CN109582037A - 一种无人机的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种无人机的控制方法及装置，涉及无人机技术领域。所述无人机的控制方法包括：根据初始参数计算环绕飞行的开始航点和结束航点，所述初始参数包括前一个航点、后一个航点、环绕半径和中心航点；控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间基于所述中心航点执行环绕飞行。用此种方法控制无人机执行巡检任务，具有自主性强，控制精度高的优点同时可以在飞行中得到全方位的图像。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种无人机的控制方法及装置。
背景技术
随着无人机技术的发展和控制系统的逐渐成熟，越来越多的无人机被用于安防、巡检、侦查等领域。在某些应用场景下，例如巡检电力铁塔、高速拥堵巡查等，巡检机需要对巡检区域环绕飞行，获取全方位图像。目前搭载相机的无人机一般采用两种飞行模式进行巡查：一种是自动飞行模式，即设定的飞行航线经过重点巡查区域上空，无人机在飞越过程中对该区域进行图像拍摄；或者无人机在自主模式下利用图像识别模块，对巡检区域进行测距后，环绕飞行；另一种是手动飞行模式，即飞手控制无人机对巡检区域环绕飞行，获取全方位图像信息。
上述现有的起飞控制方法存在的问题如下：自主模式下无人机从巡检区域上空飞越，速度较快，无法获取全方位图像；而利用图像识别环绕飞行的方式，受限于图像识别的精度和范围，导致环绕半径取值范围有限且准确性较差，具有一定的安全隐患。而手动模式大大降低了无人机的自主飞行能力，无法进行远距离遥控飞行，限制了无人机的监测范围，此外由于飞行器的航向变化频繁并且变化速度快，极易造成飞手操作失误进而导致无人机坠毁。
发明内容
鉴于上述存在的种种问题，本发明的实施例提供一种无人机的控制方法及装置。
根据本发明的一方面，提供一种无人机的控制方法。根据初始参数计算环绕飞行的开始航点和结束航点，所述初始参数包括前一个航点、后一个航点、环绕半径和中心航点。控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行。
优选地，计算环绕飞行的中心航点、开始航点和结束航点包括：获取多个巡检区域；确定每次巡检区域的中心位置作为每一次环绕飞行的中心航点。
优选地，前一个航点和后一个航点基于航路和巡检路径确定。
优选地，无人机的控制方法还包括：控制所述无人机从所述前一个航点直飞到所述开始航点；以及控制所述无人机从所述结束航点直飞到所述后一个航点。
优选地，采用北东地坐标系标记所述前一个航点、所述后一个航点、所述开始航点、所述结束航点和所述中心航点。
优选地，所述根据初始参数计算环绕飞行的开始航点和结束航点包括：
根据所述前一个航点的坐标点和所述中心航点的坐标点之间的向量，计算所述开始航点的坐标点；
根据所述后一个航点的坐标点和所述中心航点的坐标点之间的向量，计算所述结束航点的坐标点。
优选地，计算环绕飞行的中心航点、开始航点和结束航点包括：所述中心航点的坐标点标记为Oi(xi,yi,zi)，所述前一个航点的坐标点标记为Ai(xAi,yAi,zAi)、后一个航点的坐标点标记为Bi(xBi,yBi,zBi)，所述环绕飞行的开始航点的坐标点标记为Oi1(xi1,yi1,zi1)，结束航点标记的坐标点为Oi2(xi2,yi2,zi2)，环绕半径标记为r，则计算方程式如下：
优选地，环绕方向标记为δi。俯视顺时针环绕时，令δi＝1；俯视逆时针环绕时，令δi＝-1；环绕方向无特殊要求时，令δi＝0.
优选地，环绕飞行的环绕角度β的计算步骤如下：
设向量沿俯视顺时针方向转动至的夹角为α，则
设若则α＝a cos(λ)；若则α＝2π-a cos(λ)；
当环绕方向为顺时针方向，δi＝1时，β＝2πni+α；
当环绕方向为逆时针方向，δi＝-1时，β＝2π(ni+1)-α；
当对环绕方向无特殊要求，即δi＝0时,若α＜π，则令δi＝1，β＝2πni+α；否则δi＝-1，β＝2π(ni+1)-α，i表示当前为第i个巡检区域，ni表示环绕圈数，ni为正整数或大于零的小数。
优选地，控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行包括：当所述无人机到达所述开始航点，在所述开始航点调整飞行航向，机头对准所述中心航点，环绕过程中，航向始终指向所述中心航点。
优选地，控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行包括：所述无人机在径向方向控制位置，保证所述无人机与所述中心航点的距离。
优选地，控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行包括：在切向方向控制所述无人机的速度，保证无人机切向速度匀加速，当达到巡航速度后匀速飞行，当完成环绕飞行时进入减速过程。
优选地，所述环绕半径根据所述前一个航点、所述后一个航点和所述中心航点的航点属性确定。
根据本发明的另一方面，提供一种无人机的控制装置，包括：
计算模块，用于根据初始参数计算环绕飞行的开始航点和结束航点，所述初始参数包括前一个航点、后一个航点、环绕半径和中心航点。
控制模块，用于控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间基于所述中心航点执行环绕飞行。
根据本发明的又一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被执行时实现无人机的控制方法。
根据本发明的再一方面，提供一种无人机的控制装置，包括：存储器，用于存储计算机指令；处理器，耦合到所述存储器，所述处理器被配置为基于所述存储器存储的计算机指令执行实现无人机的控制方法。
本发明的一个实施例具有以下优点或有益效果：根据初始参数计算开始航点和结束航点，完成对无人机进行环绕飞行的控制，按照这种方式在环绕飞行中进行拍摄，能够得到全方位的图像。
本发明的一个实施例具有以下优点或有益效果：建立多个巡检区域，计算开始航点和结束航点的坐标，基于坐标点实现环绕飞行，从而实现高精度高的无人机飞行控制。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明一个实施例实现的无人机的环绕飞行的的示意图；
图2示出本发明另一个实施例的无人机的控制方法的流程示意图；
图3示出本发明一个实施例的无人机的控制装置的结构示意图；
图4示出本发明的另一个实施例的无人机的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
无人机想要在特定的区域做环绕飞行，首先需要确定环绕时围绕的中心以及环绕飞行时的环绕半径，还需要确定进行环绕飞行的开始航点和结束航点，进一步的还需要确定无人机是如何飞抵环绕飞行的开始航点，以及环绕飞行结束后，无人机如何离开环绕飞行的结束航点。
图1示出根据本发明一个实施例实现的无人机的环绕飞行的的示意图，箭头所指方向为无人机的飞行方向。通过图1所示能够帮助我们更好地理解本发明实施例。
在图1中，示有中心航点Oi、环绕半径r、开始航点Oi1、结束航点Oi2、前一个航点Ai以及后一个航点Bi。中心航点Oi、前一个航点Ai和开始航点Oi1可以在当前高度所属平面的一条直线上，中心航点Oi、后一个航点Bi和结束航点Oi1可以在当前高度所属平面的一条直线上。当然，上述航点也可以不在所属平面的一条直线上。
在无人机在进入环绕飞行阶段之前，可以基于前一个航点Ai和中心航点Oi计算出开始航点Oi1，基于后一个航点Bi和中心航点Oi计算出结束航点Oi2。前一个航点Ai和后一个航点Bi为进行全方位图像拍摄而选定的两个航点。前一个航点Ai、后一个航点Bi、中心航点Oi和环绕半径r可以是无人机起飞之前预先预设的初始参数，也可以是在无人机飞行过程中，无人机根据当前的飞行情况确认的参数。其中，环绕半径r可以基于当前确认的前一个航点Ai、后一个航点Bi、中心航点Oi的航点属性进行确认。也就是说，先确定了前一个航点Ai、后一个航点Bi、中心航点Oi，然后再根据航点属性确认环绕半径，进而计算开始航点和结束航点。
在无人机预备开始环绕飞行时，首先到达航点Ai,在航点Ai调整航向中心航点Oi飞行，到达开始航点Oi1,再次调整航向沿着开始航点Oi1到结束航点Oi2之间基于中心航点Oi进行环绕飞行。整个环绕飞行过程中，无人机的环绕飞行可能不止一圈。
在无人机预备结束环绕飞行时，到达结束航点Oi2，在结束航点Oi2调整航向，从结束航点Oi2向后一个航点Bi飞行。在到达后一个航点Bi继续下一次环绕飞行。对于下一次环绕飞行，其初始参数都可能发生变更，例如，中心航点和环绕半径均发生改变，而无人机当前位置可能在下一次环绕飞行的上一个航点，则先控制无人机飞行到下一次环绕飞行的上一个航点，然后飞行到开始航点，接着在开始航点和结束航点之间执行环绕飞行，最终从结束航点到达下一个航点。
在一个可选的实施例中，基于坐标系例如北东地坐标系(NED)对开始航点和结束航点的位置进行计算。在北东地坐标系下，设中心航点Oi为Oi(xi,yi,zi)，前一个航点的坐标点为Ai(xAi,yAi,zAi)、后一个航点的坐标点为Bi(xBi,yBi,zBi)，开始航点的坐标点为Oi1(xi1,yi1,zi1)，结束航点的坐标点为Oi2(xi2,yi2,zi2)，环绕半径标记为r，则开始航点和结束航点的坐标点计算方程式如下：
继续参见图1所示，图上的无人机的环绕方向为顺时针。也可以是逆时针或者在环绕飞行时对环绕方向没有特殊要求。如果将环绕方向标记为δi，则当俯视顺时针环绕时，令δi＝1；俯视逆时针环绕时，令δi＝-1；环绕方向无特殊要求时，令δi＝0。则在上述坐标点计算的基础上，继续计算环绕角度。整个环绕飞行过程中，无人机的环绕飞行可能不止一圈。因此环绕角度可以大于2π。环绕角度设定为β，见图1，计算步骤如下：
设向量沿俯视顺时针方向转动至的夹角为α，则
设若则α＝a cos(λ)；若则α＝2π-a cos(λ)；
当环绕方向为顺时针方向，δi＝1时，β＝2πni+α；
当环绕方向为逆时针方向，δi＝-1时，β＝2π(ni+1)-α；
当对环绕方向无特殊要求，即δi＝0时,若α＜π，则令δi＝1，β＝2πni+α；否则δi＝-1，β＝2π(ni+1)-α，i表示当前为第i个巡检区域，ni表示环绕圈数，ni为正整数或大于零的小数。
在一个可选的实施例中，无人机根据具体的巡检任务，自行设定环绕飞行的参数，包括有飞行半径、环绕圈数、环绕方向。在无人机的系统设置中，预先有默认环绕方向设置，可以将默认环绕方向设置为顺时针、逆时针或是随机选择顺时针、逆时针。当选择环绕方向无特殊要求，即设置δ＝0时，环绕方向为默认环绕方向。
在一个可选的实施例中，为保证任务的连贯性及飞行航迹的安全性，确定实际的环绕角度β，并根据环绕角度β控制环绕飞行。
综上，基于本发明实施例的控制方法，在坐标系下，航点均有精确的坐标位置，根据环绕航点，中心航点等航点精确的坐标以及计算得到的环绕角度对无人机的飞行进行控制，从而实现对无人机的精确控制。
图2示出本发明的另一个实施例的无人机的控制方法的流程示意图，具体包括以下步骤。
在步骤S201中，确定巡检区域，设定飞行轨迹；
在步骤S202中，建立坐标系，设定中心航点；
在步骤S203中，设定环绕飞行的参数；
在步骤S204中，生成环绕航点；
在步骤S205中，执行环绕飞行。
具体地，首先根据具体任务需求，结合地图，确定执行巡检的区域，设定飞行的轨迹。然后建立坐标系，设定中心航点，并得到中心航点的坐标。设定环绕飞行过程中的飞行参数，包括有飞行半径、环绕圈数、环绕方向。生成开始航点与结束航点，并得到对应的坐标。根据开始航点、结束航点以及环绕圈数，计算得到环绕角度。根据设定的飞行轨迹、中心航点、开始航点、结束航点、设定的环绕飞行参数以及环绕角度，执行具体的巡检任务。
在一个实施例中，采用的坐标系为北东地坐标系。在执行巡检任务的区域内，建立北东地坐标系。将巡检区域划分为数个小的巡检区域，对每个小的巡检区域编号。在第i号巡检区域的中心位置设定中心航点作为该巡检区域环绕飞行围绕的中心，将该中心航点的经纬度进行坐标转换，得到该中心航点在北东地坐标系下的坐标，i为正整数。
在一个优选实施例中，环绕飞行轨迹为圆柱螺旋线，无人机在环绕飞行的同时，高度也发生变化。
在一个实施例中，开始航点与结束航点重合在一起，环绕飞行开始于该点，结束于该点。
在一个优选实施例中，无人机按照飞行轨迹飞行，到达开始航点，在该航点调整飞行航向，使机头对准中心航点。
在一个优选实施例中，无人机在环绕飞行过程中，无人机的飞行环绕方向取决于δ。无人机在径向方向控制位置，保证无人机与环绕中心的距离始终为r。
在一个优选实施例中，在切向方向控制无人机的飞行速度，保证无人机切向速度匀加速，当达到巡航速度后匀速飞行。即将完成环绕飞行时，无人机开始匀减速。
在一个优选实施例中，在环绕飞行的过程中，航向始终指向环绕中心，在完成环绕飞行任务后，于环绕结束航点调整飞行航向，继续按照设定的飞行轨迹飞行。在另一个实施例中，在环绕飞行的过程中，机头指向不一定指向环绕中心，可根据实际需求进行调整和控制。
另外，应该指出的是，上述提到的无人机巡检仅仅为无人机的控制方法的一个示例性的应用场景，本发明实施例的无人机的控制方法还可以具有更多的应用场景，例如，利用无人机获得全方位图像，或者利用无人机进行矿业勘探。
综上，本发明实施例提供一种控制方法，用于控制无人机的环绕飞行。在该控制方法中，无人机基于根据上一航点、中心航点、下一航点的位置信息和环绕半径，得到环绕开始航点和环绕结束航点。进一步地，根据开始航点和结束航点的航点属性，结合环绕方向，确定环绕角度。
图3示出本发明的一个实施例的无人机的控制装置的结构示意图，该无人机的控制装置30，包括有计算模块301和控制模块302。
计算模块用于无人机飞行时的数据处理。计算模块根据初始参数计算环绕飞行的开始航点坐标和结束航点坐标，所述初始参数包括前一个航点坐标、后一个航点坐标、环绕半径以及中心航点坐标。
计算模块根据开始航点坐标、结束航点坐标以及环绕圈数，计算环绕角度。
控制模块用于控制无人机的飞行。控制模块用于控制所述无人机的飞行高度、速度、方向等，以及控制无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行。
图4是根据本发明实施例的无人机的控制装置的结构图。图4示出的设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围构成任何限制。
参考图4，该装置包括通过总线连接的处理器401、存储器402和输入输出设备403。存储器402包括只读存储器(ROM)和随机访问存储器(RAM)，存储器402内存储有执行系统功能所需的各种计算机指令和数据，处理器401从存储器402中读取各种计算机指令以执行各种适当的动作和处理。输入输出设备包括键盘、鼠标等的输入部分；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分；包括硬盘等的存储部分；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分。存储器402还存储有以下的计算机指令以完成本发明实施例表述的无人机的控制方法。
相应地，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被执行时实现上述无人机的控制方法。
附图中的流程图、框图图示了本发明实施例的系统、方法、装置的可能的体系框架、功能和操作，流程图和框图上的方框可以代表一个模块、程序段或仅仅是一段代码，所述模块、程序段和代码都是用来实现规定逻辑功能的可执行指令。也应当注意，所述实现规定逻辑功能的可执行指令可以重新组合，从而生成新的模块和程序段。因此附图的方框以及方框顺序只是用来更好的图示实施例的过程和步骤，而不应以此作为对发明本身的限制。
以上所述仅为本发明的一些实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种无人机的控制方法，其特征在于，包括：
根据初始参数计算环绕飞行的开始航点和结束航点，所述初始参数包括前一个航点、后一个航点、环绕半径和中心航点；
控制所述无人机从所述上一个航点到达所述开始航点，并所述开始航点和结束航点之间基于所述中心航点执行环绕飞行，在所述环绕飞行完成后，从所述结束航点到达下一个航点。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述计算环绕飞行的中心航点、开始航点和结束航点的步骤之前，所述控制方法还包括：
获取多个巡检区域；
确定每次巡检区域的中心位置作为每一次环绕飞行的中心航点。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，其中，前一个航点和后一个航点基于航路和巡检路径确定。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：控制所述无人机从所述前一个航点直飞到所述开始航点；以及控制所述无人机从所述结束航点直飞到所述后一个航点。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用北东地坐标系标记所述前一个航点、所述后一个航点、所述开始航点、所述结束航点和所述中心航点。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据初始参数计算环绕飞行的开始航点和结束航点包括：
根据所述前一个航点的坐标点和所述中心航点的坐标点之间的向量，计算所述开始航点的坐标点；
根据所述后一个航点的坐标点和所述中心航点的坐标点之间的向量，计算所述结束航点的坐标点。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述计算环绕飞行的中心航点、开始航点和结束航点包括：
所述中心航点的坐标点标记为Oi(xi,yi,zi)，所述前一个航点的坐标点为Ai(xAi,yAi,zAi)、后一个航点的坐标点为Bi(xBi,yBi,zBi)，所述开始航点的坐标点为Oi1(xi1,yi1,zi1)，结束航点的坐标点为Oi2(xi2,yi2,zi2)，环绕半径为r，则计算方程式如下：
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：计算所述环绕飞行的环绕角度β，计算步骤如下：
设向量沿俯视顺时针方向转动至的夹角为α，则
设若则α＝acos(λ)；若则α＝2π-acos(λ)；
当环绕方向为顺时针方向，δi＝1时，β＝2πni+α；
当环绕方向为逆时针方向，δi＝-1时，β＝2π(ni+1)-α；
当对环绕方向无特殊要求，即δi＝0时,若α＜π，则令δi＝1，β＝2πni+α；否则δi＝-1，β＝2π(ni+1)-α，i表示当前为第i个巡检区域，ni表示环绕圈数，ni为正整数或大于零的小数。
9.根据权利要求1所述的无人机的控制方法，其特征在于，所述控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行包括：
当所述无人机到达所述开始航点，在所述开始航点调整飞行航向，机头对准所述中心航点，环绕过程中，航向始终指向所述中心航点。
10.根据权利要求1所述的无人机的控制方法，其特征在于，所述控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行包括：
所述无人机在径向方向控制位置，保证所述无人机与所述中心航点的距离。
11.根据权利要求1所述的无人机的控制方法，其特征在于，所述控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行包括：
在切向方向控制所述无人机的速度，保证无人机切向速度匀加速，当达到巡航速度后匀速飞行，并提前减速到达所述结束航点。
12.根据权利要求1所述的无人机的控制方法，其特征在于，所述环绕飞行的轨迹为圆形、椭圆形、螺旋形中的一种。
13.根据权利要求1所述的无人机的控制方法，其特征在于，所述环绕半径根据所述前一个航点、所述后一个航点和所述中心航点的航点属性确定。
14.一种无人机的控制装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于根据初始参数计算环绕飞行的开始航点和结束航点，所述初始参数包括前一个航点、后一个航点、环绕半径和中心航点；
控制模块，用于控制所述无人机在所述开始航点和结束航点之间执行环绕飞行。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被执行时实现如权利要求1至12任一项所述的控制方法。
16.一种无人机的控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机指令；
处理器，耦合到所述存储器，所述处理器被配置为基于所述存储器存储的计算机指令执行实现如权利要求1至12中任一项所述的控制方法。
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