CN109062238A - 控制无人机悬停的装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种控制无人机悬停的装置。所述装置的一具体实施方式包括：气压计、陀螺仪、光流传感器、处理器，其中，气压计用于测量气压，输出气压值；陀螺仪用于测量所述无人机的角速度；光流传感器以一定的时间间隔，不断输出光流值；处理器，用于将一段时间内，光流传感器输出的光流值累加求和得到光流位移值，同时，对所述一段时间内的角速度进行积分，得到横滚角变化量和俯仰角变化量，根据气压值计算所述无人机的飞行高度，根据所述横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对所述光流位移值进行修正，得到位移偏移量，用于控制无人机修正偏移，实现悬停。该实施方式成本低，而且在控制悬停的过程中消除了姿态角的影响，悬停稳，精度高。
Description
技术领域
本申请涉及无人机技术领域，具体的涉及控制无人机悬停的装置。
背景技术
随着无人机技术的不断成熟，消费级无人机近年来进入了普通大众的视野。外观小巧、操作简便、自带悬停功能的小型无人机受到市场欢迎。
目前主要是基于光流控制无人机实现室内外的悬停，但无人机的姿态角会引入误差，为提高悬停的准确性，在控制无人机悬停时，需要根据姿态角修正光流。申请号为201710632847.5的一种基于IMU姿态补偿的多旋翼无人机光流悬停方法的专利，首先对光流摄像头拍摄的所有图像帧提取FAST角点；然后利用金字塔LK光流法匹配前后帧提取到的FAST角点，并建立特征点对，接着通过特征点对求取前后图像帧的光流结果；再通过获取的IMU数据对光流结果进行补偿；接着使用RANSAC随机采样一致性的方式计算飞机水平方向的主体偏移量；最终将计算结果发送给飞控装置保持飞机悬停状态。该算法基于机器视觉，使用光流摄像机、超声波传感器等设备，成本高，同时，该算法复杂，运算量大，对硬件要求较高。
发明内容
本申请的目的在于提出一种改进的控制无人机悬停的装置，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
本申请提供了一种控制无人机悬停的装置，所述装置包括：气压计，用于测量气压，输出气压值；陀螺仪，用于测量所述无人机的角速度；光流传感器，以一定的时间间隔，不断的输出光流值；处理器，用于将一段时间内，所述光流传感器输出的光流值累加求和得到光流位移值，同时，对所述一段时间内的角速度进行积分，得到横滚角变化量和俯仰角变化量，根据气压值计算所述无人机的飞行高度，根据所述横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对所述光流位移值进行修正，得到位移偏移量，用于控制无人机修正偏移，实现悬停。
在一些实施例中，所述光流传感器是鼠标传感器。
在一些实施例中，所述处理器根据所述横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对所述光流位移值进行修正，得到位移偏移量，包括：按照公式(1)，对X方向的光流位移值进行修正，得到X方向的位移偏移量：
其中，dx表示所述一段时间内的X方向的位移偏移量，Flowx表示所述一段时间内的X方向的光流位移值，Anglepitch表示所述一段时间内所述无人机绕Y轴旋转而产生的俯仰角变化量，fpitch表示因俯仰角变化而引入光流变化的系数，High表示飞行高度。
在一些实施例中，所述处理器根据所述横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对所述光流位移值进行修正，得到位移偏移量，包括：按照公式(2)，对Y方向的光流位移值进行修正，得到Y方向的位移偏移量：
其中，dy表示所述一段时间内的Y方向的位移偏移量，Flowy表示所述一段时间内的Y方向的光流位移值，Angleroll表示所述一段时间内所述无人机绕X轴旋转而产生的横滚角变化量，froll表示因横滚角变化而引入光流变化的系数，High表示飞行高度。
在一些实施例中，所述处理器还用于计算因俯仰角变化而引入光流变化的系数fpitch的取值，具体的：保持无人机水平和垂直方向的位置不变，在一定的俯仰角的角度范内，不断摇晃所述无人机，记录光流位移值Flowx随时间变化的曲线，同时计算随时间变化的曲线；调整第二条曲线中fpitch的取值，当两条曲线重合时，记录fpitch的取值。
在一些实施例中，所述处理器还用于计算因横滚角变化而引入光流变化的系数froll的取值，具体的：保持无人机水平和垂直方向的位置不变，在一定的横滚角的角度范内，不断摇晃所述无人机，记录光流位移值Flowy随时间变化的曲线，同时计算随时间变化的曲线；调整第二条曲线中froll的取值，当两条曲线重合时，记录froll的取值。
在一些实施例中，所述处理器还用于计算因俯仰角变化而引入光流变化的系数fpitch的取值和因横滚角变化而引入光流变化的系数froll的取值，具体的：保持无人机水平和垂直方向的位置不变，控制所述光流传感器的输出值在正负一定的范围，不断摇晃无人机，分别记录X方向的光流位移值Flowx、Y方向的光流位移值Flowy随时间变化的曲线；为fpitch设置一个初值，计算随时间变化的曲线，调整该曲线中fpitch的取值，当该曲线与Flowx曲线重合时，记录fpitch的取值；同理，为froll设置一个初值，计算随时间变化的曲线，调整该曲线中froll的取值，当该曲线与Flowy曲线重合时，记录froll的取值。
在一些实施例中，所述处理器根据气压值计算所述无人机的飞行高度，具体的：所述处理器先根据所述无人机开机时，所述气压计测量并传递的气压值，计算所述无人机的绝对高度作为初始绝对高度，之后，所述处理器根据所述气压计实时测量的气压值，计算所述无人机当前的绝对高度，所述当前绝对高度与初始绝对高度的差值作为所述无人机的飞行高度。
本申请提供的控制无人机悬停的装置，处理器根据光流传感器输出的光流值计算光流位移值，根据气压计输出的气压值计算飞行高度，根据陀螺仪输出的角速度姿态角，然后，根据飞行高度、姿态角对光流位移值进行修正，得到位移偏移量，用于控制无人机修正偏移，实现悬停。硬件成本低，而且在控制悬停的过程中消除了姿态角的影响，悬停稳，精度高。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本申请的控制无人机悬停的装置的一个实施例的结构示意图；
图2是根据本申请的控制无人机悬停装置的一实施例的X轴方向的光流位移的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了根据本申请的控制无人机悬停的装置的一个实施例的结构示意图100。所述的控制无人机悬停的装置，包括气压计101、陀螺仪102、光流传感器103、处理器104。
在本实施例中的无人机特指具有悬停功能的无人机，例如，多旋翼无人机。示例性的四轴飞行器。上述控制无人机悬停的装置安装在无人机上，其中，气压计101用于实时或以一定的时间间隔测量气压，输出气压值，处理器104根据气压计101测的气压值计算当前无人机的绝对高度。两次测量的绝对高度的差值，可以反映无人机在垂直方向上下移动的距离。
在本实施例中，测量无人机飞行高度的具体方法为：首先，在无人机开机时，气压计101测量开机时的气压值，并将该气压值发送给处理器104或等待处理器104读取该气压值；然后，处理器104根据气压与高度的关系，计算该气压值对应的绝对高度，并将该绝对高度作为初始绝对高度，之后，处理器104根据气压计101实时测量的气压值，计算无人机当前的绝对高度，当前绝对高度与初始绝对高度的差值作为无人机的飞行高度。例如，在大厦的12层，开机时，无人机放置在大厦12层的地板上，测得一初始绝对高度，当无人机起飞后，在10秒时，测得一绝对高度，该绝对高度与初始绝对高度的差值，即无人机相对于12层地板的飞行高度。
在本实施例的一些可选的实现方式中，可以先记录开机时的气压作为初始气压，之后，用实时测得的气压减去初始气压得到气压差，最后，根据气压与高度的关系，换算得到该气压差对应的高度作为无人机的飞行高度。
在本实施中，陀螺仪102也称为角速度传感器，用于测量角速度。处理器104将一段时间内陀螺仪输出的角速度进行积分求和，得到在该段时间内无人机旋转的角度。在本实施例中，陀螺仪主要用于测量无人机的横滚角变化量和俯仰角变化量，可以采用单轴陀螺仪、双轴陀螺仪、三轴陀螺仪、六轴陀螺仪中的一种。以三轴MEMS(Micro ElectroMechanical systems，微电子机械系统)陀螺仪为例，三轴MEMS陀螺仪输出无人机的横滚角角速度、俯仰角角速度、偏航角角速度，处理器104分别对一段时间内输出的横滚角角速度、俯仰角角速度进行积分得到横滚角变化量、俯仰角变化量。
在本实施例中，光流传感器103安装于无人机的底部，用于连续捕获图像、对相邻两帧图像中的同一个特征点进行比对分析，输出X方向的光流值和Y方向的光流值。
在本实施例的一些可选的实现方式中，采用鼠标传感器作为光流传感器。其中，鼠标传感器也称为光电鼠标传感器，是一种高度集成的数字图像处理系统，其内部集成了相机和微处理器，成本低。相机伴随着无人机的漂移和/或旋转对探测表面连续拍照，然后，提取每张照片里的特征像素，通过比较相邻两张照片里同一个特征像素的位置变化，输出X方向的光流值和Y方向的光流值。常见的鼠标传感器的帧速率最大能达到6400fps(FramesPer Second，帧速率)，即每秒钟刷新6400帧，在使用时，根据需要可以调整帧速率的值，调整后的帧速率的值要小于最大帧速率。例如，在不良照明条件下获得更好的效果，帧速率被设置2000fps。
在本实施例中，处理器104对上述一段时间内光流传感器103输出的光流值累加求和得到光流位移值。具体的：处理器104对上述一段时间内光流传感器103输出的X方向的光流值累加求和，得到X方向的光流位移值；对上述一段时间内光流传感器103输出的Y方向的光流值累加求和，得到Y方向的光流位移值。上述光流位移值是一个矢量，可以反映光流位移的方向和具体的大小。
在本实施例中，当无人机在不同的高度水平漂移相同的距离时，高度越低，光流传感器103输出的光流值越大。另外，当无人机的姿态角发生变化，会影响光流传感器103输出的光流值，其中，上述姿态角可以是横滚角、俯仰角、偏航角中的一种或多种。所以需要根据横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对上述光流位移值进行修正，得到位移偏移量。
在本实施例中，设置无人机的机体坐标系与地理坐标系保持一致。定义无人机绕Y轴旋转产生的角为俯仰角，绕X轴旋转产生的角为横滚角。
继续参考图2，该图是根据本申请的控制无人机悬停装置的一实施例的X轴方向的光流位移的示意图。O为坐标的原点，OD的方向表示X轴的正方向。在t0时刻，处于悬停状态的无人机201停留在原点O的正上方A点，在t1时刻，该无人机漂移到A'处，如201'所示。从A'点向X轴做一条垂线，交点为C，A'C对应无人机当前的飞行高度；同时，光流传感器垂直安装于无人机的底部，无人机绕Y轴旋转，则该光流传感器中相机的光轴与X轴的交点设为D，即产生的俯仰角为∠CA'D，其角度值大小为Anglepitch，该值可以根据陀螺仪输出的俯仰角的角速度计算得到。位移CD是因飞行高度变化、俯仰角变化量Anglepitch的存在而引入的位移误差。此外，对t0到t1时间段内光流传感器输出的X轴方向的光流值累加求和，得到光流位移值Flowx，无人机的飞行高度会对光流位移值Flowx的取值造成影响。因此需按照公式(1)，对X方向的光流位移值进行修正，得到X方向的位移偏移量：
其中，dx表示t0到t1时间段内的X方向的位移偏移量，对应图2中的OC，Flowx表示t0到t1时间段内的X方向的光流位移值，对应图2中的OD，Anglepitch表示t0到t1时间段内无人机绕Y轴旋转而产生的俯仰角变化量，fpitch表示因俯仰角变化而引入光流变化的系数，High表示飞行高度，对应图2中的A'C。
对于因俯仰角变化而引入光流变化的系数fpitch的取值，可以根据如下的步骤求解：
(1)保持无人机水平和垂直方向的位置不变，在一定的俯仰角的角度范内，不断摇晃无人机，记录光流位移值Flowx随时间变化的曲线。
(2)将俯仰角变化量Anglepitch乘以得到弧度制的值，为fpitch设置一个初值，计算随时间变化的曲线。
(3)调整第二条曲线中fpitch的取值，当两条曲线重合时，记录fpitch的取值。
同理，按照公式(2)，对Y方向的光流位移值进行修正，得到Y方向的位移偏移量：
其中，dy表示所述一段时间内的Y方向的位移偏移量，Flowy表示所述一段时间内的Y方向的光流位移值，Angleroll表示所述一段时间内所述无人机绕X轴旋转而产生的横滚角变化量，froll表示因横滚角变化而引入光流变化的系数，High表示飞行高度。
计算因横滚角变化而引入光流变化的系数froll的取值，具体的可以根据如下的步骤求解：
(1)保持无人机水平和垂直方向的位置不变，在一定的横滚角的角度范内，不断摇晃无人机，记录光流位移值Flowy随时间变化的曲线。
(2)将横滚角变化量Angleroll乘以得到弧度制的值，为froll设置一个初值，计算随时间变化的曲线。
(3)调整第二条曲线中froll的取值，当两条曲线重合时，记录froll的取值。
在本实施例的一些可选的实现方式中，保持无人机水平和垂直方向的位置不变，控制光流传感器的输出值在正负一定的范围，不断摇晃无人机，分别记录X方向的光流位移值Flowx、Y方向的光流位移值Flowy随时间变化的曲线。同时，为fpitch设置一个初值，计算随时间变化的曲线，调整该曲线中fpitch的取值，当该曲线与Flowx曲线重合时，记录fpitch的取值。同理，为froll设置一个初值，计算随时间变化的曲线，调整该曲线中froll的取值，当该曲线与Flowy曲线重合时，记录froll的取值。
在本实施例中，处理器根据设置的悬停高度或无人机刚进入悬停模式时的飞行高度，及现在的飞行高度和上述修正后的X方向的位移偏移量和Y方向的位移偏移量，生成脉冲宽度调制(PMW，Pulse Width Modulation)信号控制无人机的电机，用以修复无人机在水平和垂直方向的偏移，保持无人机整体稳定的悬停。
在本实施例中，仅使用气压计、光流传感器、处理器即可控制无人机的悬停，硬件成本低，此外，在悬停的过程中消除了姿态角的影响，悬停稳，精度高。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。示例性的用超声波测距传感器代替气压计，来测量无人机的飞行高度。
Claims (8)
1.一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述装置包括：
气压计，用于测量气压，输出气压值；
陀螺仪，用于测量所述无人机的角速度；
光流传感器，以一定的时间间隔，不断的输出光流值；
处理器，用于将一段时间内，所述光流传感器输出的光流值累加求和得到光流位移值，同时，对所述一段时间内的角速度进行积分，得到横滚角变化量和俯仰角变化量，根据气压值计算所述无人机的飞行高度，根据所述横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对所述光流位移值进行修正，得到位移偏移量，用于控制无人机修正偏移，实现悬停。
2.根据权利要求1所述的一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述光流传感器是鼠标传感器。
3.根据权利要求1所述的一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述处理器根据所述横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对所述光流位移值进行修正，得到位移偏移量，包括：
按照公式(1)，对X方向的光流位移值进行修正，得到X方向的位移偏移量：
其中，dx表示所述一段时间内的X方向的位移偏移量，Flowx表示所述一段时间内的X方向的光流位移值，Anglepitch表示所述一段时间内所述无人机绕Y轴旋转而产生的俯仰角变化量，fpitch表示因俯仰角变化而引入光流变化的系数，High表示飞行高度。
4.根据权利要求1所述的一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述处理器根据所述横滚角变化量、俯仰角变化量、飞行高度对所述光流位移值进行修正，得到位移偏移量，包括：
按照公式(2)，对Y方向的光流位移值进行修正，得到Y方向的位移偏移量：
其中，dy表示所述一段时间内的Y方向的位移偏移量，Flowy表示所述一段时间内的Y方向的光流位移值，Angleroll表示所述一段时间内所述无人机绕X轴旋转而产生的横滚角变化量，froll表示因横滚角变化而引入光流变化的系数，High表示飞行高度。
5.根据权利要求3所述的一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述处理器还用于计算因俯仰角变化而引入光流变化的系数fpitch的取值，具体的：
保持无人机水平和垂直方向的位置不变，在一定的俯仰角的角度范内，不断摇晃所述无人机，记录光流位移值Flowx随时间变化的曲线，同时计算随时间变化的曲线；调整第二条曲线中fpitch的取值，当两条曲线重合时，记录fpitch的取值。
6.根据权利要求4所述的一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述处理器还用于计算因横滚角变化而引入光流变化的系数froll的取值，具体的：
保持无人机水平和垂直方向的位置不变，在一定的横滚角的角度范内，不断摇晃所述无人机，记录光流位移值Flowy随时间变化的曲线，同时计算随时间变化的曲线；调整第二条曲线中froll的取值，当两条曲线重合时，记录froll的取值。
7.根据权利要求3或4所述的一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述处理器还用于计算因俯仰角变化而引入光流变化的系数fpitch的取值和因横滚角变化而引入光流变化的系数froll的取值，具体的：
保持无人机水平和垂直方向的位置不变，控制所述光流传感器的输出值在正负一定的范围，不断摇晃无人机，分别记录X方向的光流位移值Flowx、Y方向的光流位移值Flowy随时间变化的曲线；
为fpitch设置一个初值，计算随时间变化的曲线，调整该曲线中fpitch的取值，当该曲线与Flowx曲线重合时，记录fpitch的取值；
同理，为froll设置一个初值，计算随时间变化的曲线，调整该曲线中froll的取值，当该曲线与Flowy曲线重合时，记录froll的取值。
8.根据权利要求1所述的一种控制无人机悬停的装置，其特征在于，所述处理器根据气压值计算所述无人机的飞行高度，具体的：
所述处理器先根据所述无人机开机时，所述气压计测量并传递的气压值，计算所述无人机的绝对高度作为初始绝对高度，之后，所述处理器根据所述气压计实时测量的气压值，计算所述无人机当前的绝对高度，所述当前绝对高度与初始绝对高度的差值作为所述无人机的飞行高度。
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