CN108458688B

CN108458688B - 高度与速度更新方法、模块及无人机

Info

Publication number: CN108458688B
Application number: CN201810155680.2A
Authority: CN
Inventors: 吕元宙; 刘兵; 刘恒; 庄秋彬
Original assignee: Allwinner Technology Co Ltd
Current assignee: Allwinner Technology Co Ltd
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2038-02-23
Also published as: CN108458688A

Abstract

本发明提供了一种高度与速度更新方法、模块及无人机，公开的高度与速度更新方法基于装置加速度传感器数据计算得出的速度与高度，利用装置气压传感器数据计算得出的速度与高度以及相应修正方法，可以计算得出准确的装置高度与速度。所公开的高度与速度更新模块用于运行高度与速度更新方法，而公开的无人机包括前述高度与速度更新模块。通过使用前述的高度与速度更新方法、模块及无人机，可以实现高度与速度更新的长时间稳定性和准确性。

Description

高度与速度更新方法、模块及无人机

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，具体涉及一种高度与速度更新方法、模块及无人机。

背景技术

在无人机领域中,无人机通过高度的更新进行定高飞行,因此精准的高度与速度更新是无人机平稳飞行的一个重要组成部分。

现有技术中通常通过加速度传感器或气压传感器进行高度与速度数据的采集操作。但是加速度传感器长期测量得到的高度与速度数据并不精确。而气压传感器容易受到环境噪音的影响(例如起飞时造成的气流效应或是室内飞行时开关门，都会导致的气压急剧变化)，因此若将气压传感器获得的高度数据直接使用会导致无人机飞行极不稳定。

发明内容

本发明提供一种高度与速度更新方法、模块及无人机，通过使用该高度与速度更新方法、模块及无人机，可以克服现有技术在飞行控制中仅根据加速度传感器或气压传感器的数据时，因数据的不精确以及不稳定导致的无法控制飞行的问题，能得到精确高度和速度信息更新，具有良好的使用效果。

本发明公开了一种高度与速度更新方法，运用在具有气压传感器及加速度传感器的装置中，包括以下步骤：

根据加速度偏置值以及加速度传感器数据获取基于加速度传感器数据的加速度传感器高度和加速度传感器速度；

根据气压传感器数据获取基于气压传感器数据的气压传感器高度和气压传感器速度；

根据气压传感器的速度及预设值选取修正系数；

根据加速度传感器速度、高度以及气压传感器速度、高度计算装置速度、高度修正值；

根据加速度传感器速度、加速度传感器高度、装置速度修正值、装置高度修正值以及修正系数计算装置的速度和高度。

本发明公开了一种高度与速度更新模块，用于处理装置的气压传感器及加速度传感器数据以获得装置的高度及速度信息，高度与速度更新模块包括：

存储器以及与存储器通信连接处理器，处理器被配置为基于存储在存储器中的指令，执行如上述本发明公开的高度与速度更新方法。

本发明公开了一种无人机，该无人机配置有如上述本发明公开的高度与速度更新模块。

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是本发明一实施例高度与速度更新方法的流程图；

图3是本发明一实施例高度与速度更新模块的功能模块示意图。

具体实施方式

利用本发明技术方案，可以实现加速度传感器和气压传感器的优势结合，同时具有克服环境噪声的影响，实现高度与速度更新的长时间稳定性和准确性。

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。

如图1所示，在无人机定高过程中，所指的高度是地面坐标系下的相对高度，由地面坐标系下的加速度通过积分可算出需要的速度，而速度积分可得出距离。因此从高度A点开始进行加速度的积分,当无人机运动至B点时即可积分出对应的高度。

由于加速度传感器和无人机一般为刚性连接,因此加速度传感器所获取的Z2轴加速度是相对于当前装置坐标系下的，当无人机姿态发生变化时,装置坐标系会和地面坐标系产生一个夹角,因此使用加速度传感器的数据计算地面坐标系的速度V1和高度H1时,需要进行装置坐标系和地面坐标系加速度的实时转换。

当无人机从高度A起飞飞行至高度B时,气压传感器获取B点与A点的气压值，并通过公式：AB两点间的高度差＝44330*(1-B点气压/A点气压^1/5.²⁵⁵)，就可以换算出AB两点间的高度差。而无人机开机时处于地面，那么将开机所处位置的气压设为基准参考气压Ph,就可以用于计算无人机相对于地面的高度H2。

对于无人机定高控制而言，单纯的采用加速度传感器或气压加速度传感器的数据会使得结果并不准确，因此需要将两者的数据进行融合修正以使得最终数据更接近实际值。

通过气压传感器获取的数据可以用于修正加速度传感器获得的数据以获得准确的无人机的速度V3、高度H3。具体地，对不同时间段获取气压传感器数据计算得到的高度H2进行时间微分,可以求出当前的气压传感器速度V2。由于气压传感器速度V2具有误差，因此需要对气压传感器速度V2与一个初始的预设值进行门限判断,根据判断结果的不同选取不同的系统修正系数。

由于震动和温度等外部原因所致,加速度传感器所测量出来的加速度并不准确,与实际加速度之间一般存在一个误差,称为加速度偏置,在无人机飞行过程中可以通过气压传感器动态计算加速度偏置值用于校准加速度传感器的数据。

最终，通过气压传感器提供的气压值计算获取的高度H2及速度V2，加上修正系数，用来修正根据加速度传感器获得加速度计算而来的的地面坐标系的速度V1和高度H1，再辅与加速度偏置值纠正误差，从而获得准确的无人机的速度V3、高度H3。

以下所称气压传感器速度及高度即为通过气压传感器获取的气压值所计算得出的速度及高度，所称加速度传感器速度及高度即为通过气压传感器获取的气压值所计算得出的速度及高度。

因此本发明提供了一种高度与速度更新方法，应用于具有加速度传感器及气压传感器的装置中，参阅图2所示，本实施例高度与速度更新方法包括如下步骤:

S100，获取当前气压值P1及当前加速度值A1，至步骤S102。

S102，根据当前气压值P1计算当前气压传感器速度V2及高度H2，至步骤S104。

具体地，当前气压传感器高度H2的计算方法可以利用基准参考气压Ph以及公式：AB两点间的高度差＝44330*(1-B点气压/A点气压^1/5.²⁵⁵)，就可以换算出获取气压值P1与基准参考气压Ph时两点间的高度差H2。基准气压值Ph可以是装置位于地面时记录的气压值，也可以是事先设置的气压值。

当前气压传感器速度V2具有多种计算方式，可以根据到达获取气压值P1时所使用的时间对高度差H2进行时间微分，即可获得气压传感器速度V2。

在其它实施方式中，也可以是利用基准参考气压Ph以及t1时间段前获取的气压值Pt1先求出当时的高度Ht1，再根据公式1计算当前气压传感器速度V2。

V2＝(H2-Ht1)/dt1 公式1。

S104，判断当前气压传感器速度V2是否大于预设速度。

具体地，预设速度的值为固定值，可以根据不同装置以及所使用的气压传感器芯片的噪声水平来确定。

若当前气压传感器速度V2大于预设速度，至

S106，将修正系数Q设为a，至步骤S110。

若当前气压传感器速度V2小于等于预设速度，至

S108，将修正系数Q设为b，至步骤S110。

具体地，修正系数Q可以根据实际经验中装置的真实高度数据来设定,同时当气压传感器与加速度传感器测出的速度相差较大时，还可以增大修正系数Q的值。优选地，修正系数Q的取值范围为0.01至1，其中b值要大于a值。在更优的实施例中，a、b值的比例关系为：2a≤b≤20a。

步骤S110，将当前加速度值A1分别减去装置坐标系下的加速度偏置值Xc，并根据加速度传感器倾角转化为地面坐标系下的加速度值A2，至步骤S112。

具体地，装置坐标系下的加速度偏置值Xc可以由后续步骤计算得来，因此首次实施步骤S110时，可以将加速度偏置值Xc设置为0来计算。

加速度传感器倾角是指加速度传感器的坐标系与地面坐标系的倾斜角度，根据该倾斜角度就可以在加速度传感器的坐标系与地面坐标系之间换算包括三轴加速度值在内的数据，此类不同坐标系间的数据换算方法本发明不做限制，可以是现有技术，也可以是以后开发的新方法，在此不再赘述。

而根据加速度传感器的数据计算以获得加速度传感器的坐标系与地面坐标系的倾斜角度已在现有技术中实现，因加速度传感器与装置刚性连接，因此可以将加速度传感器的坐标系与地面坐标系的倾斜角度视为装置坐标系与地面坐标系的倾斜角度。加速度传感器的坐标系与地面坐标系的倾斜角度，以及不同坐标系间的数据转换还可以采用其他多种方法，本发明并不旨在限制上述的倾斜角度或数据转换的计算方法。

步骤S112，根据地面坐标系下的装置的Z轴加速度值A2Z计算装置的当前加速度传感器速度V1和高度H1，至步骤S114。

具体地，当前加速度传感器速度V1和高度H1的计算公式为：

V1＝V1_old+A2Z*dt 公式2；

H1＝H1_old+V1_old*dt+A2Z*dt*dt/2 公式3；

公式2中，V1_old为t时间之前所获取的加速度传感器速度，V1_old在地面记录时为零。

公式3中，V1_old为t时间之前所获取的加速度传感器速度，H1_old为t时间之前所获取的加速度传感器高度，H1_old及V1_old在地面记录时为零。

步骤S114，根据当前加速度传感器速度V1、高度H1以及当前气压传感器速度V2、高度H2计算装置速度修正值Vc及高度修正值Hc，至步骤S116。

具体地，修正值的计算公式为：

Vc＝V2-V1 公式4；

Hc＝H2-H1 公式5。

步骤S116，根据当前加速度传感器速度V1、当前加速度传感器高度H1、装置速度修正值Vc、装置高度修正值Hc以及修正系数Q计算得到当前装置的速度V3和高度H3，至步骤S118。

具体地，当前装置的速度V3和高度H3的计算公式为：

V3＝V1+Q*dt*dt*Vc 公式6；

H3＝H1+Q*dt*Hc 公式7。

步骤S118，根据装置高度修正值Hc及修正系数Q计算地面坐标系下的加速度偏置值X，并根据加速度传感器的倾角转化为装置坐标系下的加速度偏置值Xc。

具体地，计算地面坐标系下加速度偏置值的公式为：

Xx＝0

Xy＝0

Xz＝Hc*Q*Q*dt 公式8；

公式8中，Xx为地面坐标系下X轴的加速度偏置值，Xy为地面坐标系下Y轴的加速度偏置值，Xz为地面坐标系下Z轴的加速度偏置值。

之后根据加速度传感器的坐标系将地面坐标系下加速度偏置值X转化为装置的坐标系下的加速度偏置值Xc，具体转换方法与加速度值的类似，在此不再赘述。

图3示出了本发明一实施例高度与速度更新模块10，高度与速度更新模块10用于根据装置的三轴加速度数据以及气压数据，运用本发明提供的高度与速度更新方法以获取装置的高度与速度数据更新。

如图3所示，高度与速度更新模块10可包括存储器12及处理器14。存储器12用于存储指令，处理器14与存储器12通信连接，处理器14被配置为基于存储器12存储的指令执行实现上述的高度与速度更新方法。

具体地，存储器12可以为高速RAM存储器、非易失性存储器(non-volatilememory)等，存储器12也可以是存储器阵列。存储器12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72可以为中央处理器CPU，或专用集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)或者是被配置成实施本发明的高度与速度更新方法的一个或多个集成电路。

在一个实施例中，本发明提供一种无人机，包括:如上述的高度与速度更新模块。

综上所述,本发明提出了一种高度与速度更新的方法、模块以及无人机,在高度与速度更新的过程中加入对气压传感器数据获取的高度的微分值判断,提升了系统对气压环境噪声的抑制性，使得通过本发明获取的数据相较于现有技术而言更为准确。

根据气压传感器的数据经过计算分析用于修正加速度传感器的数据而最终得到准确的无人机装置的高度和速度是本发明提供的方案。但在相同的场景下，基于本发明的思路，反其道而行，根据加速度传感器的数据经过计算分析用于修正气压传感器的数据而最终得到准确的无人机装置的高度和速度的方案也是易于想到的，两个方案之间并没有本质上的区别，差异点无非在于作为主数据和作为修正数据的传感器的选取上，而这个选择可以根据需求以及所采用传感器的精度来制定。综上所述，本发明同样公开了根据加速度传感器的数据经过计算分析用于修正气压传感器的数据而最终得到准确的无人机装置的高度和速度的方案。

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

1.一种高度与速度更新方法，用于处理装置的气压传感器及加速度传感器数据以获得装置的高度及速度信息，其特征在于，包括：

根据加速度偏置值以及加速度传感器数据获取基于加速度传感器数据的加速度传感器高度和加速度传感器速度，其中，所述加速度偏置值根据装置高度修正值及修正系数动态计算得来；

根据气压传感器的速度及预设值选取修正系数；

根据加速度传感器速度、高度以及气压传感器速度、高度计算装置速度、所述装置高度修正值，修正值的计算公式为：

Vc＝V2-V1 式(1)；

Hc＝H2-H1 式(2)；

其中，V1为所述加速度传感器速度，H1为所述加速度传感器高度，V2为所述气压传感器速度，H2为所述气压传感器高度，Vc为所述装置速度修正值，Hc为所述装置高度修正值；

根据加速度传感器速度、加速度传感器高度、装置速度修正值、装置高度修正值以及修正系数计算装置的速度和高度，计算公式为：

V3＝V1+Q*dt*Vc 式(3)；

H3＝H1+Q*dt*Hc 式(4)；

其中，V3为所述装置的速度，H3为所述装置的高度，Q为所述修正系数。

2.如权利要求1所述的高度与速度更新方法，其特征在于，所述根据加速度偏置值获取基于加速度传感器数据的高度和速度包括：

获取加速度传感器的加速度值；

将加速度值分别减去装置坐标系下的加速度偏置值；

根据加速度传感器倾角将所减去加速度偏置值的加速度值转换到地面坐标系下。

3.如权利要求2所述的高度与速度更新方法，其特征在于，所述加速度传感器倾角为装置坐标系与地面坐标系的倾斜角度。

4.如权利要求1所述的高度与速度更新方法，所述根据加速度偏置值获取基于加速度传感器数据的高度和速度的步骤在首次执行时，所述加速度偏置值为0。

5.如权利要求4所述的高度与速度更新方法，其特征在于，所述根据装置高度修正值及修正系数计算加速度偏置值包括：

根据装置高度修正值及修正系数计算地面坐标系下的加速度偏置值；

根据加速度传感器倾角将地面坐标系下的加速度偏置值转换到装置坐标系下。

6.如权利要求5所述的高度与速度更新方法，其特征在于，所述加速度传感器倾角为装置坐标系与地面坐标系的倾斜角度。

7.如权利要求5或6任一项所述的高度与速度更新方法，其特征在于，所述根据装置高度修正值及修正系数计算地面坐标系下的加速度偏置值包括：

获取加速度偏置值计算公式计算所述加速度偏置值；

其中，所述加速度偏置值计算公式为：

地面坐标系下X轴的加速度偏置值＝0

地面坐标系下Y轴的加速度偏置值＝0

地面坐标系下Z轴的加速度偏置值＝高度修正值*修正系数*修正系数*dt。

8.如权利要求1所述的高度与速度更新方法，其特征在于，所述根据气压传感器的速度及预设值选取修正系数包括：

当气压传感器速度大于预设值，将修正系数设为a；

当气压传感器速度小于等于预设值，将修正系数设为b；

其中，b值大于a值。

9.如权利要求8所述的高度与速更新度方法，其特征在于，所述修正系数的取值范围为0.01至1。

10.如权利要求8或9任一项所述的高度与速度更新方法，其特征在于，所述a、b值的比例关系为：2a≤b≤20a。

11.一种高度与速度更新模块，用于处理装置的气压传感器及加速度传感器数据以获得装置的高度及速度信息，其特征在于，包括:

存储器；以及

处理器，所述处理器与所述存储器通信连接，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10中任一项所述的高度与速度更新方法。

12.一种无人机，其特征在于，包括:

如权利要求11所述的高度与速度更新模块。