CN108427269A - 无人机高度控制方法、油门计算模块及无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机高度控制方法、油门计算模块及无人机。公开的无人机高度控制方法利用根据无人机受力分析得出的无人机油门与无人机加速度的数学关系式不断更新无人机油门直至无人机的加速度符合要求。公开的油门计算模块用于执行前述无人机高度控制方法。公开的无人机包括前述油门计算模块。通过使用前述的无人机高度控制方法、油门计算模块及无人机，可以实现无人机高度控制的自适应性，具有实现简单，低成本，效果好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及高度控制领域，具体涉及一种无人机高度控制方法、油门计算模块及无人机。
背景技术
在无人机尤其是多旋翼无人机控制系统中，高度控制是一个非常基本的功能。在最初的多旋翼无人机飞行控制系统中，只实现了姿态控制功能，即利用微控制器和加速度和角速度传感器实现自动保持无人机水平的功能。高度的保持完全依靠操作者手工控制油门的大小，进而控制螺旋桨产生的升力大小。这一操作需要经过大量的练习才能实现，不具备通用性。
针对这一情况，后来的飞控系统增加了气压计和超声波等高度传感器，然后利用一些控制算法实现了高度的自动控制，并取得了较好的控制效果。根据采用的控制方法的不同，控制器的研发成本和工作起来的实际表现不尽相同。
现有技术常用基于高度一级或高度、速度二级PID控制器分别实现高度方向的位置和速度控制，PID控制是将误差信号的比例P，积分I，微分D通过线性组合构成控制量，称之为PID控制。PID控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，使系统更加准确而稳定。
但上述的方法针中PID控制的参数需要针对每一种机型做专门的调试，缺乏很强的适应性。这种调试往往工作量大，专业经验要求高，因此相关行业中的研发调试单位，往往需要一批非常有经验的工程师，进行大量的参数调试工作才能使一个机型实现优秀的高度控制功能，这给相关单位增加了大量的人力和时间成本。因此，以上方案均不具备自适应特性。
发明内容
本发明提供一种无人机高度控制方法、油门计算模块及无人机，通过使用该无人机高度控制方法、油门计算模块及无人机，可以克服现有技术中无人机高度控制无法实现自适应性，针对每个不同机型都需要大量调试才能实现高度控制的问题，可以实现对不同机型的无人机都可以自适应的高度控制而无需再单独调试的效果，具有实现简单，研发成本低，工作效果好等优点。
本发明公开了一种无人机高度控制方法，包括以下步骤：
根据目标高度计算目标加速度(a1)；
根据目标加速度(a1)、当前加速度(a2)、当前无人机油门(t2)以及根据无人机受力分析得出的无人机油门与无人机加速度的数学关系式，计算目标无人机油门(t1)，同时应用目标无人机油门(t1)；
重复更新及应用所述新目标无人机油门(t1)的步骤，直至当前加速度(a2)与目标加速度(a1)的误差小于Q。
本发明公开了一种油门计算模块，用于计算无人机油门。
油门计算模块根据无人机目标加速度、无人机当前加速度、无人机当前油门以及根据无人机受力分析得出的无人机油门与无人机加速度的数学关系式计算并更新无人机目标油门。
本发明公开了一种无人机，该无人机包括前述公开的油门计算模块。
提供本发明内容是以简化形式介绍在以下详细描述中的一些概念。本发明内容并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
图1是本发明一实施例运用环境图；
图2是本发明一实施例无人机高度控制方法的流程图；
图3是现有技术中高度、速度二级PID控制器的工作原理图；
图4是本发明一实施例无人机的功能模块示意图。
具体实施方式
本发明技术方案，通过对无人机建立动力学模型并运用辨识算法找出无人机油门与加速度之间的数学关系，高度控制器就可以根据无人机油门与加速度之间的数学关系实现高度控制。
下面就结合无人机飞行的使用场景及附图，对本发明的优选实施例作详细说明。应当理解的是，此处所采用的运用场景及描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
首先建立无人机高度方向上的动力学模型，如图1所示，无人机在地理高度方向(即垂直方向上)受两个力的作用，其中一个为垂直方向的重力G，另一个为无人机动力装置在垂直方向的分力T。无人机自身有质量M，因此无人机垂直加速度a的计算公式为：
a＝(G-T)/M (公式1)；
其中T可以近似认为以K正比于无人机油门t，即T＝kt。
所以可以推导出无人机油门t的计算公式为：
t＝-M/k*a+G/k (公式2)；
公式2中k，M即为和无人机机型有关的性能参数。另可以设A＝-M/k，B＝G/k，则有无人机油门t＝A*a+B。只要求出A和B的具体数值，就可以得到t和a之间具体的数学关系。
由t＝A*a+B可知，t和a为标准的一次线性函数关系。t为飞行控制器给出的控制数据，a为加速度，可以通过加速度传感器得到。因此，在每次飞行中采集大量的[t,a]组成的数据集，然后利用辨识算法如最小二乘法即可得到A和B，对于不同的机型，只需要运行一次辨识算法即可。
有了具体的A和B，就可以通过数学关系t＝A*a+B，在给定一个加速度a时，即可通过公式直接计算出无人机油门t。对于高度控制器而言，不管哪个机型，想要获得具体的加速度a时，通过数学关系t＝A*a+B就能计算精确的油门输出，进而得到加速度a，以完成高度控制，高度控制器的计算不再和具体的机型相关，不同机型的高度控制可以使用通用的控制器方案。
如图2所示流程图，本发明无人机高度控制方法一实施例的步骤如下：
S100，获取目标高度h1。
具体地，用户可以通过控制终端向无人机发送目标高度的指令，也可以采用其他方式发送指令。
S200，根据目标高度h1计算目标加速度a1。
现有技术中的二级PID控制器可以对目标高度h1进行时间微分以得到目标加速度a1，在其他实施方式中也可以采用不同的高度控制器计算以获得目标加速度a1。
如图3所示，根据目标高度数据及传感器提供的高度数据，高度PID控制器可以计算得出目标速度数据，随后速度PID控制器再根据目标速度数据及传感器提供的速度数据，可以计算出目标加速度数据。
S300，获取当前加速度a2及当前无人机油门t2。
具体地，利用加速度传感器可以获得无人机的当前加速度a2，也可以利用气压传感器、超声波传感器或GPS测高后再计算无人机的当前加速度a2，或是利用前述几种方式通过数据融合算法以获得无人机的当前加速度a2，这些计算方法既可以是现有技术，也可以是其他方法，本发明不做限制，在此不再赘述。初次获取的当前无人机油门t2可以为无人机动力系统给出的实时的油门数据，也可以是预先设定在控制系统或动力系统内的初始油门数据，本发明不对此作出限制。
S400,根据目标加速度a1、当前加速度a2及当前无人机油门t2计算目标无人机油门t1，同时应用目标无人机油门t1。
具体地，由当前加速度a2及当前无人机油门t2代入数学关系公式t＝A*a+B计算出A、B的数值，之后再将目标加速度a1代入该数学关系公式即可获得目标无人机油门t1。具体的A、B的数值求解方法可以采用最小二乘法，还可以采用最小一乘法或最大似然法，也可以采用其他通过线性回归方法求解一次线性函数关系的算法。步骤S400的执行可以利用现有的飞行控制器来执行，也可以在现有无人机组成的基础上增添一个额外的模块来执行。
S500，重复步骤S300至S400，不断更新目标油门t1直至当前加速度a2与目标加速度a1的误差小于Q。
具体地，无人机根据实际不断更新的当前加速度a2数据和当前油门t2数据，不断估计更新A和B的值，以使计算出的油门产生的实际加速度逼近目标加速度，当实际加速度和目标加速度的误差小于一定的Q值时，整个控制环即可完成精确的高度控制。Q值可以根据无人机所需要的高度控制精度来确定。后续更新的当前油门t2数据可以是无人机动力系统给出的实时的油门数据，也可以直接利用最近一次计算得出的目标无人机油门t1，本发明对此不做限制。
在获得到一个新的目标高度h2进行高度控制时，既可以重新完整的执行上述的无人机高度控制方法。还可以是直接利用计算前一目标高度h1时在步骤S500中加速度a2与目标加速度a1的误差小于Q时所采用的A和B的值来计算新的目标无人机油门t3，可以减少所需计算时间与步骤。
如图4所示，本发明一实施例无人机10包括以下模块：高度控制模块100、传感器模块200、油门计算模块300以及动力模块400。无人机10执行上述的无人机高度控制方法以实现高度控制。
高度控制模块100用于接收目标高度h1以及传感器模块200的高度、速度数据，计算目标加速度a1并输出到油门计算模块300。
高度控制模块100可以采用高度、速度二级PID控制器，也可以采用其他高度控制器。
传感器模块200用于获取当前加速度a2以及高度控制模块100所需的高度、速度信息。
传感器模块200可以包括加速度传感器，还可以包括气压传感器、超声波传感器以及GPS，传感器模块200中可以设置处理器以利用上述传感器的数据通过计算得出加速度、速度及高度数据。上述数据的计算方式为既可以是现有技术，也可以是其他方法，本发明不做限制。
油门计算模块300用于根据目标加速度a1、当前加速度a2以及当前无人机油门t2计算并更新目标油门t1。
具体地，油门计算模块300首先获取当前加速度a2以及当前油门t2，根据数学关系公式t＝A*a+B利用辨识算法计算A、B的值，再根据目标加速度a1及A、B的值根据数学关系公式t＝A*a+B计算目标油门t1，并将目标油门t1输出到动力模块400。其次，油门计算模块300再获取新的当前加速度a2，并根据目标油门t1代入数学关系公式t＝A*a+B利用辨识算法计算A、B的值，再根据目标加速度a1及A、B的值根据数学关系公式t＝A*a+B更新目标油门t1，并将更新后的目标油门t1输出到动力模块400。
其中，初次获取的当前无人机油门t2可以为动力模块400给出的实时的油门数据，也可以是预先设定在油门计算模块300或动力模块400内的初始油门数据，而后续更新的当前油门t2数据可以是无人机动力系统给出的实时的油门数据，也可以直接利用最近一次计算得出的目标无人机油门t1，本发明对此不做限制。
油门计算模块300可包括存储器及处理器。存储器用于存储指令，处理器与存储器通信连接，处理器被配置为基于存储器存储的指令执行实现上述的目标油门计算方法。
具体地，存储器可以为高速RAM存储器、非易失性存储器(non-volatile memory)等，存储器也可以是存储器阵列。存储器还可能被分块，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高度控制方法的一个或多个集成电路。
在其他实施方式中，油门计算模块300还可以与高度控制模块100集成在一起。
动力模块400根据油门为无人机10提供动力。在其他实施方式中，动力模块400还可以提供当前油门数据。
动力模块400具体可以是现有技术中无人使用的动力系统，也可以是其他动力系统或在本发明申请日之后新出现飞行动力系统，本发明对此不做限制。
综上所述，本发明提供的实施例通过对无人机建立动力学模型并运用辨识算法找出无人机油门与加速度之间的数学关系，就可以根据无人机油门与加速度之间的数学关系实现高度控制，而无需针对不同的机型另外进行多项测试以得到高度控制数据，具有高效、准确的优点，同时具备通用性。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件辅与必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
应当理解的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非用以限定，对本领域技术人员来说，可以对上述优选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；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种无人机高度控制方法，其特征在于，包括：
根据目标高度计算目标加速度(a1)；
根据目标加速度(a1)、当前加速度(a2)、当前无人机油门(t2)以及根据无人机受力分析得出的无人机油门与无人机加速度的数学关系式，计算目标无人机油门(t1)，同时应用目标无人机油门(t1)；
重复更新及应用所述新目标无人机油门(t1)的步骤，直至当前加速度(a2)与目标加速度(a1)的误差小于Q。
2.如权利要求1所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述计算目标无人机油门(t1)的步骤包括：
将当前加速度(a2)及当前无人机油门(t2)代入公式t＝A*a+B计算出A、B；
再将所述A、B以及目标加速度(a1)代入公式t＝A*a+B计算出目标无人机油门(t1)；
公式中，t为油门数据，a为加速度数据。
3.如权利要求2所述的无人机高度控制方法，其特征在于，根据新的目标高度实施所述无人机高度控制方法时，先利用前一目标高度实施所述无人机高度控制方法完成时所用的A、B计算出新的目标无人机油门(t1),再执行所述无人机高度控制方法。
4.如权利要求1、2或3任一项所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述目标无人机油门(t1)的计算方法采用最小二乘法、最小一乘法或最大似然法计算。
5.如权利要求1、2或3任一项所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述当前无人机油门(t2)初次获取时为预设值。
6.如权利要求1、2或3任一项所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述当前无人机油门(t2)为实时获取的数据。
7.如权利要求1、2或3任一项所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述Q值根据无人机所需要的高度控制精度来确定。
8.一种油门计算模块，用于计算无人机油门，其特征在于，所述油门计算模块根据无人机目标加速度、无人机当前加速度、无人机当前油门以及根据无人机受力分析得出的无人机油门与无人机加速度的数学关系式计算并更新无人机目标油门。
9.如权利要求8所述的油门计算模块，其特征在于，包括:
存储器；以及
与所述存储器通信连接的处理器，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高度控制方法。
10.一种无人机，其特征在于，包括:
如权利要求8或9所述的油门计算模块。
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