CN108196570A - 一种无人机航向修正方法、装置和无人机 - Google Patents

一种无人机航向修正方法、装置和无人机 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种无人机航向修正方法、装置和无人机,所述方法包括:获取机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵;根据所述方向余弦旋转矩阵、定位装置输出的加速度和惯性测量装置输出的加速度获得当前航向角;修正所述当前航向角,以使所述当前航向角与目标航向角一致。本发明实施例通过获得方向余弦旋转矩阵,以及根据定位装置输出的加速度、惯性测量装置输出的加速度和方向余弦旋转矩阵获得当前航向角,并修正所述当前航向角以确保航向正确。可以避免采用磁力计修正航向角引起的磁力计受强磁干扰使无人机飞行不受控制,减小了无人机炸机的风险。

Description

一种无人机航向修正方法、装置和无人机
技术领域
本发明实施例涉及无人机技术领域,特别涉及一种无人机航向修正方法、装置和无人机。
背景技术
无人机飞行时,其通过飞控芯片接收陀螺仪、加速度计、磁力计、定位传感器等传感器采集的数据,通过飞行控制算法输出控制信号给电子调速器,从而改变和控制无人机的姿态(俯仰/横滚/航向)、地理位置和高度。目前的控制方法中,主要通过加速度计和陀螺仪来确定无人机的俯仰角和翻滚角,通过磁力计来修正无人机的航偏角。
但在无人机受强磁干扰时,利用磁力计修正航偏角将导致航向不准确,以致无人机飞行不受控制,在航偏角错误大于90度时还有炸机的风险。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种无人机航向修正方法、装置和无人机,采用定位装置和机载惯性测量装置来修正航向角,能避免无人机受强磁干扰时飞行不受控制。
第一方面,本发明实施例提供了一种无人机航向修正方法,所述无人机具有定位装置和惯性测量装置,所述方法包括:
获取所述无人机的机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵;
根据所述方向余弦旋转矩阵、所述定位装置输出的加速度和所述惯性测量装置输出的加速度获取当前航向角;
修正所述当前航向角,以使所述当前航向角与目标航向角一致。
可选的,所述根据所述方向余弦旋转矩阵、所述定位装置输出的加速度和所述惯性测量装置输出的加速度获得当前航向角,包括:
获得所述无人机在地面坐标系中的加速度其中为方向余弦旋转矩阵,为所述惯性测量装置输出的加速度;
获取所述无人机在地面坐标系下XY平面的加速度:
其中,在地面坐标系下x方向上的分量,在地面坐标系下y方向上的分量;
获得当前航向角其中,为定位装置输出的地面坐标系下xy平面的加速度。
可选的,所述方法还包括:
判断所述当前航向角与目标航向角是否一致。
可选的,所述获取所述无人机的机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵,包括:
根据所述惯性测量装置输出的角速度和加速度以及所述无人机的磁力计输出的磁场获得方向余弦旋转矩阵。
第二方面,本发明实施例提供了一种无人机航向修正装置,所述无人机具有定位装置和惯性测量装置,所述装置包括:
方向余弦旋转矩阵获取模块,用于获取所述无人机的机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵;
当前航向角获取模块,用于根据所述方向余弦旋转矩阵、所述定位装置输出的加速度和所述惯性测量装置输出的加速度获得当前航向角;
航向角修正模块,用于修正所述当前航向角,以使所述当前航向角与目标航向角一致。
可选的,所述当前航向角获取模块具体用于:
获得所述无人机在地面坐标系中的加速度其中为方向余弦旋转矩阵,为所述惯性测量装置输出的加速度;
获取所述无人机在地面坐标系下XY平面的加速度:
其中, 在地面坐标系下x方向上的分量,在地面坐标系下y方向上的分量;
获得当前航向角其中,为定位装置输出的地面坐标系下xy平面的加速度。
可选的,所述装置还包括:
航向判断模块,用于判断所述当前航向角与目标航向角是否一致。
可选的,所述方向余弦旋转矩阵获取模块具体用于:
根据所述惯性测量装置输出的角速度和加速度以及所述无人机的磁力计输出的磁场获得方向余弦旋转矩阵。
第三方面,本发明实施例提供了一种无人机,包括:
壳体;
与所述壳体相连的机臂;
设于所述机臂的动力装置;
定位装置和惯性测量装置;
至少一个处理器;以及,
与所述至少一个处理器通信连接的存储器;其中,
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令,所述指令被所述至少一个处理器执行,以使所述至少一个处理器能够执行上述的航向修正方法。
第四方面,本发明实施例提供了一种非易失性计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令,当所述计算机可执行指令被无人机执行时,使所述无人机执行上述的航向修正方法。
第五方面,本发明实施例提供了一种计算机程序产品,所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,当所述程序指令被无人机执行时,使所述无人机执行上述的航向修正方法。
本发明实施例的有益效果是:本发明实施例通过获得方向余弦旋转矩阵,以及根据定位装置输出的加速度、惯性测量装置输出的加速度和方向余弦旋转矩阵获得当前航向角,并修正所述当前航向角以确保航向正确。可以避免采用磁力计修正航向角引起的磁力计受强磁干扰使无人机飞行不受控制,减小了无人机炸机的风险。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明,这些示例性说明并不构成对实施例的限定,附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件,除非有特别申明,附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明一种航向修正方法的其中一个实施例的流程示意图;
图2是本发明实施例航向角的示意图;
图3是本发明一种航向修正装置的其中一个实施例的结构示意图;
图4是本发明一种航向修正装置的另一个实施例的结构示意图;
图5是本发明一种无人机其中一实施例的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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。
本发明实施例提供的无人机航向修正方法和装置可以用于无人机,其中,无人机例如可以是多旋翼无人机,包括典型的四轴无人机等。下面以四轴无人机为例说明无人机的运动原理。四轴无人机的飞行动力由四个旋翼式的飞行引擎各自驱动一片螺旋桨来提供,通过调节引擎转速来改变四个旋翼转动产生的升力和扭矩,以实现稳定的飞行。无人机的飞行运动方式包括俯仰运动、横滚运动、偏航运动和升降运动,通过调节四个旋翼的转动速度可以使无人机完成上述动作,旋翼的转速可以通过控制旋翼对应的驱动电机的转速来实现。
无人机的飞行控制即是对其飞行姿态,即俯仰角、横滚角、偏航角三个姿态角的控制,并最终转化为对相应电机转速的控制。其具体通过机载惯性测量装置、磁力计、定位装置等检测计算出无人机当前的姿态角,然后通过无人机飞行控制器利用飞行控制算法,控制电机转速使无人机朝着目标姿态转变,并不断重复这个过程直到无人机达到目标姿态。
图1为本发明实施例提供的一种无人机航向修正方法的流程示意图,所述方法可以由无人机飞行控制器执行,如图1所示,所述方法包括:
101:获得所述无人机的机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵。
具体的,方向余弦旋转矩阵可以根据惯性测量装置输出的角速度和加速度,以及无人机的磁力计输出的磁场获得,也可以仅通过惯性测量装置输出的角速度和加速度获得。
102:根据所述方向余弦旋转矩阵、定位装置输出的加速度和惯性测量装置输出的加速度获取当前航向角。
其中,定位装置例如全球定位系统(Global Positioning System,GPS)装置。假设通过GPS输出的地面坐标系(北东地坐标系)下xy平面的加速度为通过惯性测量装置输出的机体坐标系下加速度为则无人机在地面坐标系中的加速度可以表示为 可以求得在地面坐标系下x方向分量和y方向的分量从而可以获得在xy平面的加速度
设航向角为ψ,则有
通过式(1)可以得出航向角ψ为:
其中,模值,的模值,ψ为两个向量之间的夹角。请参照图2,其中,A表示GPS正北方向,B为GPS正东方向,A’为无人机认为的正北方向,B’为无人机认为的正东方向,从图2可以看出,通过修正ψ角就可以将航向修正过来。
103:修正所述当前航向角,以使所述当前航向角与目标航向角一致。
其中,在实际应用中,对当前航向角的修正是一个不断进行的闭环控制过程,直至当前航向角与目标航向角一致,目标航向角可以采用GPS进行估测。
本发明实施例通过获得方向余弦旋转矩阵,以及根据定位装置输出的加速度、惯性测量装置输出的加速度和方向余弦旋转矩阵获得当前航向角,并修正所述当前航向角以确保航向正确。可以避免采用磁力计修正航向角引起的磁力计受强磁干扰使无人机飞行不受控制,减小了无人机炸机的风险。
可选的,在所述方法的某些实施例中,该方法还包括,判断当前航向是否正确,如果正确,则不对当前航向角进行修正,继续当前的飞行任务。如果不正确,则根据所述方向余弦旋转矩阵、定位装置输出的加速度和惯性测量装置输出的加速度获得当前航向角,并对当前航向角进行修正。在本发明的一实施例中,判断当前航向是否正确可以通过惯性测量装置来实现。
相应的,本发明实施例还提供了一种无人机航向修正装置,如图3所示,航向修正装置200包括:
方向余弦旋转矩阵获取模块201,用于获取所述无人机机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵。
当前航向角获取模块202,用于根据所述方向余弦旋转矩阵、定位装置输出的加速度和惯性测量装置输出的加速度获取当前航向角。
航向角修正模块203,用于修正所述当前航向角,以使所述当前航向角与目标航向角一致。
本发明实施例通过获得方向余弦旋转矩阵,以及根据定位装置输出的加速度、惯性测量装置输出的加速度和方向余弦旋转矩阵获得当前航向角,并修正所述当前航向角以确保航向正确。可以避免采用磁力计修正航向角引起的磁力计受强磁干扰使无人机飞行不受控制,减小了无人机炸机的风险。
在所述装置的其他实施例中,当前航向角获取模块202具体用于:
获得所述无人机在地面坐标系中的加速度:
其中为方向余弦旋转矩阵,为惯性测量装置输出的加速度;
获取所述无人机在地面坐标系下XY平面的加速度:
其中,在地面坐标系下x方向上的分量,在地面坐标系下y方向上的分量;
获得当前航向角其中,为定位装置输出的地面坐标系下xy平面的加速度。
在所述装置的其他实施例中,航向修正装置200还包括:
航向加判断模块204,用于判断所述当前航向角与目标航向角是否一致。
在所述装置的某些实施例中,方向余弦旋转矩阵获取模块201具体用于:
根据惯性测量装置输出的角速度和加速度,以及无人机的磁力计输出的磁场获得方向余弦旋转矩阵。
需要说明的是,上述装置可执行本申请实施例所提供的方法,具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在装置实施例中详尽描述的技术细节,可参见本申请实施例所提供的方法。
图5是本发明实施例提供的无人机10的硬件结构示意图,如图5所示,无人机10包括:
壳体13,与所述壳体13相连的机臂14,设置在所述机臂14上的动力装置15,定位装置16和惯性测量装置17,设置在所述壳体13内的一个或多个处理器11以及存储器12,图5中以一个处理器11为例。处理器11和存储器12可以通过总线或者其他方式连接。
存储器12作为一种非易失性计算机可读存储介质,可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块,如本发明实施例中的航向修正方法对应的程序指令/单元(例如,附图3所示的方向余弦旋转矩阵获取模块201、当前航向角获取模块202和航向角修正模块203)。处理器11通过运行存储在存储器12中的非易失性软件程序、指令以及单元,从而执行无人机10的各种功能应用以及数据处理,即实现上述方法实施例的航向修正方法。
存储器12可以包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序;存储数据区可存储根据无人机10使用所创建的数据等。此外,存储器12可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中,存储器12可选包括相对于处理器11远程设置的存储器,这些远程存储器可以通过网络连接至无人机10。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个单元存储在所述存储器12中,当被所述一个或者多个处理器11执行时,执行上述任意方法实施例中的航向修正方法,例如,执行以上描述的图1中的方法步骤101-103,实现图3所示的模块201-203、图4中的模块201-204的功能。
上述无人机10可执行本发明实施例所提供的航向修正方法,具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在无人机10实施例中详尽描述的技术细节,可参见本发明实施例所提供的方法。
本发明实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令,该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行,例如,执行上述任意方法实施例中的航向修正方法,例如,例如,执行以上描述的图1中的方法步骤101-103,实现图3所示的模块201-203、图4中的模块201-204的功能。
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。
通过以上的实施例的描述,本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory,RAM)等。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明,它们没有在细节中提供;尽管参照前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:其依然可以对前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范围。

Claims (10)

1.一种无人机航向修正方法,所述无人机具有定位装置和惯性测量装置,其特征在于,所述方法包括:
获取所述无人机的机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵;
根据所述方向余弦旋转矩阵、所述定位装置输出的加速度和所述惯性测量装置输出的加速度获取当前航向角;
修正所述当前航向角,以使所述当前航向角与目标航向角一致。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述方向余弦旋转矩阵、所述定位装置输出的加速度和所述惯性测量装置输出的加速度获取当前航向角,包括:
获取所述无人机在地面坐标系中的加速度:
其中为方向余弦旋转矩阵,为所述惯性测量装置输出的加速度;
获取所述无人机在地面坐标系下XY平面的加速度:
其中,在地面坐标系下x方向上的分量,在地面坐标系下y方向上的分量;
获取当前航向角其中,为定位装置输出的地面坐标系下xy平面的加速度。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
判断所述当前航向角与目标航向角是否一致。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法,其特征在于,所述获取所述无人机的机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵,包括:
根据所述惯性测量装置输出的角速度和加速度以及所述无人机的磁力计输出的磁场获得方向余弦旋转矩阵。
5.一种无人机航向修正装置,所述无人机具有定位装置和惯性测量装置,其特征在于,所述装置包括:
方向余弦旋转矩阵获取模块,用于获取所述无人机的机体坐标系到地面坐标系的方向余弦旋转矩阵;
当前航向角获取模块,用于根据所述方向余弦旋转矩阵、所述定位装置输出的加速度和所述惯性测量装置输出的加速度获得当前航向角;
航向角修正模块,用于修正所述当前航向角,以使所述当前航向角与目标航向角一致。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述当前航向角获取模块具体用于:
获得所述无人机在地面坐标系中的加速度:
其中为方向余弦旋转矩阵,为所述惯性测量装置输出的加速度;
获取所述无人机在地面坐标系下XY平面的加速度:
其中,在地面坐标系下x方向上的分量,在地面坐标系下y方向上的分量;
获得当前航向角其中,为定位装置输出的地面坐标系下xy平面的加速度。
7.根据权利要求5或6所述的装置,其特征在于,所述装置还包括:
航向判断模块,用于判断所述当前航向角与目标航向角是否一致。
8.根据权利要求5-7任一项所述的装置,其特征在于,所述方向余弦旋转矩阵获取模块具体用于:
根据所述惯性测量装置输出的角速度和加速度以及所述无人机的磁力计输出的磁场获得方向余弦旋转矩阵。
9.一种无人机,其特征在于,包括:
壳体;
与所述壳体相连的机臂;
设于所述机臂的动力装置;
定位装置和惯性测量装置;
至少一个处理器;以及,
与所述至少一个处理器通信连接的存储器;其中,
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令,所述指令被所述至少一个处理器执行,以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-4任一项所述的航向修正方法。
10.一种非易失性计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令,当所述计算机可执行指令被无人机执行时,使所述无人机执行权利要求1-4任一项所述的方法。
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