CN107728629B - 无人机磁异常检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机磁异常检测系统及方法，其中的方法包括：获得无人机的期望航向角、无人机当前的三轴磁数据和无人机当前水平姿态信息；根据三轴磁数据和水平姿态信息计算磁航向角；根据磁航向角与期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整无人机的飞行模式。其可监测无人机磁干扰情况和提升无人机飞行的安全性。

Description

无人机磁异常检测系统及方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及无人机磁异常检测系统及方法。
背景技术
多旋翼无人机的控制方法很多时候都是根据位置需求按照一定的控制算法分解得到各个电机的转速。当然，各个电机的转速产生的拉力合成出相应的总升力以及三个轴的转动力矩与期望的总拉力以及三个轴期望的转动力矩对应，其中转动力矩是用于调整姿态，在姿态调整稳定后，总拉力提供飞行动力。
然而，在位置控制模式中，位置需求一般是针对地理坐标系的，而需要控制的电机则是在体坐标系下，这就涉及到了地理坐标系到体坐标系的信息转换问题，且一般都是通过姿态矩阵完成。当航向角正确时，地理坐标系下的位置信息转换到体坐标系下的电机控制信息就正确无误，因为姿态矩阵正确。但是当遇到磁干扰时，上述转换过程就会出错，其原因是信息转换需要用到的姿态矩阵中的航向信息来源于磁罗盘的错误航向角。
磁罗盘的错误航向角会导致错误的姿态矩阵，接着导致电机转速分配出错，实际姿态与预期姿态不一致，进一步导致飞行路线偏离正确的路线，最终可能导致炸机。
因此，对于多旋翼植保无人机，需要对其磁干扰情况进行实时监控，避免炸机。
国内已公开的涉及磁干扰识别相近的文献[郝振海，杨新勇，黄圣国.基于差分磁罗盘的动态干扰识别技术[J].西南交通大学学报，2010年6月:445-450.]，为解决城市交通中低频动态磁场对磁罗盘的干扰问题，设计了基于差分磁罗盘和速率陀螺的组合航向系统.其基本原理是，当差分磁罗盘检测出动态低频干扰时,系统切换至陀螺工作方式。将磁场强度误差及其变化率、差分磁罗盘相对航向差及其变化率作为特征参数，提出了基于阈值判断-模糊c-均值分类的两级差分磁罗盘动态罗差识别技术。文献的缺点在于：如果两个磁罗盘受到的干扰几乎一样，则效果将大打折扣。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个目的是要提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的无人机磁异常检测系统及方法。
本发明一个进一步的目的是监测无人机磁干扰情况和提升无人机飞行的安全性。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种无人机磁异常检测方法，包括：
获得无人机的期望航向角、无人机当前的三轴磁数据和无人机当前水平姿态信息；
根据三轴磁数据和水平姿态信息计算磁航向角；
根据磁航向角与期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整无人机的飞行模式。
可选地，根据三轴磁数据和水平姿态信息计算磁航向角的步骤包括：
根据水平姿态信息计算姿态转换矩阵；
根据姿态转换矩阵和三轴磁测量数据计算地理坐标系下的三轴磁分量数据；
根据三轴磁分量数据计算磁航向角。
可选地，根据磁航向角与期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整无人机的飞行模式的步骤包括：
若差值大于预设差值阈值，偏差次数累加一次，若差值小于或等于预设差值阈值，偏差次数清零；
若连续偏差次数大于预设连续偏差次数阈值，则输出磁异常报警信息，调整无人机的飞行模式为定高模式。
可选地，检测方法还包括：
获取无人机的期望航线数据和无人机实际飞行的定位位置数据；
根据期望航线数据与定位位置数据调整无人机的飞行模式。
可选地，根据期望航线数据与三维定位数据调整无人机的飞行模式的步骤包括：
实时计算无人机的定位位置与期望航线的三维空间距离；
若三维空间距离大于预设距离阈值，输出磁异常报警信息，调整无人机的飞行模式为定高模式。
根据本发明另一个方面，还提供了一种无人机磁异常检测系统，包括：
期望航向角测定单元，配置为测量无人机的期望航向角；
磁罗盘，配置为测量无人机的三轴磁数据；
姿态信息测量装置，配置为测量无人机的水平姿态信息；
计算单元，配置为根据三轴磁数据和水平姿态信息计算磁航向角；
第一控制单元，配置为根据磁航向角与期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整无人机的飞行模式。
可选地，计算单元还配置为：
根据水平姿态信息计算姿态转换矩阵；
根据姿态转换矩阵和三轴磁数据计算地理坐标系下的三轴磁分量数据；
根据三轴磁分量数据计算磁航向角。
可选地，第一控制单元还配置为：
若差值大于预设差值阈值，偏差次数累加一次，若差值小于或等于预设差值阈值，偏差次数清零；
若连续偏差次数大于预设连续偏差次数阈值，则输出磁异常报警信息，调整无人机的飞行模式为定高模式。
可选地，检测系统还包括：
期望航线设定单元，配置为设定无人机的期望航线数据；
飞行定位单元，配置为测量无人机实际飞行的定位位置数据；
第二控制单元，配置为根据期望航线数据与定位位置数据调整无人机的飞行模式。
可选地，第二控制单元还配置为：
实时计算无人机的定位位置与期望航线的三维空间距离；
若三维空间距离大于预设距离阈值，输出磁异常报警信息，调整无人机的飞行模式为定高模式。
本发明的无人机磁异常检测方法，利用磁航向偏差可以很快预警出磁异常，然后迅速切换到定高模式，避免炸机，提高无人机飞行的安全性。
进一步地，本发明的无人机磁异常检测方法中，利用航迹偏差可以准确地预警出磁异常，然后迅速切换到定高模式，进一步增加了磁异常判断的可靠性，降低磁异常检测的虚警概率，提高无人机飞行的安全性。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的无人机磁异常检测系统的示意性结构图；
图2是根据本发明一个实施例的无人机磁异常检测方法的示意性结构图；
图3是根据本发明另一个实施例的无人机磁异常检测方法的示意性结构图；
图4是本发明示例性表示的无人机的航线图；以及
图5是根据本发明一个实施例的无人机磁异常检测方法的流程图。
具体实施方式
本实施例首先提供了一种无人机磁异常检测系统，图1是根据本发明一个实施例的无人机磁异常检测系统的示意性结构图。
参见图1，无人机磁异常检测系统100一般性地可包括期望航向角测定单元110、磁罗盘120和姿态信息测量装置130。
期望航向角测定单元110配置为测量无人机的期望航向角。在位置模式下期望的航向角等于无人机当前实际航向角，其目的是保持航向不变，即机头指向不变。磁罗盘120配置为测量无人机的三轴磁数据，磁罗盘120测量的三轴磁数据为机体坐标系下的三维矢量。姿态信息测量装置130配置为测量无人机当前的水平姿态信息，水平姿态信息包括俯仰角θ和滚转角γ。
特别地，无人机磁异常检测系统100还包括计算单元140和第一控制单元150。计算单元140配置为根据测量的无人机的三轴磁数据和无人机的水平姿态信息计算无人机的磁航向角。第一控制单元150配置为根据所计算的磁航向角与期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整无人机的飞行模式。
具体地，计算单元140还配置为首先根据水平姿态信息计算姿态转换矩阵，然后根据计算的姿态转换矩阵和测量的三轴磁数据计算地理坐标系下的三轴磁分量数据，再根据三轴磁分量数据计算磁航向角。
第一控制单元150还配置为若磁航向角与期望航向角的差值大于预设差值阈值，偏差次数累加一次，若磁航向角与期望航向角的差值小于或等于预设差值阈值，将偏差次数清零，当连续偏差次数大于预设连续偏差次数阈值，则输出磁异常报警信息，并调整无人机的飞行模式为定高模式。
在本实施例的一些可选实施例中，检测系统还可包括期望航线设定单元160、飞行定位单元170和第二控制单元180。
期望航线设定单元160配置为设定无人机的期望航线数据。例如无人机在进行平行线方式的AB点模式时，期望的航线数据实际上就是AiBi，其中航线Ai-1Bi-1与航线AiBi平行。飞行定位单元170配置为测量无人机实际飞行的定位位置数据。例如通过GPS等方式获得无人机实际飞行的当前三维定位数据。第二控制单元180配置为根据期望航线数据与定位位置数据调整无人机的飞行模式。
具体地，第二控制单元180配置为实时计算无人机的定位位置与期望航线的三维空间距离，若三维空间距离大于预设距离阈值，则输出磁异常报警信息，并调整无人机的飞行模式为定高模式。
以下结合本实施例的无人机磁异常检测系统100方法，对上述实施例的无人机磁异常检测系统100进行进一步说明，本实施例的无人机磁异常检测方法可以由上述介绍的无人机磁异常检测系统100执行。
图2是根据本发明一个实施例的无人机磁异常检测方法的示意图。参见图2，该检测方法一般性地可以包括：
步骤S202，获得无人机的期望航向角、无人机当前的三轴磁数据和无人机当前水平姿态信息。
三轴磁数据为机体坐标系下的三维矢量：Tb＝[Mx My Mz]T。
步骤S204，根据三轴磁数据和水平姿态信息计算磁航向角。
步骤S206，根据磁航向角与期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整无人机的飞行模式。
其中，步骤S204，根据三轴磁数据和水平姿态信息计算磁航向角的步骤具体包括：
根据水平姿态信息计算姿态转换矩阵。水平姿态信息为俯仰角θ、滚转角γ。姿态转换矩阵为
Figure BDA0001411844780000051
Figure BDA0001411844780000052
根据姿态转换矩阵和三轴磁测量数据计算地理坐标系下的三轴磁分量数据Tn＝[Hx Hy Hz]T。
Figure BDA0001411844780000053
其中，
Figure BDA0001411844780000061
根据地理坐标系下的三轴磁分量数据计算磁航向角。
Figure BDA0001411844780000062
根据磁航向角与期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整无人机的飞行模式的步骤包括：
设定一个预设差值阈值，当磁航向角与期望航向角的差值大于预设差值阈值，偏差次数累加一次，当磁航向角与期望航向角的差值小于或等于预设差值阈值时，偏差次数清零。
当连续偏差次数大于预设连续偏差次数阈值，输出磁异常报警信息，调整无人机的飞行模式为定高模式。
例如，当连续偏差次数大于3次时，输出磁异常报警信息，在输出磁异常报警信息后，切换无人机的飞行模式为定高模式，避免无人机因受到磁场影响，导致飞行路线偏离正确的路线，避免炸机，提升无人机飞行的安全性。
图3是本发明另一实施例的无人机磁异常检测方法，图4示例性地表示的无人机的航线图。
如图3，本实施例的无人机磁异常检测方法，还可包括：
步骤S302，获取无人机的期望航线数据和无人机实际飞行的定位位置数据。
如图4所示，无人机在进行平行线方式的AB点模式时，期望的航线数据实际上就是AiBi，其中航线Ai-1Bi-1与航线AiBi平行。通过GPS等方式获得无人机实际飞行的当前三维定位数据。无人机实际飞行的三维定位数据为：C＝[Cx Cy Cz]T。
步骤S304，根据期望航线数据与定位位置数据调整无人机的飞行模式。
其中，根据期望航线数据与定位位置数据调整无人机的飞行模式的步骤具体包括：
实时计算无人机的定位位置与期望航线的三维空间距离d。d的计算公式如下：
Figure BDA0001411844780000063
无人机当前的位置C点与航线向量
Figure BDA0001411844780000071
的三维空间距离d的计算过程是先利用叉乘求出三角形ΔCAiBi面积，然后利用等面积法以及向量
Figure BDA0001411844780000072
的模值求出d。
其中，C＝[Cx Cy Cz]T表示当前三维定位数据，Ai，Bi分别表示航向上两个事先设定的端点。C-Ai表示向量
Figure BDA0001411844780000073
Bi-Ai表示向量
Figure BDA0001411844780000074
(C-Ai)×(Bi-Ai)表示向量
Figure BDA0001411844780000075
与向量
Figure BDA0001411844780000076
进行叉乘，|(C-Ai)×(Bi-Ai)|表示向量
Figure BDA0001411844780000077
与向量
Figure BDA0001411844780000078
进行叉乘之后的向量取模值，大小为三角形ΔCAiBi面积的2倍，|Bi-Ai|表示向量
Figure BDA0001411844780000079
的模值。
若三维空间距离大于预设距离阈值，输出磁异常报警信息，调整无人机的飞行模式为定高模式。
首先设定一个三维空间距离的预设距离阈值，若计算的无人机的定位位置与期望航线的三维空间距离大于预设距离阈值时，输出异常报警信息，在输出异常报警信息后，及时将无人机的飞行模式调整为定高模式。
图5是本实施例的无人机磁异常检测方法的示例性流程图。
参见图5，无人机磁异常检测方法包括：
步骤S502，计算磁航向角与期望航向角的差值，得到磁航向偏差，并计算无人机的定位位置与期望航线的三维空间距离，得到航迹偏差；
步骤S504，比较磁航向偏差与预设差值阈值，并比较航迹偏差与预设距离阈值；
步骤S506，若磁航向偏差大于预设差值阈值，磁航向偏差累计计数+1，若航迹偏差大于预设距离阈值，则执行步骤S512；
步骤S508，若磁航向偏差小于预设差值阈值，磁航向偏差累计计数清零；
步骤S510，判断磁航向偏差累计计数是否大于3，则执行步骤S512；
步骤S512，输出磁异常报警信息，并将无人机的飞行模式调整为定高模式。
本实施例的无人机磁异常检测方法，利用磁航向偏差可以很快预警出磁异常，然后迅速切换到定高模式，避免炸机，提高无人机飞行的安全性。
进一步地，本实施的无人机磁异常检测方法中，利用航迹偏差可以准确地预警出磁异常，然后迅速切换到定高模式，进一步增加了磁异常判断的可靠性，降低磁异常检测的虚警概率，提高无人机飞行的安全性。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种无人机磁异常检测方法，包括：
获得无人机的期望航向角、无人机当前的三轴磁数据和无人机当前水平姿态信息；
根据所述三轴磁数据和所述水平姿态信息计算磁航向角；
根据所述磁航向角与所述期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整所述无人机的飞行模式；
其中，根据所述三轴磁数据和所述水平姿态信息计算磁航向角的步骤包括：
根据所述水平姿态信息计算姿态转换矩阵；
根据所述姿态转换矩阵和所述三轴磁数据计算地理坐标系下的三轴磁分量数据；
根据所述三轴磁分量数据计算所述磁航向角；
其中，根据所述磁航向角与所述期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整所述无人机的飞行模式的步骤包括：
若所述差值大于所述预设差值阈值，偏差次数累加一次，若所述差值小于或等于所述预设差值阈值，偏差次数清零；
若连续偏差次数大于预设连续偏差次数阈值，则输出磁异常报警信息，调整所述无人机的飞行模式为定高模式。
2.根据权利要求1所述的检测方法，还包括：
获取所述无人机的期望航线数据和所述无人机实际飞行的定位位置数据；
根据所述期望航线数据与所述定位位置数据调整所述无人机的飞行模式。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其中，根据所述期望航线数据与所述定位位置数据调整所述无人机的飞行模式的步骤包括：
实时计算所述无人机的定位位置与所述期望航线的三维空间距离；
若所述三维空间距离大于预设距离阈值，输出磁异常报警信息，调整所述无人机的飞行模式为定高模式。
4.一种无人机磁异常检测系统，包括：
期望航向角测定单元，配置为测量无人机的期望航向角；
磁罗盘，配置为测量所述无人机的三轴磁数据；
姿态信息测量装置，配置为测量所述无人机当前的水平姿态信息；
计算单元，配置为根据所述三轴磁数据和所述水平姿态信息计算磁航向角；
第一控制单元，配置为根据所述磁航向角与所述期望航向角的差值与预设差值阈值的比较结果调整所述无人机的飞行模式；
其中，所述计算单元还配置为：
根据所述水平姿态信息计算姿态转换矩阵；
根据所述姿态转换矩阵和所述三轴磁数据计算地理坐标系下的三轴磁分量数据；
根据所述三轴磁分量数据计算所述磁航向角；
其中，所述第一控制单元还配置为：
若所述差值大于所述预设差值阈值，偏差次数累加一次，若所述差值小于或等于所述预设差值阈值，偏差次数清零；
若连续偏差次数大于预设连续偏差次数阈值，则输出磁异常报警信息，调整所述无人机的飞行模式为定高模式。
5.根据权利要求4所述的检测系统，还包括：
期望航线设定单元，配置为设定所述无人机的期望航线数据；
飞行定位单元，配置为测量所述无人机实际飞行的定位位置数据；
第二控制单元，配置为根据所述期望航线数据与所述定位位置数据调整所述无人机的飞行模式。
6.根据权利要求5所述的检测系统，其中，所述第二控制单元还配置为：
实时计算所述无人机的定位位置与所述期望航线的三维空间距离；
若所述三维空间距离大于预设距离阈值，输出磁异常报警信息，调整所述无人机的飞行模式为定高模式。
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