CN108287564A - 一种多旋翼无人机航线抗风方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多旋翼无人机航线抗风方法，利用两个航点的经纬度信息先确定航线的位置，然后根据无人机当前航点的位置信息，确定距离航线的垂直距离，再将此距离转换为北方向和东方向的位移，并根据相应的控制算法，将其转换为相应的动力输出，进而将无人机调整到目标航线位置。与现有技术相比，本发明实现了无人机出现航线偏差时，能够快速纠正航线，确保飞行安全。

Description

一种多旋翼无人机航线抗风方法

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，具体涉及的是一种多旋翼无人机航线抗风方法。

背景技术

随着无人机行业的飞速发展，无人机的飞行安全尤为重要。无人机的抗风能力是无人机性能的一项重要指标，其中在自主巡航方式下的抗风更为重要，此模式下没有手动干预，可能遥控器也已经失联，更甚者地面站也失联，这种情况就只能按照预先规划的航线运行，所以确保此时飞机的飞行轨迹沿预设航线飞行显得尤为重要。对于体积大、重量大、成本高的行业无人机而言，通常在比较恶劣的环境下执行任务，而当无人机在执行航线任务时，如果遇到强风等恶劣天气就可能会出现航线偏离的情况，从而导致安全事故发生，造成财产损失。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种多旋翼无人机航线抗风方法，以实现无人机出现航线偏差时，能够快速纠正航线，确保飞行安全。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种多旋翼无人机航线抗风方法，包括：

在航线出现偏离时，计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量；

将当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量经过变结构PID控制算法运算后得到需要调整的北向和东向速度；并将该速度叠加到目标速度上，经过变结构PID控制算法运算后输出相应的动力，以校正航线偏移。

优选地，所述计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量，包括：

在航线出现偏离时，计算实际飞行轨迹上当前飞行点与目标航线之间的航线偏离位移；

根据三角几何关系，计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量。

优选地，在航线出现偏离时，计算实际飞行轨迹上当前飞行点与目标航线之间的航线偏离位移包括：

设定O为上一个航点，B为目标航点，A为当前飞行点，其中目标航线为OB，实际飞行轨迹为OAB；

通过O点和A点的经纬度信息计算出当前飞行点A与上一个航点O之间的距离OA；

通过A点和B点的经纬度信息计算出当前飞行点A与目标航点B之间的距离AB；

根据O点和B点的经纬度计算目标航向角β，其中β为航线OB与北方向之间的夹角；

根据O点和A点的经纬度计算A点与上一航点的航向角α，其中α为OA与北方向的夹角α；

求出航线偏离角度θ＝β-α，及航线偏离位移AD＝OA*sinθ。

优选地，所述计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量，包括：

根据三角几何关系，计算出航线偏离北向分量AC＝AD*cosθ＝OA*sinθ*cosθ；航线偏离东向分量CD＝AD*sinθ＝OA*sinθ*sinθ。

优选地，判断航线出现偏离，包括：

根据多旋翼无人机的GPS模块实时获取飞行航线的当前位置信息，如当前位置信息与预设目标航线位置信息不一致，则判断航线出现偏离。

本发明所述的多旋翼无人机航线抗风方法，利用两个航点的经纬度信息先确定航线的位置，然后根据无人机当前航点的位置信息，确定距离航线的垂直距离，再将此距离转换为北方向和东方向的位移，并根据相应的控制算法，将其转换为相应的动力输出，进而将无人机调整到目标航线位置。与现有技术相比，本发明实现了无人机出现航线偏差时，能够快速纠正航线，确保飞行安全。

附图说明

图1为本发明抗风航线与实际轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对目前无人机在执行航线任务过程中，遇到强侧风可能会偏离航线的情况，本发明提出了一种快速纠正航线偏离的多旋翼无人机航线抗风方法。本发明在出现无人机航迹偏离航线的情况时，对偏离进行纠正，其利用两个航点的经纬度信息先确定航线的位置，然后根据无人机当前航点的位置信息，确定距离航线的垂直距离，再将此距离转换为北方向和东方向的位移，根据相应的控制算法，将其转换为相应的动力输出，进而将无人机调整到目标航线位置。本发明整个过程由于控制算法调节的比较迅速，基本上看不出无人机偏离明显的距离。

本发明提供的多旋翼无人机航线抗风方法具体包括有：

首先判断无人机的航线是否出现偏离：根据多旋翼无人机的GPS模块实时获取飞行航线的当前位置信息，如当前位置信息与预设目标航线位置信息不一致，则判断航线出现偏离；

其次在航线出现偏离时，计算实际飞行轨迹上当前飞行点与目标航线之间的航线偏离位移，请参阅图1所示，其具体步骤如下：

第一步：设定O为上一个航点，B为目标航点，A为当前飞行点，其中目标航线为OB，实际飞行轨迹为OAB。

第二步：通过O点和A点的经纬度信息计算出当前飞行点A与上一个航点O之间的距离OA。

第三步：通过A点和B点的经纬度信息计算出当前飞行点A与目标航点B之间的距离AB；根据GPS的特性，两个点之间的距离相差太近的话，实际计算的距离不准确，或者会相差很多，因此当前飞行点A的选择，需要与目标航点B保持一定的距离，不可以太近。

第四步：根据O点和B点的经纬度计算目标航向角β，其中β为航线OB与北方向之间的夹角。

第五步：根据O点和A点的经纬度计算A点与上一航点的航向角α，其中α为OA与北方向的夹角α。

第六步：求出航线偏离角度θ＝β-α，及航线偏离位移AD＝OA*sinθ。

然后，根据三角几何关系，计算出航线偏离北向分量AC＝AD*cosθ＝OA*sinθ*cosθ；航线偏离东向分量CD＝AD*sinθ＝OA*sinθ*sinθ。

最后，将当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量经过变结构PID控制算法运算后得到需要调整的北向和东向速度；并将该速度叠加到目标速度上，经过变结构PID控制算法运算后输出相应的动力，以校正航线偏移。

其中，需要说明的是，本发明中采用的是变结构的PID控制算法，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。但传统PID算法存在一定的局限性，目前使用的大多是经过变换的变结构PID，本发明采用的是积分分离PID，其基本思想：当控制量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；而当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。

综上所述，本发明通过各个点的位置信息，求出偏离目标航线的位移，通过一系列的控制算法，进而达到纠正航线偏移的目的，减少了由于航线偏移而造成的炸机事件。

本发明提供的多旋翼无人机航线抗风方法，不需要额外添加传感器，只需要根据经纬度等位置信息，即可判断飞机是否偏移航线且偏移了多少，然后根据偏移距离，结合相应的算法能够快速的将无人机调整到原航线，从而确保了飞行安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多旋翼无人机航线抗风方法，其特征在于，包括：

在航线出现偏离时，计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量；

将当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量经过变结构PID控制算法运算后得到需要调整的北向和东向速度；并将该速度叠加到目标速度上，经过变结构PID控制算法运算后输出相应的动力，以校正航线偏移。

2.如权利要求1所述的多旋翼无人机航线抗风方法，其特征在于，所述计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量，包括：

在航线出现偏离时，计算实际飞行轨迹上当前飞行点与目标航线之间的航线偏离位移；

根据三角几何关系，计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量。

3.如权利要求2所述的多旋翼无人机航线抗风方法，其特征在于，在航线出现偏离时，计算实际飞行轨迹上当前飞行点与目标航线之间的航线偏离位移包括：

设定O为上一个航点，B为目标航点，A为当前飞行点，其中目标航线为OB，实际飞行轨迹为OAB；

通过O点和A点的经纬度信息计算出当前飞行点A与上一个航点O之间的距离OA；

通过A点和B点的经纬度信息计算出当前飞行点A与目标航点B之间的距离AB；

根据O点和B点的经纬度计算目标航向角β，其中β为航线OB与北方向之间的夹角；

根据O点和A点的经纬度计算A点与上一航点的航向角α，其中α为OA与北方向的夹角α；

求出航线偏离角度θ＝β-α，及航线偏离位移AD＝OA*sinθ。

4.如权利要求3所述的多旋翼无人机航线抗风方法，其特征在于，所述计算出实际飞行轨迹上当前飞行点的航线偏离北向分量和航线偏离东向分量，包括：

根据三角几何关系，计算出航线偏离北向分量AC＝AD*cosθ＝OA*sinθ*cosθ；航线偏离东向分量CD＝AD*sinθ＝OA*sinθ*sinθ。

5.如权利要求4所述的多旋翼无人机航线抗风方法，其特征在于，判断航线出现偏离，包括：

根据多旋翼无人机的GPS模块实时获取飞行航线的当前位置信息，如当前位置信息与预设目标航线位置信息不一致，则判断航线出现偏离。