根据加速度计算的速度和位移随着温升的在一个方向上快速变化，对加速度计的温漂进行修正，加速度计修正后的结果和气压结果进行融合，减小气压计温漂的影响。
一种飞行器定高系统，应用于飞行器或无人机上，所述飞行器或无人机包括传感器，该定高系统包括：获取模块，通过传感器检测飞行器或无人机当前的气压和加速度数据；计算模块，利用当前的气压数据计算高度变化，利用当前加速度数据计算高度变化；
处理模块，根据所述气压数据计算的高度变化对加速度数据计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算的高度中时间累积的影响，根据加速度数据计算的高度修正气流波动对气压计算高度变化的影响，将利用气压和加速度数据计算的高度变化进行相互校正获得飞行器高度数据进行融合；
定高模块，根据融合的数据确定飞行器的当前高度。
所述的飞行器定高系统，其中，所述传感器包括气压计和加速度计，所述加速度计检测加速度数据，检测出飞行器细小位移，提高定高精度，所述气压计检测所述飞行器的当前大气气压。
所述的飞行器定高系统，其中，所述处理模块包括：
加速度偏差修正模块，通过气压修正加速度计算位移随时间累积产生的偏差；
气压偏差修正模块，通过加速度修正气压计算高度因气流波动产生的偏差；
计算子模块，通过气压和加速度融合计算得出飞行器的运动速度和位移；
温漂修正模块，通过气压和加速度融合计算结果修正气压计和加速度计的温漂；
动态融合模块1，根据飞行器状态动态融合加速度和角速度；
动态融合模块2，根据飞行器状态动态融合气压和加速度；
校正模块，六面自动校正加速度计。
所述的飞行器定高系统，其中，还包括气压稳定判断模块、加速度恒定判断模块，所述气压稳定判断模块用于根据设定的上下阈值对气压稳定度进行判断，所述加速度恒定判断模块根据单位时间内加速度的波动范围判断加速度是否恒定，所述阈值和波动范围能够通过远程调控。
本申请通过同时检测气压和加速度，利用气压和加速度各自计算高度变化，然后相互校正，从而得到精度高、稳定性好的定高方法。根据大气气压相对独立，利用其计算高度变化存在的偏差和时间无关这一特性，对加速度计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算方法中时间累积的影响，根据加速度和外界气流无关这一特性，修正气流波动对气压计算高度变化的影响，从而得到精度高、稳定性好的定高方法，可以达到动态精度±1厘米/静态精度±20厘米的效果，随传感器技术发展精度可以进一步提高。
附图说明
图1为本申请定高方法的一种优选的示意图。
图2为本申请定高系统的一种优选的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，本发明提出一种飞行器定高方法，应用于飞行器或无人机上，所述飞行器或无人机包括传感器，包括如下步骤：（1）通过传感器检测飞行器或无人机当前的气压和加速度数据；
（2）利用当前的气压数据计算高度变化，利用当前加速度数据计算高度变化；
（3）根据所述气压数据计算的高度变化对加速度数据计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算的高度中时间累积的影响，根据加速度数据计算的高度修正气流波动对气压计算高度变化的影响，将利用气压和加速度数据计算的高度变化进行相互校正获得飞行器高度数据进行融合；
（4）根据融合的数据确定飞行器的当前高度。
所述的飞行器定高方法，其中，所述步骤（1）具体包括如下步骤：利用加速度计检测加速度数据，检测出飞行器细小位移，提高定高精度，利用气压计检测所述飞行器的当前大气气压。
所述的飞行器定高方法，其中，所述步骤（3）具体包括如下步骤：
（301）通过气压修正加速度计算位移随时间累积产生的偏差；实际应用中无人机通过加速度计测量得出的加速度一定会存在零点偏移，这个偏移值△a虽然很小，但根据公式v =v0t+at和s=vt+1/2at^2可知速度和距离会随时间累加，时间越长，其累加出来的偏差越大。
在计算无人机垂直方向位移距离时，气压和无人机加速度完全独立，气压的变化相对缓慢，此时我们假定气压恒定，这样只要测量到的气压没有发生变化，就认为无人机高度维持不变，对加速度计的零点做出修正，减小甚至消除零点偏移对位移计算造成的影响。
（302）通过加速度修正气压计算高度因气流波动产生的偏差；气压计在测量气压时受到风等外部因素影响时其测量值可能会发生明显变化，这种变化是突然而至的大幅度波动，当这种情况发生时，加速度计测量的加速度因为只和无人机自身的加速度相关，如果所受外力没有变化，就不会有明显改变，这样当出现气压有明显波动但加速度变化不明显时，就可以判断为气压受到外部影响不准，此时对位移的计算以加速度为主要参考量，气压只是将新测量到的气压值做为目标值，逐步逼近，如果后面测量到的气压又恢复到原来值附近，目标值会变回原来值，这样可以让气压波动的影响变得非常小，如果新测量到的气压值一直维持大的变化，没有回复到原来值附近，气压结果就会趋向新测量到的值，而且趋近速度会越来越快，保证良好的响应速度。
（303）通过气压和加速度融合计算得出飞行器的运动速度和位移；根据气压值和加速度值综合计算速度和位移。
如果气压值恒定平稳，加速度值平均变化明显，对速度和位移的计算以气压值为主。
如果加速度平均值相对恒定，气压值变化明显，对速度和位移的计算以加速度值为主。
如果气压值恒定平稳，加速度平均值相对恒定，对速度和位移的计算长期以气压结果为准、瞬时以加速度结果为准，两者相互融合。
如果气压值和加速度值平均值变化均明显，当两者变化一致时认为飞机在运动，当两者不一致时认为传感器异常，进入保护状态，引入经验值辅助修正计算结果。
（304）通过气压和加速度融合计算结果修正气压计和加速度计的温漂；根据加速度计算的速度和位移随着温升的在一个方向上快速变化，对加速度计的温漂进行修正，加速度计修正后的结果和气压结果进行融合，减小气压计温漂的影响。无人机工作时其内部会有一定温升，加速度计温漂会随温度的变化而迅速累加，表现为根据加速度计算的速度和位移会迅速往一个方向偏移，程序根据这个快速变化对加速度计的温漂进行修正，加速度计修正后的结果和气压结果进行融合，从而减小气压计温漂的影响。
（305）根据飞行器状态动态融合加速度和角速度；无人机是通过角速度的累加得到XYZ三个轴旋转角度，这样陀螺仪测量角速度的误差也会累加，时间越长，累加误差越大，利用重力加速度始终是垂直向下的特性，在无人机在水平角度不大、总体加速度接近重力加速度的条件下把重力加速度方向和角速度融合在一起计算飞行器姿态角，角速度大权重，重力加速度小权重。
（306）根据飞行器状态动态融合气压和加速度；气压不考虑外部气流影响在某一个时间段基本上是和高度成反比，高度越高，气压越低，无人机不能保证Z轴始终垂直向上，程序利用气压和水平位移无关这一特性，用气压判断无人机是不是有垂直位移，然后根据无人机的姿态角修正XYZ三轴的加速度计算位移的结果。
(307）六面自动校正加速度计。加速度计的XYZ三个轴无法做到绝对的90度正交，多少都会存在一定的偏差，加上无人机的结构装配也不能保证完全水平，这样对于XYZ三轴加速度的测量实际和理论并不完全一致，加上加速计的量化比例也存在一定误差，如果要保证测量精度，就需要对XYZ三轴的加速度测量进行校正，我们假定无人机是一个六面正方体，通过夹具将这六个面分别旋转到垂直向上方向，每个面测量XYZ三轴加速度，自动判断加速度的正反方向，再根据测量结果确定重力加速度在每个面上对XYZ三轴测量结果的比例系数，由这些比例系数计算出XYZ三轴综合加速度，提高系统精度。
如图2所示，为本申请的飞行器定高系统，应用于飞行器或无人机上，所述飞行器或无人机包括传感器，该定高系统包括：获取模块，通过传感器检测飞行器或无人机当前的气压和加速度数据；计算模块，利用当前的气压数据计算高度变化，利用当前加速度数据计算高度变化；
处理模块，根据所述气压数据计算的高度变化对加速度数据计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算的高度中时间累积的影响，根据加速度数据计算的高度修正气流波动对气压计算高度变化的影响，将利用气压和加速度数据计算的高度变化进行相互校正获得飞行器高度数据进行融合；
定高模块，根据融合的数据确定飞行器的当前高度。
所述的飞行器定高系统，其中，所述传感器包括气压计和加速度计，所述加速度计检测加速度数据，检测出飞行器细小位移，提高定高精度，所述气压计检测所述飞行器的当前大气气压。
所述获取模块连接计算模块，所述计算模块连接处理模块，所述处理模块连接定高模块，所述定高模块连接输出显示、通信模块，上述各模块连接供电电源。
所述的飞行器定高系统，其中，所述处理模块包括：
加速度偏差修正模块，通过气压修正加速度计算位移随时间累积产生的偏差；
气压偏差修正模块，通过加速度修正气压计算高度因气流波动产生的偏差；
计算子模块，通过气压和加速度融合计算得出飞行器的运动速度和位移；
温漂修正模块，通过气压和加速度融合计算结果修正气压计和加速度计的温漂；
动态融合模块1，根据飞行器状态动态融合加速度和角速度；
动态融合模块2，根据飞行器状态动态融合气压和加速度；
校正模块，六面自动校正加速度计。
所述的飞行器定高系统，其中，还包括气压稳定判断模块、加速度恒定判断模块，所述气压稳定判断模块用于根据设定的上下阈值对气压稳定度进行判断，所述加速度恒定判断模块根据单位时间内加速度的波动范围判断加速度是否恒定，所述阈值和波动范围能够通过远程调控。
本申请通过同时检测气压和加速度，利用气压和加速度各自计算高度变化，然后相互校正，从而得到精度高、稳定性好的定高方法。通过测量气压变化得到高度变化的方法受气压计精度影响目前只能达到5～8厘米的分辨力，加上量化误差和气流波动的影响，现在只能达到±30～50厘米的精度。通过测量加速度在根据公式v=at、s=vt得到位置变化的方法可以提供非常小数值的分辨力，但是公式中时间具有累积效果，时间越长，误差累积会放大。
根据大气气压相对独立，利用其计算高度变化存在的偏差和时间无关这一特性，对加速度计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算方法中时间累积的影响，根据加速度和外界气流无关这一特性，修正气流波动对气压计算高度变化的影响，从而得到精度高、稳定性好的定高方法，现阶段可以达到动态精度±1厘米/静态精度±20厘米的效果，后面随传感器技术发展精度可以进一步提高。
Claims (5)
1.一种飞行器定高方法，应用于飞行器上，所述飞行器包括传感器，其特征在于，包括如下步骤：（1）通过传感器检测飞行器当前的气压和加速度数据；
（2）利用当前的气压数据计算高度变化，利用当前加速度数据计算高度变化；
（3）根据所述气压数据计算的高度变化对加速度数据计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算的高度中时间累积的影响，根据加速度数据计算的高度修正气流波动对气压计算高度变化的影响，将利用气压和加速度数据计算的高度变化进行相互校正获得飞行器高度数据进行融合；
所述步骤（3）具体包括如下步骤：
（301）通过气压修正加速度计算位移随时间累积产生的偏差；
（302）通过加速度修正气压计算高度因气流波动产生的偏差；
（303）通过气压和加速度融合计算得出飞行器的运动速度和位移；
（304）通过气压和加速度融合计算结果修正气压计和加速度计的温漂；
（305）根据飞行器状态动态融合加速度和角速度；
（306）根据飞行器状态动态融合气压和加速度；
(307）六面自动校正加速度计；
（4）根据融合的数据确定飞行器的当前高度；
所述步骤（302）具体包括如下步骤：当气压大幅度波动但加速度变化不明显时，此时对位移的计算以加速度为主要参考量，气压只是将新测量到的气压值作为目标值，逐步逼近，如果后面测量到的气压又恢复到原来值附近，目标值会变回原来值，让气压波动的影响变得非常小，如果新测量到的气压值一直维持大的变化，没有回复到原来值附近，气压结果就趋向新测量到的值，而且趋近速度会越来越快，保证良好的响应速度；所述步骤（303）具体包括如下步骤：
如果气压值恒定平稳，加速度值平均变化明显，对速度和位移的计算以气压值为主；
如果加速度平均值相对恒定，气压值变化明显，对速度和位移的计算以加速度值为主；
如果气压值恒定平稳，加速度平均值相对恒定，对速度和位移的计算长期以气压结果为准、瞬时以加速度结果为准，两者相互融合；
如果气压值和加速度值平均值变化均明显，当两者变化一致时认为飞行器在运动，当两者不一致时认为传感器异常，进入保护状态，引入经验值辅助修正计算结果；所述步骤（304）具体包括如下步骤：根据加速度计算的速度和位移随着温升的在一个方向上快速变化，对加速度计的温漂进行修正，加速度计修正后的结果和气压结果进行融合，减小气压计温漂的影响。
2.如权利要求1所述的飞行器定高方法，其特征在于：所述步骤（1）具体包括如下步骤：利用加速度计检测加速度数据，检测出飞行器细小位移，提高定高精度，利用气压计检测所述飞行器的当前大气气压。
3.一种飞行器定高系统，应用于飞行器上，所述飞行器包括传感器，其特征在于：该定高系统包括：
获取模块，通过传感器检测飞行器当前的气压和加速度数据；
计算模块，利用当前的气压数据计算高度变化，利用当前加速度数据计算高度变化；
处理模块，根据所述气压数据计算的高度变化对加速度数据计算得出的位移大小进行修正，修正加速度计算的高度中时间累积的影响，根据加速度数据计算的高度修正气流波动对气压计算高度变化的影响，将利用气压和加速度数据计算的高度变化进行相互校正获得飞行器高度数据进行融合；
所述处理模块包括：
加速度偏差修正模块，通过气压修正加速度计算位移随时间累积产生的偏差；
气压偏差修正模块，通过加速度修正气压计算高度因气流波动产生的偏差；
计算子模块，通过气压和加速度融合计算得出飞行器的运动速度和位移；
温漂修正模块，通过气压和加速度融合计算结果修正气压计和加速度计的温漂；
动态融合模块1，根据飞行器状态动态融合加速度和角速度；
动态融合模块2，根据飞行器状态动态融合气压和加速度；
校正模块，六面自动校正加速度计；
定高模块，根据融合的数据确定飞行器的当前高度。
4.如权利要求3所述的飞行器定高系统，其特征在于：所述传感器包括气压计和加速度计，所述加速度计检测加速度数据，检测出飞行器细小位移，提高定高精度，所述气压计检测所述飞行器的当前大气气压。
5.如权利要求3所述的飞行器定高系统，其特征在于：还包括气压稳定判断模块、加速度恒定判断模块，所述气压稳定判断模块用于根据设定的上下阈值对气压稳定度进行判断，所述加速度恒定判断模块根据单位时间内加速度的波动范围判断加速度是否恒定，所述阈值和波动范围能够通过远程调控。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |