CN109753078A - 基于gps定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法，包括以下步骤：(1)将飞行器的实时飞行数据传回控制棒；(2)通过九轴运动传感器和GPS定位信息，计算出控制棒与无人机的相对空间位置；(3)改变控制棒的空间位置，计算得到的控制棒与飞行器的相对空间位置发生改变，给飞行器发出相应控制指令，飞行器根据控制指令调整自己的位置始终处于以控制棒正向延长线为半径的球面上；本发明使飞行器始终在以控制棒正向延长线为半径的球面上，使用者手持控制棒，控制棒正向指哪飞行器便飞哪，降低了飞行器使用门槛，提高遥控操作的直观性，顺应人的自然操作习惯。

Description

基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法

技术领域

本发明涉及无人飞行器控制领域，特别涉及基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法。

背景技术

市面上有多种无人飞行器，无人机是其中市场占有份额很大的一类产品，以无人机为例。无人机在当前阶段已经经过了几十年的发展历程,从技术角度上来看当前已经比较成熟,同时其成本也逐渐降低,有着易操控和灵活性强等特点,在空中作业能完成一些特殊性的任务。利用无人机最大的优势就是不用担心驾驶员的安全问题,极大的减小了空中作业成本与风险，由于无人机有着诸多的优势,当前在诸多行业中被十分广泛的应用。

无人机的发展同时推动了无人机遥控器的发展，传统遥控器需要两手配合，需要精准的手法，操作难度大，对使用人的操作要求高。之后的改良版的遥控器则可以单纯的记住哪个杆怎么推对应的是：前后、上下、左右、转向，推杆就走、松杆即停，用户可以在摸索中学习操作，感觉不对就松手悬停，飞不回来就“一键返航”，使小白用户也能很快的上手操作。但即便这样，大家依旧在探索更便捷的控制方法，目前市面上一些主打便携性的机型，则尝试彻底放弃遥控器，通过体感手环、体感手表、或是智能手机的体感APP来控制无人机，有些厂家则提供了与以上体感器件类似原理的专用体感手柄，亦或手势控制。

现存的体感手环、体感手表、或是智能手机的体感APP等抛开遥控器的控制方案虽然在一定程度上简化了无人机的控制，但依旧不能让使用者感受到更直观的操作体验。

以现存的体感手柄为例，在无人机定高情况下控制飞行器时，将手柄进行前后左右的移动，无人机也会向着相应的方向移动，但移动距离并不直接可控，要将无人机移动到一个固定的位置时，使用者只能自己进行估计与修正，这使得用类似的体感设备控制无人机按照某一条固定轨迹(比如说一段圆弧)飞行有很大难度，即使是用无人机标配遥控器控制其完成这样的飞行动作也有很大难度，限制了无人机完成更复杂飞行任务能力的发展。

发明内容

本发明提供了基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法，使飞行器的遥控更直观更人性化，使用简单的操作完成复杂的飞行轨迹。

基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法，包括以下步骤：

(1)将飞行器的实时飞行数据传回控制棒；

(2)通过九轴运动传感器和GPS定位信息，计算出控制棒与无人机的相对空间位置；

(3)改变控制棒的空间位置，计算得到的控制棒与飞行器的相对空间位置发生改变，给飞行器发出相应控制指令，飞行器根据控制指令调整自己的位置始终处于以控制棒正向延长线为半径的球面上。控制棒一般为长条状，长轴即为主轴，从控制棒末端发出的沿着主轴的射线为其正向延长线。

控制棒主要安装陀螺仪、地磁传感器、气压计以及与无人机进行通信的设备；飞行器搭载有与控制棒通信的设备。

控制棒也可集成到手机体感app中实现。

所述九轴传感器，是三种三轴传感器的组合：三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘。一般的组合形式有：1、三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计的组合；2、六轴加速度传感器+三轴陀螺仪组合；3、六轴陀螺仪+三轴加速度计组合。九轴传感器作为一种集成化模块，压缩了电路板和整体空间，更适合用与轻巧便携的电子设备。

控制棒上有2个按钮与1个旋钮，按钮调节无人机与控制棒的距离，旋钮调节无人机的自旋。使用控制棒遥控无人机时，在无人机起飞后，无人机将始终在以控制棒正向延长线为半径的球面上，控制棒上的距离调节按钮能很简便的控制球半径，自旋调节旋钮可以任意改变无人机的机头朝向，使用者可以单手直观简单的控制无人机完成复杂的飞行轨迹。

本发明利用GPS定位和空间位姿解算来完成控制棒便捷遥控无人机的任务，充分考虑了使用者遥控无人机飞行时的操作便捷性与控制直观性，使无人机能跟随着控制棒的正向延长线指哪飞哪，轻触控制棒上的距离调节按钮便可改变半径大小，给无人机的遥控带来了人性化体验。

优选的，步骤(2)中，通过九轴运动传感器和GPS定位信息，计算出控制棒与无人机的相对空间位置的具体过程如下：

2-1、开机时控制棒与飞行器处于同一位置，进行初始化；

2-2、根据飞行器当前的GPS位置信息与初始GPS坐标之差，得到出发点到飞行器当前的位置矢量D；

2-3、根据开机至当前控制棒的竖直移动量H1与飞行器竖直移动量H2，计算得到控制棒出发点到控制棒当前的位置矢量R1＝D+H；

2-4、计算步骤2-2和步骤2-3分别得到的两矢量之差，求出控制棒到飞行器的相对位置矢量。

优选的，步骤(3)中，控制无人机完成球面飞行轨迹的具体过程如下：

3-1、根据控制棒中的地磁传感器当前值和陀螺仪倾斜角的融合量，求得控制棒正向延长线的方向矢量；利用陀螺仪实时得到控制棒在空间中三个正交方向X、Y、Z的倾斜角可以得到控制棒的本身主轴的伸长方向，预设一个长度L，则得到矢量R2，其中R2的方向是θx、θy、θz，长度为L；

3-2、从调节距离的电位器的数据得到L的更新值；

3-3、得到更新后的R2，R2的方向是θx、θy、θz，R2，的末端点即为我们的目标点；

3-4、计算出从控制棒出发、以目标点为终点的目标矢量R＝R2-R1；

3-5、由目标矢量和飞行器位置矢量的差得到飞行器的运动矢量，并形成运动控制指令；

3-6、实时给飞行器发送运动控制指令，使飞行器沿运动矢量飞行到达目标点。

本发明的有益效果：

本发明使飞行器始终在以控制棒正向延长线为半径的球面上，使用者手持控制棒，控制棒正向指哪飞行器便飞哪，比现在市面上的体感手柄，手机体感app等遥控方式更直观；新用户手持此遥控装置也能很快上手，轻而易举的控制飞行器完成复杂的飞行动作，进一步降低了飞行器使用门槛；整个方法的核心是提高遥控操作的直观性，顺应人的自然操作习惯。

附图说明

图1为本发明的基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法的技术路线示意图。

图2为本发明的基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法的流程示意图。

图3为控制棒的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做详细阐述,本实施例的开发平台以大疆晓(Spark)为例。

如图1和2所示，本实施例的基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法包括以下步骤：

(1)通过大疆SDK将Spark(无人机)的实时飞行数据传回控制棒；

(2)利用九轴运动传感器和GPS定位信息运算出控制棒与Spark的相对空间位置，具体过程如下：

2-1、开机时控制棒与Spark处于同一位置进行初始化；

2-2、利用GPS位置信息与开机的初始GPS坐标之差得到出发点到Spark当前位置的矢量；

2-3、利用开机至今的控制棒九轴姿态积分得到控制棒出发点到控制棒当前位置的矢量；

2-4、两矢量之差求出控制棒到Spark的相对位置矢量；

(3)改变控制棒的空间位置，通过大疆提供的二次开发SDK实时发送控制指令调整Spark位姿，使Spark位置始终保持在以控制棒正向延长线为半径的球面上，具体过程如下：

3-1、利用地磁传感器当前值和角速度积分的融合量求得控制棒正向延长线的方向矢量；

3-2、从距离电位器的数据得到标准距离，进一步得到控制棒为球心的标准球面；

3-3、计算标准球面与延长射线之间的交点得到Spark运动的目标点；

3-4、计算出从控制棒出发、以目标点为终点的目标矢量；

3-5、由目标矢量和Spark位置矢量的差得到Spark的运动矢量；

3-6、通过大疆SDK发送飞行控制指令使Spark沿运动矢量飞行到达目标点。

经过以上的步骤，可实现Spark始终在以控制棒正向延长线为半径的球面上飞行，使用者手持控制棒遥控Spark，控制棒指哪Spark飞哪，Spark远近通过控制棒上的远近调节按钮简便改变，真正做到了解放双手，单手直观人性化的遥控Spark飞行。

如图3所示，控制棒上有两个距离调节按钮与一个自旋调节旋钮，距离调节按钮1(增大)和距离调节按钮2(减小)调节无人机与控制棒的距离，自旋调节旋钮3调节无人机的自旋。使用控制棒遥控无人机时，在无人机起飞后，无人机将始终在以控制棒正向延长线为半径的球面上，控制棒上的距离调节按钮1和距离调节按钮2能很简便的控制球半径，自旋调节旋钮3可以任意改变无人机的机头朝向，使用者可以单手直观简单的控制无人机完成复杂的飞行轨迹。

本发明利用GPS定位和空间位姿解算来完成控制棒便捷遥控无人机的任务，充分考虑了使用者遥控无人机飞行时的操作便捷性与控制直观性，使无人机能跟随着控制棒的正向延长线指哪飞哪，轻触控制棒上的距离调节按钮便可改变半径大小，给无人机的遥控带来了人性化体验。

本发明中所描述的具体实施仅仅是对本发明遥控方案作的具体举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越权利要求书定义的范围。

Claims (4)

1.基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将飞行器的实时飞行数据传回控制棒；

(2)通过九轴运动传感器和GPS定位信息以及气压计，计算出控制棒与无人机的相对空间位置；

(3)改变控制棒的空间位置，计算得到的控制棒与飞行器的相对空间位置发生改变，给飞行器发出相应控制指令，飞行器根据控制指令调整自己的位置始终处于以控制棒正向延长线为半径的球面上。

2.根据权利要求1所述的基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法，其特征在于，步骤(2)中，通过九轴运动传感器和GPS定位信息，计算出控制棒与无人机的相对空间位置的具体过程如下：

2-1、开机时控制棒与飞行器处于同一位置，进行初始化；

2-2、根据飞行器当前的GPS位置信息与初始GPS坐标之差，得到出发点到飞行器当前的水平位置矢量D；

2-3、根据开机至当前控制棒的竖直移动量H1与飞行器竖直移动量H2，计算得到控制棒出发点到控制棒当前的竖直位置矢量H＝H1-H2；

2-4、计算步骤2-2和步骤2-3分别得到的两矢量之差，求出控制棒到飞行器的相对位置矢量R1＝D+H。

3.根据权利要求1所述的基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法，其特征在于，步骤(3)中，控制无人机完成球面飞行轨迹的具体过程如下：

3-1、根据控制棒中的地磁传感器当前值和陀螺仪倾斜角的融合量，求得控制棒正向延长线的方向矢量；

3-2、从调节距离的电位器的数据得到L的更新值；

3-3、得到更新后的R2，R2的方向是θx、θy、θz，长度为L的最新值，R2的末端点即为我们的目标点；

3-4、计算出从飞行器出发、以目标点为终点的方向矢量R＝R2-R1；

3-5、由目标矢量和飞行器位置矢量的差得到飞行器的运动矢量，并形成运动控制指令；

3-6、实时给飞行器发送运动控制指令，使飞行器沿运动矢量飞行到达目标点。

4.根据权利要求1所述的基于GPS定位和空间位姿解算的无人飞行器的遥控方法，其特征在于，步骤3-1中，利用陀螺仪实时得到控制棒在空间中三个正交方向X、Y、Z的倾斜角θx、θy、θz，可以得到控制棒的本身主轴的伸长方向，预设一个长度L，则得到矢量R2，其中R2的方向是θx、θy、θz，长度为L。