CN107065901B - 一种旋翼无人机姿态控制方法、装置及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋翼无人机姿态控制方法、装置及旋翼无人机，涉及无人机技术领域，其中的方法包括：基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数；根据需要调整的目标姿态角度、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；向PID控制器输入姿态角偏差值，以使PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算。本发明的控制方法、装置及无人机，增益调整值可以随着无人机的速度、角度等参数的变化而改变，通过增益调整值能够动态调节PID控制器的比例、积分和微分单元的控制系数，可以提高无人机姿态调整以及飞行的稳定性，并且能够提高飞行的安全系数、提高用户体验。

Description

一种旋翼无人机姿态控制方法、装置及无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种旋翼无人机姿态控制方法、装置及旋翼无人机。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。操控者利用遥控终端的控制杆调节旋翼无人机的俯仰角、滚转角姿态以及旋翼的倾斜角度，使无人机获得加速度，也可以通过调节旋翼无人机的旋翼的角度，使得旋翼无人机在俯仰或滚转姿态不变的情况下实现纵向和横侧向飞行。目前，在对旋翼无人机的姿态进行控制时，旋翼无人机的姿态控制回路计算期望的姿态角与通过航姿参考系统解算得到的无人机的姿态角的差值，将此差值作为地面坐标系下姿态角偏差，并经过比例控制器得到地面坐标系下期望的姿态调整角速率，采用此姿态调整角速率调整姿态角度。

目前，旋翼无人机姿态控制通常为PID控制器采用比例-积分-微分控制方法，或者称为PID控制方法调整姿态角度。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成，PID控制算法的原理如图1所示，PID控制算法为

u_t为控制输出量，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e_t姿态角偏差值。如图2所示，PID控制器对旋翼无人机的姿态角度

(滚转或者俯仰)进行控制，控制目标是使得旋翼无人机能够调整到目标姿态角度。PID控制器为通用的控制器，没有考虑旋翼飞行器的动力学特征，在某些情况下会使得无人机出现高度突然增高等现象。例如，当旋翼无人机前向加速、然后突然减速刹车时，高度将会上升，高度升上的主要原因是角度控制器的感度增益没有及时地根据飞机在前进和刹车两个状态下螺旋桨效率不同而改变。在PID控制器进行控制的过程中出现的无人机高度产生剧烈变化等现象，影响了无人机的可靠性和稳定性，并且降低了用户体验。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种旋翼无人机姿态控制方法、装置及旋翼无人机。

根据本发明的一个方面，提供一种旋翼无人机姿态控制方法，包括：基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数；根据需要调整的目标姿态角度、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；向所述PID控制器输入所述姿态角偏差值，以使所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度。

可选地，所述基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数包括：实时获取所述飞行空速并确定所述飞行攻角；基于所述飞行空速和所述飞行攻角确定所述桨盘气流速度；根据所述基于飞行空速、飞行攻角以及所述桨盘气流速度确定增益调整值；通过所述增益调整值调整所述控制系数。

可选地，所述根据所述增益调整系数调整所述控制系数包括：将预设的控制系数与所述增益调整值相乘，获得当前进行PID控制运算的控制系数；其中，所述控制系数为比例系数、微分系数和积分系数中的一个或多个。

可选地，确定所述飞行攻角

α＝ar cos(cosφ*cosθ)；

其中，φ为无人机当前的俯仰角，θ为无人机当前的滚转角。

可选地，所述基于所述飞行空速和所述飞行攻角确定所述桨盘气流速度包括：确定对于所述桨盘气流速度的函数关系

基于所述函数关系求解出所述桨盘气流速度；其中，υ_i为所述桨盘气流速度，υ_∞为所述飞行空速，υ_h为无人机在悬停状态下的桨盘气流速度。

可选地，根据所述基于飞行空速、飞行攻角以及所述桨盘气流速度确定增益调整值包括：确定所述增益调整值

可选地，所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算的控制运算公式为：

其中，u_t为控制输出量，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e_t所述姿态角偏差值。

根据本发明的另一方面，提供一种旋翼无人机姿态控制装置，包括：控制参数调整模块，用于基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数；姿态数据获取模块，用于根据需要调整的目标姿态角度、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；姿态角度控制模块，用于向所述PID控制器输入所述姿态角偏差值，以使所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度。

可选地，所述控制参数调整模块，包括：增益计算单元，用于实时获取所述飞行空速并确定所述飞行攻角，基于所述飞行空速和所述飞行攻角确定所述桨盘气流速度；根据所述基于飞行空速、飞行攻角以及所述桨盘气流速度确定增益调整值；参数设置单元，用于通过所述增益调整值调整所述控制系数。

可选地，所述参数设置单元，还用于将预设的控制系数与所述增益调整值相乘，获得当前进行PID控制运算的控制系数；其中，所述控制系数为比例系数、微分系数和积分系数中的一个或多个。

可选地，所述增益计算单元，用于确定所述飞行攻角α＝ar cos(cosφ*cosθ)；其中，φ为无人机当前的俯仰角，θ为无人机当前的滚转角。

可选地，所述增益计算单元，用于确定对于所述桨盘气流速度的函数关系

基于所述函数关系求解出所述桨盘气流速度；

其中，υ_i为所述桨盘气流速度，υ_∞为所述飞行空速，υ_h为无人机在悬停状态下的桨盘气流速度。

可选地，所述增益计算单元，还用于确定所述增益调整值

可选地，所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算的控制运算公式为：

其中，u_t为控制输出量，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e_t所述姿态角偏差值。

根据本发明的又一方面，提供一种旋翼无人机，包括：如上所述的旋翼无人机姿态控制装置。

根据本发明的再一方面，提供一种旋翼无人机姿态控制装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如上所述的无人机姿态控制方法。

本发明的旋翼无人机姿态控制方法、装置及旋翼无人机，设置用于调整PID控制运算的控制系数的增益调整值，增益调整值可以随着无人机的速度、角度等参数的变化而改变，通过增益调整值能够动态调节PID控制器的比例、积分和微分单元的控制系数，可以提高无人机姿态调整以及飞行的稳定性。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中PID控制算法的原理示意图；

图2为现有技术中的姿态角度的示意图；

图3为根据本发明的旋翼无人机姿态控制方法的一个实施例的流程示意图；

图4A为通过高斯牛顿法获取桨盘气流速度υ_i的示意图；

图4B为根据本发明的旋翼无人机姿态控制方法的一个实施例中的PID控制算法的原理示意图；

图5为根据本发明的旋翼无人机姿态控制装置的一个实施例的模块示意图；

图6为根据本发明的旋翼无人机姿态控制装置的一个实施例中的控制参数调整模块的模块示意图；

图7为根据本发明的旋翼无人机姿态控制装置的另一个实施例的模块示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。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。下面结合各个图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。

图3为根据本发明的旋翼无人机姿态控制方法的一个实施例的流程示意图，如图3所示：

步骤301，基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数。

本发明涉及旋翼无人机，在下文中简称为无人机。飞行空速为无人机在飞行中相对于空气的速度,飞行功角为处于自旋中的旋翼相对气流的攻角。桨盘，又作桨盘平面，一般指旋翼类飞行器在飞行时旋转着的旋翼桨叶所构成的平面，桨盘气流速度是指流过桨盘的气流速度。

步骤302，根据需要调整的目标姿态角度、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值。

目标姿态角度与实际姿态角度为三通道的姿态角，即俯仰角度、偏航角度、滚转角度中的一个或多个。无人机的实际姿态角度可以通过分析处理加速度计、陀螺仪以及磁罗盘等传感器采集的数据获得，无人机的位置、速度可以通过分析处理GPS、超声波传感器、视觉传感器等传感器获得的数据获得。

在航姿参考系统的坐标系中，可以获取无人机在X轴、Y轴与Z轴的俯仰角度、偏航角度、滚转角度的姿态角偏差。需要调整的目标姿态角度，为根据遥控器操作杆的输入按比例得到的期望姿态角或由无人机的期望位置计算得到的目标姿态角度，实际姿态角度为无人机当前的姿态角度。本发明不限制航姿参考系统的坐标系的设置方式。

步骤103，向PID控制器输入姿态角偏差值，以使PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角度。

在无人机的飞行过程中，PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算并输出控制量。可以设置对多种参数进行控制的PID控制器，PID控制器输出控制量到被控设备，被控设备根据控制量可以控制无人机的姿态角度调整，通过调整俯仰角、偏航角和滚转角，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角度，以使得无人机符合当前需要执行的飞行动作。

可以采用多种方法基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数。例如，实时获取飞行空速并确定飞行攻角，基于飞行空速和飞行攻角确定桨盘气流速度，根据基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度确定增益调整值，通过增益调整值调整控制系数。可以将预设的控制系数与增益调整值相乘，获得当前进行PID控制运算的控制系数，控制系数可以为比例系数、微分系数和积分系数中的一个或多个。

在一个实施例中，飞行空速υ_∞可以由导航算法得出，υ_h为悬停状态下的浆盘气流速度，可以由无人机机身重量和桨盘的功率给出，也通过实验获得。α为当前的飞行攻角，可以由姿态估计算法得出，当俯仰角为φ并且滚转角为θ的时候(无风的状态下)，确定飞行攻角为：α＝ar cos(cosφ*cosθ)，其中，φ为无人机当前的俯仰角，θ为无人机当前的滚转角。

确定对于桨盘气流速度的函数关系

基于函数关系可以求解出桨盘气流速度。υ_i为桨盘气流速度，υ_∞为飞行空速，υ_h为无人机在悬停状态下的桨盘气流速度。通过求解函数关系得到υ_i可以利用常用的数值迭代方法，例如高斯牛顿法等。

下面是通过高斯牛顿法获得υ_i值的示例，首先定义函数：

其中参数

c=υ_∞sinα。

方程

等价为f(υ_i)＝0。

选定初υ_i(0)值，通过高斯牛顿法求根的步骤如下：

1.规定一个误差容许值∈＞0。

2.计算迭代步骤υ_i(k+1)＝υ_i(k)-λf(υ_i)/f′(υ_i)；f′(υ_i)表示的是函数f对于自变量υ_i的导数，可以求出解析解。λ＞0,为可调参数，表示解的收敛速度。

3.如果||v_i(k+1)-v_i(k)||≤∈，则计算结束，得到υ_i值。如果||vi(k+1)-vi(k)||＞∈，则设置k＝k+1,继续执行上述的步骤2，直至获取υ_i值。

计算桨盘升力

P为发动机功率。

基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度确定增益调整值为：

例如，获得飞行空速υ_∞为10m/s，通过计算得到飞行攻角α为20度,通过实验获得无人机在悬停状态下的桨盘气流速度υ_h＝6m/s，通过对于桨盘气流速度的函数关系计算得到当前的桨盘气流速度υ_i＝0.35m/s,最后计算得到增益调整值K＝0.63。

如图4A所示，当初值取为υ_i(0)＝0时，采用前述高斯牛顿法求解υ_i，随着迭代次数增加逐渐逼近其真实解υ_i＝0.35。由此，

中υ_i的解可以有效率地算出，从而K也可以即时得出，从而可以方便地在PID控制器算法的计算单元中实现。

PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算的控制运算的原理如图4B所示，PID控制运算的控制运算公式为：

u_t为控制输出量，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e_t姿态角偏差值。例如，可以设置对于俯仰角度、偏航角度、滚转角度进行控制的PID控制器，分别对俯仰角度、偏航角度、滚转角度的姿态进行控制。

上述实施例提供的无人机姿态控制方法，设置用于调整PID控制运算的控制系数的增益调整值，增益调整值可以随着无人机的速度、角度等参数的变化而改变，通过增益调整值能够动态调节PID控制器的比例、积分和微分单元的控制系数，可以提高无人机姿态调整以及飞行的稳定性，例如当无人机突然减速且改变攻角时，增益调整值做出相应改变并调整PID控制运算的控制系数，可以避免飞行高度产生激烈变化等。

在一个实施例中，如图5所示，本发明提供一种旋翼无人机姿态控制装置50，包括：控制参数调整模块51、姿态数据获取模块52和姿态角度控制模块53。控制参数调整模块51基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数。姿态数据获取模块52根据需要调整的目标姿态角度、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值。姿态角度控制模块53向PID控制器输入姿态角偏差值，以使PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角度。

如图6所示，控制参数调整模块51包括：增益计算单元511和参数设置单元512。增益计算单元511实时获取飞行空速并确定飞行攻角，基于飞行空速和飞行攻角确定桨盘气流速度；根据基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度确定增益调整值。参数设置单元512通过增益调整值调整控制系数。

参数设置单元512将预设的控制系数与增益调整值相乘，获得当前进行PID控制运算的控制系数，控制系数包括：比例系数、微分系数和积分系数。

增益计算单元511确定飞行攻角α＝ar cos(cosφ*cosθ)，φ为无人机当前的俯仰角，θ为无人机当前的滚转角。增益计算单元511确定对于桨盘气流速度的函数关系

基于函数关系求解出桨盘气流速度，υ_i为桨盘气流速度，υ_∞为飞行空速，υ_h为无人机在悬停状态下的桨盘气流速度。

增益计算单元511确定增益调整值

则PID控制器根据姿态角偏差值进行PID控制运算的控制运算公式为：

u_t为控制输出量，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e_t姿态角偏差值。

在一个实施例中，本发明提供一种旋翼无人机，包括：如上的旋翼无人机姿态控制装置。

图7为根据本发明的旋翼无人机姿态控制装置的另一个实施例的模块示意图。如图7所示，该装置可包括存储器71、处理器72、通信接口73以及总线74。存储器71用于存储指令，处理器72耦合到存储器71，处理器72被配置为基于存储器71存储的指令执行实现上述的无人机姿态控制方法。

存储器71可以为高速RAM存储器、非易失性存储器(non-volatile memory)等，存储器71也可以是存储器阵列。存储器71还可能被分块，并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。处理器72可以为中央处理器CPU，或专用集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明的无人机姿态控制方法的一个或多个集成电路。

上述实施例提供的旋翼无人机姿态控制方法、装置及旋翼无人机，设置用于调节PID控制运算的控制系数的增益调整值，增益调整值可以随着无人机的速度、角度等参数的变化而改变，通过增益调整值能够动态调节PID控制器的比例、积分和微分单元的控制系数，可以提高无人机姿态调整以及飞行的稳定性，例如当无人机突然减速且改变攻角时，增益调整值做出相应改变并调整PID控制运算的控制系数，避免飞行高度产生激烈变化等，并且能够提高飞行的安全系数、提高用户体验。

可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (16)

1.一种旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，包括：

基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数；

根据需要调整的目标姿态角度、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；

向所述PID控制器输入所述姿态角偏差值，以使所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数包括：

实时获取所述飞行空速并确定所述飞行攻角；

基于所述飞行空速和所述飞行攻角确定所述桨盘气流速度；

根据所述基于飞行空速、飞行攻角以及所述桨盘气流速度确定增益调整值；

通过所述增益调整值调整所述控制系数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述增益调整系数调整所述控制系数包括：

将预设的控制系数与所述增益调整值相乘，获得当前进行PID控制运算的控制系数；

其中，所述控制系数为比例系数、微分系数和积分系数中的一个或多个。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述飞行攻角

α＝arcos(cosφ*cosθ)；

其中，φ为无人机当前的俯仰角，θ为无人机当前的滚转角。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述飞行空速和所述飞行攻角确定所述桨盘气流速度包括：

确定对于所述桨盘气流速度的函数关系

基于所述函数关系求解出所述桨盘气流速度；

其中，υ_i为所述桨盘气流速度，υ_∞为所述飞行空速，υ_h为无人机在悬停状态下的桨盘气流速度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述基于飞行空速、飞行攻角以及所述桨盘气流速度确定增益调整值包括：

确定所述增益调整值

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算的控制运算公式为：

其中，u_t为控制输出量，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e_t所述姿态角偏差值。

8.一种旋翼无人机姿态控制装置，其特征在于，包括：

控制参数调整模块，用于基于飞行空速、飞行攻角以及桨盘气流速度动态调整PID控制器进行PID控制运算的控制系数；

姿态数据获取模块，用于根据需要调整的目标姿态角度、当前的实际姿态角度确定姿态角偏差值；

姿态角度控制模块，用于向所述PID控制器输入所述姿态角偏差值，以使所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算，将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述控制参数调整模块，包括：

增益计算单元，用于实时获取所述飞行空速并确定所述飞行攻角，基于所述飞行空速和所述飞行攻角确定所述桨盘气流速度；根据所述基于飞行空速、飞行攻角以及所述桨盘气流速度确定增益调整值；

参数设置单元，用于通过所述增益调整值调整所述控制系数。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，

所述参数设置单元，还用于将预设的控制系数与所述增益调整值相乘，获得当前进行PID控制运算的控制系数；

其中，所述控制系数为比例系数、微分系数和积分系数中的一个或多个。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，

所述增益计算单元，用于确定所述飞行攻角

α＝arcos(cosφ*cosθ)；

其中，φ为无人机当前的俯仰角，θ为无人机当前的滚转角。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，

所述增益计算单元，用于确定对于所述桨盘气流速度的函数关系

基于所述函数关系求解出所述桨盘气流速度；

其中，υ_i为所述桨盘气流速度，υ_∞为所述飞行空速，υ_h为无人机在悬停状态下的桨盘气流速度。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，

所述增益计算单元，还用于确定所述增益调整值

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述PID控制器根据所述姿态角偏差值进行PID控制运算的控制运算公式为：

其中，u_t为控制输出量，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e_t所述姿态角偏差值。

15.一种旋翼无人机，其特征在于，包括：

如权利要求8至14任一项所述的无人机姿态控制装置。

16.一种旋翼无人机姿态控制装置，其特征在于，包括：

存储器；以及

耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1至7中任一项所述的无人机姿态控制方法。

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