CN107505949A - 一种无人机飞行控制方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机飞行控制方法及系统，地面端与无人机无线连接，包括如下步骤：地面端通过第一通信模块将微调指令发送至所述无人机；所述无人机上的第二通信模块接收所述微调指令并传送至无人机飞行控制模块；所述无人机飞行控制模块接收所述微调指令并控制无人机调整到微调指令下对应的目标状态。本发明所提供的无人机飞行控制方法及系统，操作方便，能够精准地控制无人机达至所需飞行高度和最大飞行速度，尤其适用于测绘、巡检等精确度比较高的行业，同时有利于实现植保农业中的精准喷洒控制。

Description

一种无人机飞行控制方法以及系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机飞行控制方法以及系统。

背景技术

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。随着无人机行业的迅速发展，越来越多的无人机被应用到农业、林业、电力、测绘、遥测等行业。

在实际飞行中，通常需要采用手动模式，即飞手操控遥控器上的左右两个摇杆来控制无人机的高度、速度和航向，由于手动模式主要依赖于飞手的个人操作，打杆程度直接影响遥控器的输入信号，从而影响油门大小，难以准确调整无人机的飞行高度和速度，容易造成误操作。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种无人机飞行控制方法以及系统，提高了操作的便捷性，有利于操作者准确控制无人机调整到目标飞行状态。

为了达到上述技术效果，本发明包括以下技术方案：

一种无人机飞行控制方法，地面端与无人机无线连接，包括如下步骤：

(1)地面端通过第一通信模块将微调指令发送至所述无人机；

(2)所述无人机上的第二通信模块接收所述微调指令并传送至无人机飞行控制模块；

(3)所述无人机飞行控制模块接收所述微调指令并控制无人机调整到微调指令下对应的目标状态。

作为本发明的进一步改进，所述微调指令为飞行高度微调指令。

作为本发明的进一步改进，所述飞行控制模块根据地面端发送的飞行高度微调指令获得无人机的期望飞行高度，并采用PID 控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望飞行高度。

作为本发明的进一步改进，所述采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望飞行高度具体包括：

a、根据期望飞行高度、当前飞行高度确定飞行高度偏差值；

b、将所述飞行高度偏差值输入至PID控制器，以使所述PID 控制器根据所述飞行高度偏差值进行PID控制运算，将无人机的飞行高度调整到所述期望飞行高度。

本发明的进一步改进，所述步骤b中将当前飞行高度与期望飞行高度的偏差值作为高度PID控制器的输入量，根据当前速度与高度PID控制器的差值输入速度PID控制器，根据当前加速度与速度PID控制器的差值输入加速度PID控制器，加速度PID控制器输出控制电机，直至无人机达到期望飞行高度。

作为本发明的进一步改进，所述微调控制指令为最大飞行速度微调指令。

作为本发明的进一步改进，所述飞行控制模块根据所述最大飞行速度微调指令将预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度。

作为本发明的进一步改进，所述无人机由预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度，并控制无人机在该期望最大飞行速度下飞行的方法为：

所述飞行控制模块根据地面端发送的最大飞行速度微调指令获得无人机的期望最大飞行速度，并采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望最大飞行速度。

作为本发明的进一步改进，所述采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望最大飞行速度具体包括：

a、根据期望最大飞行速度、当前飞行速度确定飞行速度偏差值；

b、将所述飞行速度偏差值输入至PID控制器，以使所述PID 控制器根据所述飞行速度偏差值进行PID控制运算，将无人机的飞行速度调整到所述期望最大飞行速度。

作为本发明的进一步改进，所述步骤b中将当前飞行速度与期望最大飞行速度的偏差值作为速度PID控制器的输入量，根据当前角度与速度PID控制器的差值输入角度PID控制器，根据当前角速度与角度PID控制器的差值输入角速度PID控制器，角速度PID控制器输出控制电机，直至无人机达到期望最大飞行速度。

作为本发明的进一步改进，所述采用PID控制算法对无人机进行控制的过程中通过姿态传感器实时获取无人机的飞行参数。

另外，本发明还提供了一种无人机飞行控制系统，包括遥控器和安装在无人机上的飞行控制器，所述遥控器与飞行控制器无线通信；

所述遥控器包括：用于设定微调指令的设定模块、用于处理微调指令的控制模块以及用于发送微调指令的第一通信模块；

所述飞行控制器包括：姿态传感器、飞行控制模块以及第二通信模块；所述姿态传感器用于获取无人机的姿态信息；所述飞行控制模块用于接收操作指令和姿态传感器的数据，并通过PID 控制算法控制无人机飞行；所述第二通信模块用于接收第一通信模块发送的操作指令并发送至飞行控制模块；

所述飞行控制模块内包括计算模块、处理模块和速度限幅模块；所述计算模块用于根据所述飞行高度微调指令获得期望飞行高度；所述速度限幅模块用于限制无人机飞行速度不超过预设的最大飞行速度。

作为本发明的进一步改进，所述微调指令为飞行高度微调指令和最大飞行速度微调指令；所述设定模块为遥控器上的微调按键或旋钮。

采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明所提供的无人机飞行控制方法及系统，操作方便，能够精准地控制无人机达至所需飞行高度和最大飞行速度，尤其适用于测绘、巡检等精确度比较高的行业，同时有利于实现植保农业中的精准喷洒控制。

附图说明

图1为本发明所提供无人机飞行控制方法的流程框图；

图2为本发明实施例2所提供无人机飞行高度控制方法的流程框图；

图3为本发明实施例2所提供无人机飞行高度PID控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例3所提供无人机飞行速度控制方法的流程框图；

图5为本发明实施例3所提供无人机飞行速度PID控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

无人机的操控模式包括手动模式，即通过飞手操控遥控器上的左右两个摇杆来控制无人机，在无人机飞行过程中，如果需要调节其飞行高度，只能由飞手缓慢推动摇杆，整个过程主要依赖于飞手的个人操作，打杆程度直接影响遥控器的输入信号，飞手难以准确操控摇杆，从而使得无人机的飞行高度难以准确调整，增加了飞手的操作难度，容易造成误操作。

基于上述背景，参阅图1和2，本实施例提供了一种无人机飞行高度控制方法，地面端与无人机无线连接，包括如下步骤：

S101、地面端通过第一通信模块将飞行高度微调指令发送至所述无人机；

S102、所述无人机上的第二通信模块接收所述飞行高度微调指令并传送至无人机飞行控制模块；

S103、所述无人机飞行控制模块接收所述飞行高度微调指令并控制无人机调整到该飞行高度微调指令下对应的期望飞行高度。

具体地，地面端为遥控器或地面站，地面端为遥控器时，所述飞行高度微调指令通过用户操作设于遥控器上的微调按钮，该微调按钮可以包括上调按钮和下调按钮，用户每操作一次微调按钮，无人机在当前飞行高度基础上上升或下降预设的微调固定高度，例如，预设的微调固定高度为1米，无人机当前飞行高度为 10米，当用户按压一次上调按钮，给出向上微调1米的飞行高度微调指令，无人机飞行控制模块控制无人机将飞行高度上调至11米，并以该高度飞行。

多旋翼无人机的姿态可以通过调节旋翼的转速实现，从而使得无人机完成俯仰、横滚、偏航以及升降运动，本实施例中，对无人机飞行高度的调节即控制无人机升降运动，具体地，通过保持各旋翼电机转速相同使得无人机保持平稳，然后同时提升或降低各电机转速，即能实现无人机在垂直方向上的位移，即升降运动。

在本实施例中，采用PID控制算法对无人机飞行高度进行控制，所述飞行控制模块根据地面端发送的飞行高度微调指令获得无人机的期望飞行高度，并采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望飞行高度。

实施例2：

现有采用PID控制方法调整无人机飞行高度的控制回路延迟较大，难以适应实时调整无人机飞行高度性的控制需求，本实施例在实施例1的基础上，提供了一种实现精准微调且实时调整无人机飞行高度的方法，

既能够增加控制回路的实时性，又能够进行高度微调，便于更精准地定位至所需高度位置。

参阅图3，在本实施例中所述采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望飞行高度具体包括：

S113、根据期望飞行高度、当前飞行高度确定飞行高度偏差值；

S123、将所述飞行高度偏差值输入至PID控制器，以使所述 PID控制器根据所述飞行高度偏差值进行PID控制运算，将无人机的飞行高度调整到所述期望飞行高度。

具体地，飞行控制模块内设有计算模块，可以根据给出的飞行高度微调指令计算出期望飞行高度值，并与当前飞行高度值相减，得到高度偏差值，以使PID控制器根据高度偏差值进行PID 控制运算并输出控制量，将无人机的飞行高度调整到期望飞行高度。

在本实施例中，采用PID控制算法对无人机进行控制的过程中通过姿态传感器实时获取无人机的飞行参数。无人机当前高度可通过分析处理GPS、超声波传感器、视觉传感器等传感器获得的数据所得。

所述步骤b中将当前飞行高度与期望飞行高度的偏差值作为高度PID控制器的输入量，根据当前速度与高度PID控制器的差值输入速度PID控制器，根据当前加速度与速度PID控制器的差值输入加速度PID控制器，加速度PID控制器输出控制电机，直至无人机达到期望飞行高度。

只需通过三轴加速度计获取无人机三轴加速度、通过测距传感器获取无人机相对高度，就可实现对无人机的高度调节，同时，通过滤波融合对测量数据进行辅助校正，得到更加准确的测量数据，更准确地控制无人机高度，本实施例提供的控制回路不仅提高了实时性，而且提高了系统的抗干扰性。

可以采用互补滤波器或卡尔曼滤波器对测量数据进行融合，本实施例中采用互补滤波器，具体为：采用雷达或超声波获取无人机的测量高度h；采用存储历史数据和求平均值的方式对测量高度进行预处理；通过三轴加速度计获取无人机对象坐标系下的三轴加速度，结合无人机的姿态角信息进行坐标系变换，获得大地参考系下的垂直加速度a；通过互补滤波器将获取的测量高度h与加速度计获取的垂直加速度a进行数据融合滤波，从而获取无人机相对地面的实时相对高度H。

其中，采用互补滤波器进行融合的步骤为：通过积分算法对垂直加速度a进行积分获得高度信息h₁，加速度积分公式为：

测量高度h与加速度计获取的高度信息h₁进行融合，从而获取无人机的实时相对高度H，融合公式为：

采用本实施例PID算法进行高度控制的方法如下：将H_r、H_f和 a输送给PID控制器，控制器控制输出C_s＝f(H_r,H_f,a)，其中H_r为高度指令，a为垂直加速度，f(·)为控制函数。

实施例3：

无人机的操控模式包括手动模式，即通过飞手操控遥控器上的左右两个摇杆来控制无人机，在无人机飞行过程中，如果需要调节其飞行速度，只能由飞手缓慢推动油门，以控制电机转速，从而控制无人机飞行速度，整个过程主要依赖于飞手的个人操作，打杆程度直接影响遥控器的输入信号，从而影响油门大小，飞手难以准确操控摇杆，从而使得无人机的飞行速度难以准确调整，增加了飞手的操作难度，容易造成误操作。

基于上述背景，参阅图4，本实施例提供了一种无人机飞行速度控制方法，地面端与无人机无线连接，包括如下步骤：

S201、地面端通过第一通信模块将最大飞行速度微调指令发送至所述无人机；

S202、所述无人机上的第二通信模块接收所述最大飞行速度微调指令并传送至无人机飞行控制模块；

S203、所述无人机飞行控制模块接收所述最大飞行速度微调指令并控制无人机将预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度。

具体地，地面端为遥控器或地面站，地面端为遥控器时，所述最大飞行速度微调指令通过用户操作设于遥控器上的微调按钮，该微调按钮可以包括速度上调按钮和速度下调按钮，用户每操作一次微调按钮，无人机在预设的最大飞行速度值基础上上升或下降预设的微调固定值，

例如，预设的微调固定值为0.5米/秒，无人机当前最大飞行速度为1米/秒，当用户按压一次上调按钮，给出向上微调0.5米/ 秒的飞行速度微调指令，无人机飞行控制模块将预设的最大飞行速度上调至1.5米/秒。

所述飞行控制模块根据所述最大飞行速度微调指令将预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度。

在本实施例中，所述无人机由预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度，并控制无人机在该期望最大飞行速度下飞行的方法为：

采用PID控制算法对无人机飞行速度进行控制，所述飞行控制模块根据地面端发送的最大飞行速度微调指令获得无人机的期望最大飞行速度，并采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望最大飞行速度。

参阅图5，在本实施例中，所述采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望最大飞行速度具体包括：

a、根据期望最大飞行速度、当前飞行速度确定飞行速度偏差值；

b、将所述飞行速度偏差值输入至PID控制器，以使所述PID 控制器根据所述飞行速度偏差值进行PID控制运算，将无人机的飞行速度调整到所述期望最大飞行速度。

作为本发明的进一步改进，所述步骤b中将当前飞行速度与期望最大飞行速度的偏差值作为速度PID控制器的输入量，根据当前角度与速度PID控制器的差值输入角度PID控制器，根据当前角速度与角度PID控制器的差值输入角速度PID控制器，角速度PID控制器输出控制电机，直至无人机达到期望最大飞行速度。

速度PID控制后得到期望线加速度，线加速度与姿态角度有对应关系，成为目标角度，目标角度与当前角度进行误差控制，进一步进行角速度控制，得到最终控制输出。

本实施例中，只需要获得无人机当前速度、角度以及三轴角速度，就可以实现对无人机的速度控制，使得无人机在微调后的期望最大飞行速度下飞行；其中，所述采用PID控制算法对无人机进行控制的过程中通过姿态传感器实时获取无人机的飞行参数、角度和三轴角速度，无人机速度可通过分析处理GPS、视觉传感器等传感器获得的数据所得，。

实施例4：

在上述实施例的基础上，本发明还提供了一种无人机飞行控制系统，包括遥控器和安装在无人机上的飞行控制器，所述遥控器与飞行控制器无线通信；

所述遥控器包括：用于设定微调指令的设定模块、用于处理微调指令的控制模块以及用于发送微调指令的第一通信模块；

所述飞行控制器包括：姿态传感器、飞行控制模块以及第二通信模块；所述姿态传感器用于获取无人机的姿态信息；所述飞行控制模块用于接收操作指令和姿态传感器的数据，并通过PID 控制算法控制无人机飞行；所述第二通信模块用于接收第一通信模块发送的操作指令并发送至飞行控制模块；所述飞行控制模块内包括计算模块、处理模块和速度限幅模块；所述计算模块用于根据遥控器所发送的飞行高度微调指令获得期望飞行高度；所述速度限幅模块用于根据遥控器所发送的最大飞行速度微调指令将预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度，以限制无人机飞行速度。

在本实施例中，所述微调指令为飞行高度微调指令和最大飞行速度微调指令；所述设定模块为遥控器上的微调按键或旋钮。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机飞行控制方法，地面端与无人机无线连接，其特征在于，包括如下步骤：

（1）地面端通过第一通信模块将微调指令发送至所述无人机；

（2）所述无人机上的第二通信模块接收所述微调指令并传送至无人机飞行控制模块；

（3）所述无人机飞行控制模块接收所述微调指令并控制无人机调整到微调指令下对应的目标状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微调指令为飞行高度微调指令；所述飞行控制模块根据地面端发送的飞行高度微调指令获得无人机的期望飞行高度，并采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望飞行高度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望飞行高度具体包括：

a、根据期望飞行高度、当前飞行高度确定飞行高度偏差值；

b、将所述飞行高度偏差值输入至PID控制器，以使所述PID控制器根据所述飞行高度偏差值进行PID控制运算，将无人机的飞行高度调整到所述期望飞行高度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤b中将当前飞行高度与期望飞行高度的偏差值作为高度PID控制器的输入量，根据当前速度与高度PID控制器的差值输入速度PID控制器，根据当前加速度与速度PID控制器的差值输入加速度PID控制器，加速度PID控制器输出控制电机，直至无人机达到期望飞行高度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微调控制指令为最大飞行速度微调指令；所述飞行控制模块根据所述最大飞行速度微调指令将预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述无人机由预设的最大飞行速度调整为期望最大飞行速度，并控制无人机在该期望最大飞行速度下飞行的方法为：

所述飞行控制模块根据地面端发送的最大飞行速度微调指令获得无人机的期望最大飞行速度，并采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望最大飞行速度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述采用PID控制算法对无人机进行控制，直至所述无人机达到期望最大飞行速度具体包括：

a、根据期望最大飞行速度、当前飞行速度确定飞行速度偏差值；

b、将所述飞行速度偏差值输入至PID控制器，以使所述PID控制器根据所述飞行速度偏差值进行PID控制运算，将无人机的飞行速度调整到所述期望最大飞行速度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤b中将当前飞行速度与期望最大飞行速度的偏差值作为速度PID控制器的输入量，根据当前角度与速度PID控制器的差值输入角度PID控制器，根据当前角速度与角度PID控制器的差值输入角速度PID控制器，角速度PID控制器输出控制电机，直至无人机达到期望最大飞行速度。

9.一种无人机飞行控制系统，其特征在于，包括遥控器和安装在无人机上的飞行控制器，所述遥控器与飞行控制器无线通信；

所述遥控器包括：用于设定微调指令的设定模块、用于处理微调指令的控制模块以及用于发送微调指令的第一通信模块；

所述飞行控制器包括：姿态传感器、飞行控制模块以及第二通信模

块；所述姿态传感器用于获取无人机的姿态信息；所述飞行控制模块用于接收操作指令和姿态传感器的数据，并通过PID控制算法控制无人机飞行；所述第二通信模块用于接收第一通信模块发送的操作指令并发送至飞行控制模块；

所述飞行控制模块内包括计算模块、处理模块和速度限幅模块；

所述计算模块用于根据所述飞行高度微调指令获得期望飞行高度；所述速度限幅模块用于限制无人机飞行速度不超过预设的最大飞行速度。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述微调指令为飞行高度微调指令和最大飞行速度微调指令；所述设定模块为遥控器上的微调按键或旋钮。