CN109254587A - 可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法，包括旋翼无人机、光流模块、接收线圈以及AC‑DC整流模块，旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC‑DC整流模块的输入端相连，AC‑DC整流模块的输出端为电池充电；光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，摄像头用于采集图像信息；激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；六轴传感器用于测量光流模块的姿态；摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器与旋翼无人机的微处理器相连。本无人机使用了光流模块与激光测距技术、九轴传感器来保证无人机可以在无线供电、充电条件下稳定悬停。

Description

可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体而言涉及一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法。

背景技术

无线输电技术是近年来急速普及开来的一种新兴技术。由于无线输电技术的迅速发展，将无线输电与无人机相结合的研究也在逐渐开展。帝国理工的课题组已可以使小型无人机在仅用充电线圈供电下，距地飞行12厘米。但由于未对无人机进行控制，帝国理工的课题组使用细线限制了无人机的飞行位置；其可以在无线充电线圈上方12cm范围内飞行，但此无人机无法实现较为稳定的悬停。另外，由于无线充电、供电条件下，无人机附近存在快速交替变化的磁场，该磁场可对无人机内部的位置传感器造成影响，从而影响无人机的稳定飞行。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种可在无线供电条件下稳定悬停的小型无人机及其控制方法，解决了即使无线充电条件下，仍能稳定的定点悬停的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机，包括旋翼无人机、固定安装在旋翼无人机上的光流模块、接收线圈以及AC-DC整流模块，所述旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC-DC整流模块的输入端相连，AC-DC整流模块的输出端为电池充电；

所述光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，

摄像头用于采集图像信息；

激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；

六轴传感器用于测量光流模块的姿态；

所述摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器通过串口与旋翼无人机的微处理器相连。

本发明的另一目的是提供一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机的控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)微处理器接收摄像头采集的图像信息，对相邻两帧的图像进行光流法处理，得到图像的光流数据，再将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，融合后使用距离进行补偿，得到光流模块实际输出的光流数据，将光流数据进行积分，得到旋翼无人机的位移数据；

(2)当旋翼无人机的微处理器检测到九轴传感器中的磁力计的X轴输出超出设定的范围时，旋翼无人机的微处理器接收旋翼无人机的位移数据，位移数据输入到位置PID控制器，位置PID控制器输出旋翼无人机的姿态设定值给旋翼无人机，实现旋翼无人机的姿态控制；

(3)位置PID控制器的输入是步骤(2)中所述的位移数据，输出是角度设定值，即旋翼无人机的姿态设定值；角度设定值与角度测量值一同输入至角度PID控制器，角度PID控制器输出角速度设定值；角速度设定值与角速度测量值作为角速度PID控制器的输入，角速度PID控制器的输出直接控制旋翼无人机各电机的转速，进而控制旋翼无人机的姿态；

(4)旋翼无人机的角速度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器中的三轴陀螺仪进行测量，旋翼无人机的瞬时角度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器中的三轴加速度计与上述三轴陀螺仪测得的瞬时角速度经互补滤波融合后得到；

(5)上述由位置PID控制器、角度PID控制器、角速度PID控制器所构成的旋翼无人机位置控制回路可实现无人机稳定悬停的目的。

进一步的，所述光流法为L-K光流法、块匹配光流法、或稀疏光流法。

进一步的，所述将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，具体如下：

Out_x为x轴滤波融合后的数据，pix_x为原始的x轴光流数据，gyro为六轴传感器的陀螺仪测得的x轴的角速度数据，K为大于gyro的常数；同理，可得Out_y为y轴滤波融合后的数据。

进一步的，当旋翼无人机的微处理器接收光流数据前，需对光流数据进行补偿，补偿方法如下：

(1)在旋翼无人机上放置标记点；

(2)采用OptiTrack动作捕捉系统，对标记点进行坐标定位，将旋翼无人机从第一位置移到第二位置，得到两个位置的坐标，从而得到从第一位置移到第二位置间的x轴和y轴方向的位移；

(3)将光流数据进行积分，分别得到x轴和y轴方向的位移；

(4)使步骤(3)得到的x轴和y轴方向的位移的数值趋近于步骤(2)得到的x轴和y轴方向的位移的数值，从而完成光流数据的补偿。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：本无人机使用了光流模块与激光测距技术、九轴传感器来保证无人机可以在无线供电、充电条件下稳定悬停。

光流模块在室内定位中应用较广，但在使用时，仅在光流模块的摄像头所拍摄的画面有明显纹理时才能获得良好定位效果，且光流模块在长时间使用时易产生漂移，造成无人机的定位不准。此外，光流模块的输出需要结合无人机的自身姿态数据与飞行高度数据才能实现无人机定位。

本无人机所采用的激光测距技术要求测距平面粗糙不反光，且该激光测距的量程较小。本无人机使用九轴传感器中的磁力计来判断无人机是否处于无线充电/供电状态下。

本无人机可以在无线充电条件下进行稳定的悬停。在无风条件下，该无人机10s内的偏移不超过20cm。且该无人机可以自行检测自身是否处于无线充电状态下，如在无线充电状态下则启动光流模块。

本无人机则可以在加装无线充电/供电模块后可以实现稳定的悬停飞行。此外，无人机可以自行判断自身是否处于无线充电/供电条件下，并依此决定是否启用光流计进行稳定飞行。

附图说明

图1为本发明控制方法的控制回路图；

图2为x轴方向位移数据；

图3为y轴方向位移数据；

图4为磁力计x轴滤波输出(电池)；

图5为磁力计x轴滤波输出(线圈24v)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例提供一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机，包括旋翼无人机、固定安装在旋翼无人机上的光流模块、接收线圈以及AC-DC整流模块，所述旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC-DC整流模块的输入端相连，AC-DC整流模块的输出端为电池充电；所述光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，摄像头用于采集图像信息；激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；六轴传感器用于测量光流模块的姿态；所述摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器通过串口与旋翼无人机的微处理器相连。

1.本实施例以开源无人机为MiniFly的四旋翼开源无人机为例，使用的地面站为匿名地面站，使用的开源光流模块为“玩物者”光流模块，光流模块与无人机通过串口连接；

2.无人机内有九轴传感器，光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，无人机采用角度控制回路进行姿态控制；

3.光流模块以60帧/秒的速度向通过串口传送处理好的光流数据与激光测距高度；

4.无人机飞控获取到光流数据后，根据无人机自身高度与姿态对光流数据进行补偿，从而得到无人机相对地面的实际位移；

5.无人机飞控芯片根据图1的控制回路对无人机位置进行控制。

光流模块与旋翼无人机的通讯：

1、光流模块与旋翼无人机通过串口连接，本实施例中的串口的波特率为115200；

2、光流模块的数据帧中包含帧头、数据包、校验位、帧尾，其中数据包包含x、y轴上的光流数据、激光测距模块测得的距离数据；

3、光流模块以每秒60帧的速度，稳速通过串口向旋翼无人机传输上述数据帧；

4、由于旋翼无人机的微处理器处理速度较快(约每秒500周期)，以每秒60帧接收光流模块的串口数据会显著拖慢旋翼无人机微处理器的运算速度(上述缺点可通过IIC总线传输解决)，为协调旋翼无人机的微处理器较快的处理速度与光流模块较慢的处理速度，旋翼无人机的微处理器只在特定运算周期等待接收光流模块的数据，本实施例中无人机每秒接收40帧光流数据。

下面详细描述本发明一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机的控制方法，包括如下五个步骤：

(1)微处理器接收摄像头采集的图像信息，光流模块中的微处理器对相邻两帧的图像进行光流法处理，得到图像的光流数据；所述光流法为L-K光流法、块匹配光流法、或稀疏光流法；下面以L-K光流法为例，简要介绍光流法的使用方法：

光流的计算基于三个个假设。其一，拍摄间隔很短的两帧图像的中的同一物体的灰度(即亮度)保持不变；其二，给定两帧图像中的物体运动的速度是缓慢的；其三，图像中局部像素的运动方向是一致的。

根据以上假设，图像中物体的运动速度即可由同一物体上某固定点在两帧图像上的位置的变化计算得到。同一物体的某固定点可以用图像中的特征点进行代替，以特征点的位置变化代表两幅图片中发生的位移。上述的光流模块即采用该种计算方法。图像中特征点的提取有多种方法，在此不做展开。

L-K光流法是基于严格计算的光流计算方法。首先定义图像的约束方程如式(1)，即拍摄间隔很短的两帧图像的中，同一物体的灰度保持不变。

I(x,y,t)＝I(x+δx,y+δy,t+δt) (1)

式中，I(x,y,t)表示一个二维图像序列各点的亮度，t代表图像拍摄的时间。在时，可以进行一阶泰勒展开获得式(2)。

由式(1)和忽略高阶无穷小的式(2)，经整理后可以获得式(3)。

将二维图像上的光流向量定义为式(4)与(5)。为图像在点(x,y,t)的向相应方向的差分。

式(6)即为前后两帧图像中同一物体的灰度所符合的等式。因为以上的公式是可应用于图像序列中各个像素点的，故根据式(6)，在两帧图像中可以列出多个这样的等式。由于方程中有两个未知量，故实际通过图像中两个点的数据即可获得光流的计算值，但实际使用中常常使用多个像素点进行计算以减小误差，如式(7)使用了三个像素点计算，实际还可以先进行特征点的提取，再对各个特征点列式计算。使用最小二乘法解矩阵拟合出该超定方程组的解，V_x,V_y即为图像中的光流信息。

再将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，所述将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，具体如下：

Out_x为x轴滤波融合后的数据，pix_x为原始的x轴光流数据，gyro为六轴传感器的陀螺仪测得的x轴的角速度数据，K为大于gyro的常数；同理，可得Out_y为y轴滤波融合后的数据。

融合后使用距离进行补偿，得到光流模块实际输出的光流数据，将光流数据进行积分，得到旋翼无人机的位移数据；

(2)当旋翼无人机的微处理器检测到九轴传感器中的磁力计的X轴输出超出设定的范围时，旋翼无人机的微处理器接收旋翼无人机的位移数据，位移数据输入到位置PID控制器，位置PID控制器输出旋翼无人机的姿态设定值给旋翼无人机，实现旋翼无人机的姿态控制。

(3)位置PID控制器是由旋翼无人机内部的微处理器通过算法完成的PID控制器，位置PID控制器的输入是(2)中所述的位移数据，输出是角度设定值，即旋翼无人机的姿态设定值。角度设定值与角度测量值一同输入至角度PID控制器，角度PID控制器输出角速度设定值。角速度设定值与角速度测量值作为角速度PID控制器的输入。角速度PID控制器的输出直接控制旋翼无人机各电机的转速，进而控制旋翼无人机的姿态。上述角度PID控制器与角速度PID控制器是由旋翼无人机内部的微处理器通过算法完成的PID控制器。

(4)旋翼无人机的角速度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器MPU9250中的三轴陀螺仪进行测量，旋翼无人机的瞬时角度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器MPU9250中的三轴加速度计与上述三轴陀螺仪测得的瞬时角速度经互补滤波融合后得到。

(5)上述由光流模块、旋翼无人机上的三轴陀螺仪与三轴加速度计、位置PID控制器、角度PID控制器、角速度PID控制器所构成的旋翼无人机位置控制回路可实现无人机稳定悬停的目的。

当旋翼无人机的微处理器接收光流数据前，需对光流数据进行补偿，以动作捕捉系统测得的无人机位移为真实位移，以光流模块测得的无人机自身位移为测量值。此步骤用以对动态运动中的光流模块输出的光流数据进行补偿，使光流模块输出的光流数据经过积分得到的位移数据尽可能接近动作捕捉系统得到的旋翼无人机位移数据。

(1)在静止条件下，检查光流模块输出的光流数据，对光流模块的输出进行零偏，之后在旋翼无人机上放置动作捕捉系统的标记点；

(2)采用OptiTrack动作捕捉系统，对标记点进行坐标定位，(在本实施例中，由于所选用的旋翼无人机负重能力较弱，故在本补偿步骤中手动移动无人机)手动将将旋翼无人机从第一位置垂直提起约50cm高，随后将其从第一位置缓慢移到第二位置并垂直放下，得到两个位置的坐标，从而得到从第一位置移到第二位置间的x轴和y轴方向的位移，此过程中要注意不要旋转旋翼无人机；

(3)将光流数据进行积分，分别得到x轴和y轴方向的位移；

(4)使步骤(3)得到的x轴和y轴方向的位移的数值趋近于步骤(2)得到的x轴和y轴方向的位移的数值，从而完成光流数据的补偿。

(5)在多次测试后，可以得到如图2与图3的记录结果。图2为x轴方向的位移数据，Optical-X为光流模块测得的旋翼无人机x轴方向位移数据，单位为像素；Motive-X为动作捕捉系统得到的旋翼无人机x轴方向位移数据，单位为厘米，同理有图3为y轴方向的位移数据；

(6)由以上测试可知，在无人机高度变化不大时，光流模块输出的光流数据的积分位移与动作捕捉系统得到的位移只差会随时间逐渐增大，为补偿该误差需要旋翼无人机上的微处理器每过一定的运算周期便对光流数据的位移进行加减补偿。

无线充电环境的检测：

1.无人机内部的MPU9250九轴传感器中包含三轴的磁力计；

2.选取三轴磁力计的x轴输出，将输出通过高通滤波器处理；

3.当高通滤波后的输出大于某一值y时，则认为无人机处于磁场干扰或无线充电/供电条件下，则启动无人机的光流位置控制回路。

4.高通滤波方法高通滤波器可依式(9)进行设计，其中y_n-1为上一次滤波器的输出，x_n-1为上一次的滤波器输入，k为一小于100％的常数。

y_n＝k·y_n-1+(1-k)·(x_n-x_n-1) (9)

如在连续的一段时间内，高通滤波器的输出大于某一阈值，则认为当前的磁场干扰较大，应将旋翼无人机切换至位置控制模式，反之则认为当前受磁场干扰较小，此时旋翼无人机控制模式不需要切换。在k＝80％，旋翼无人机分别在电池供电与线圈供电下，旋翼无人机上的磁力计的x轴输出经高通滤波器的输出如图4与图5所示，根据实际情况，设置适当的阈值。如图4与图5中的情况，当滤波后输出大于4，则可认为旋翼无人机此时受到了磁场干扰，应切换至光流定位模式。

旋翼无人机的高度估计：

由于激光测距数据与光流数据一同更新，与旋翼无人机的姿态控制相比，在时间上有一定的延迟。为了使旋翼无人机在激光测距的更新间隔内也可以获得较为准确的自身高度数据，需要随时对旋翼无人机的高度进行估计，式(10)为旋翼无人机高度的估计公式。H为估计得到的高度值，h_dis为上次获取到的激光测距芯片测得的距离，v_z与a_z为当前时刻重力方向的速度与加速度(由旋翼无人机上的九轴传感器测得)，T为加速度计的更新周期。由于九轴传感器的加速度计的更新周期为500Hz，可以保证旋翼无人机在高度控制中有实时的高度反馈。

H＝h_dis+(v_z+a_z·T)·T (10)

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机，其特征在于，包括旋翼无人机、固定安装在旋翼无人机上的光流模块、接收线圈以及AC-DC整流模块，所述旋翼无人机带有九轴传感器和电池，接收线圈与AC-DC整流模块的输入端相连，AC-DC整流模块的输出端为电池充电；

所述光流模块包括微处理器、摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器，

摄像头用于采集图像信息；

激光测距芯片用于测量光流模块与地面间的距离；

六轴传感器用于测量光流模块的姿态；

所述摄像头、激光测距芯片以及六轴传感器均与光流模块的微处理器电连接，光流模块的微处理器通过串口与旋翼无人机的微处理器相连。

2.一种权利要求1所述的可在无线充电条件下稳定悬停的小型无人机的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)微处理器接收摄像头采集的图像信息，对相邻两帧的图像进行光流法处理，得到图像的光流数据，再将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，融合后使用距离进行补偿，得到光流模块实际输出的光流数据，将光流数据进行积分，得到旋翼无人机的位移数据；

(2)当旋翼无人机的微处理器检测到九轴传感器中的磁力计的X轴输出超出设定的范围时，旋翼无人机的微处理器接收旋翼无人机的位移数据，位移数据输入到位置PID控制器，位置PID控制器输出旋翼无人机的姿态设定值给旋翼无人机，实现旋翼无人机的姿态控制；

(3)位置PID控制器的输入是步骤(2)中所述的位移数据，输出是角度设定值，即旋翼无人机的姿态设定值；角度设定值与角度测量值一同输入至角度PID控制器，角度PID控制器输出角速度设定值；角速度设定值与角速度测量值作为角速度PID控制器的输入，角速度PID控制器的输出直接控制旋翼无人机各电机的转速，进而控制旋翼无人机的姿态；

(4)旋翼无人机的角速度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器中的三轴陀螺仪进行测量，旋翼无人机的瞬时角度测量值由旋翼无人机中的九轴传感器中的三轴加速度计与上述三轴陀螺仪测得的瞬时角速度经互补滤波融合后得到；

(5)上述由位置PID控制器、角度PID控制器、角速度PID控制器所构成的旋翼无人机位置控制回路可实现无人机稳定悬停的目的。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述光流法为L-K光流法、块匹配光流法、或稀疏光流法。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述将光流数据与光流模块的姿态进行滤波融合，具体如下：

Out_x为x轴滤波融合后的数据，pix_x为原始的x轴光流数据，gyro为六轴传感器的陀螺仪测得的x轴的角速度数据，K为大于gyro的常数；同理，可得Out_y为y轴滤波融合后的数据。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当旋翼无人机的微处理器接收光流数据前，需对光流数据进行补偿，补偿方法如下：

(1)在旋翼无人机上放置标记点；

(2)采用OptiTrack动作捕捉系统，对标记点进行坐标定位，将旋翼无人机从第一位置移到第二位置，得到两个位置的坐标，从而得到从第一位置移到第二位置间的x轴和y轴方向的位移；

(3)将光流数据进行积分，分别得到x轴和y轴方向的位移；

(4)使步骤(3)得到的x轴和y轴方向的位移的数值趋近于步骤(2)得到的x轴和y轴方向的位移的数值，从而完成光流数据的补偿。