CN110108264A - 一种无人机空中水平转动校磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机空中水平转动校磁方法，针对配备有双天线定向装置的多旋翼无人机，利用双天线航向初始化完成后起飞并原地悬停，并且在航向方向上转动一周的校准流程，实时采集双天线航向以及磁模块数据，采用原创的递推算法，自动计算出磁模块校准参数，并存储在非易失性存储器件参数表中，可供后期重复应用。

Description

一种无人机空中水平转动校磁方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机空中水平转动校磁方法。

背景技术

航向信息是多旋翼无人机重要的导航信息之一，磁罗盘模块依靠地磁场矢量定向，因其成本低、动态响应快、启动时间短、体积小、功耗低的优点，广泛应用于无人机上。多旋翼无人机飞控算法一般采用电子磁罗盘和低成本运动传感器通过姿态互补滤波器或者卡尔曼滤波实现姿态解算。受环境因素以及自身因素影响，直接利用电子磁罗盘测量数据计算航向角存在显著误差，因此，必须在使用前进行校准，即校磁过程。

多旋翼无人机传统六轴手动转动校磁法的流程，费时、费力，且需要连接地面站软件，尤其是大型无人机很难实现人工抬举方式完成六轴转动校磁。校准后的磁航向需要借助地磁场模型扣除当地磁偏角才能得到真北航向信息。

现有无人机校磁从校准算法模型上可大致分为两类：椭球模型和椭圆模型。椭球模型是完整的三维空间模型，可实现磁模块三轴参数校准，校准后地磁矢量测量集合在磁模块本体坐标系中接近球形。椭圆模型是只考虑磁罗盘在水平面的投影分量，并对其进行校准，校准后磁模块水平分量投影集合接近圆形。

对于多旋翼无人机，尤其消费类小型多旋翼无人机，一般采用传统的三轴六向转动法进行人工校磁。但对于行业应用领域大型多旋翼无人机，上述方法较难实现。由于多旋翼无人机正常飞行作业期间其水平姿态不会很大(约10～20度)，磁航向主要取决于磁模块X、Y轴向测量，因此可以采用二维椭圆模型进行校准。现有方法大都是采用磁模块水平分量采用5参数椭圆模型进行在线校准的方法，仅需载体绕垂直轴航向转动一周即可完成校磁流程。

现有的多旋翼无人机校磁方法主要有以下几种方式：

通过有线通讯方式连接地面站软件，并采用人工抬举方式进行六个轴向的转动实现校磁，缺点是耗时耗力；

通过专用设备进行校磁，主要用于出厂标校，缺点是不便于随时携带进行现场标校；

在线标校，包括特定的姿态机动，或者单纯水平转动，局限于理论与方法。

其中，前两种方案是在无人机电机停转下进行的，与其实际作业环境有差异，校磁效果有限；第三种方案虽然可实现在线标校，但是依赖于地磁场模型扣除当地磁偏角才能得到无人机所需的真北航向，另外未见具体实现技术手段。

发明内容

为克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种无人机空中水平转动校磁方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种无人机空中水平转动校磁方法，包括：

无人机起飞后，连续水平转动一周，形成一个近似为椭圆形轨迹；

得到N组与上述轨迹对应的磁模块测量数据构型矩阵；

根据所述磁模块测量数据构型矩阵得到以所述椭圆形轨迹的参数为待定参数的线性最小二乘矩阵；

对所述线性最小二乘矩阵进行递推计算，得到所述椭圆形轨迹的参数；

根据所述椭圆形轨迹的参数，对磁模块水平分量输出进行校准，根据反正切函数得到无人机的真北磁航向。

所述椭圆形轨迹的圆心位于平面坐标系原点o的标准椭圆绕x轴方向逆时针旋转角度θ₀后再平移(x₀,y₀)的距离后的一般椭圆方程，其中，a、b为椭圆的长轴和短轴；

参数化所述椭圆方程：

求解后可得：

改写为矩阵形式：

无人机转动过程中得到N组不同旋转方位角θ_k(k＝1,2...N)，对应的磁模块测量数据[x_k,y_k](k＝1,2,...,N)，得到N组上述构型矩阵。

将所述N组上述构型矩阵整合，可得到以椭圆参数acosθ₀、bsinθ₀、x₀、asinθ₀、bcosθ₀、y₀为待定参数的线性最小二乘估计矩阵：

将上式简记为：

A·X＝Y；

则其解为：

X＝(A^TA)^-1(A^TY)；

通过X的分量可以进一步计算得到旋转平移椭圆的5个参数：

批处理所述N组构型矩阵的对应椭圆参数方程，得到：

解算得到上述椭圆轨迹的参数[a b θ₀ x₀ y₀]。

根据所述椭圆轨迹的参数[a b θ₀ x₀ y₀]对磁模块水平分量输出进行校准得到即可利用反正切函数得到无人机的真北磁航向

将校准后得到的磁模块参数[a b θ₀ x₀ y₀]写入非易失性存储单元参数列表，直至再次校准后进行更新。

所述无人机显示双天线航向正常后，如果磁航向与双天线航向偏差大于预先设定的阈值，则启动空中校磁。

所述无人机通过云航灯移动网络与用户的手机端应用程序APP实现双向通信。

如果所述磁航向与双天线航向偏差大于预先设定的阈值，则通过云航灯移动网络与用户的手机端应用程序APP发送告警；

用户通过手机端应用程序APP启动空中校磁。

所述校磁方法以无人机上设置的双天线或其它真北航向信息为水平地磁矢量椭圆模型基准。

本发明的有益效果是：提供了一种无人机空中水平转动校磁方法，针对配备有双天线定向装置的多旋翼无人机，利用双天线航向初始化完成后起飞并原地悬停，并且在航向方向上转动一周的校准流程，实时采集双天线航向以及磁模块数据，采用原创的递推算法，自动计算出磁模块校准参数，并存储在非易失性存储器件参数表中，可供后期重复应用。可实现空中飞行在线自动校磁，电机转动的真实作业环境中实现磁罗盘校准，校准效果更好。同时校准算法不依赖地磁场模型，校准完成后即可得到当地真北航向角。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无人机空中水平转动校磁方法无人机系统结构示意图。

图2为本发明实施例提供的无人机空中水平转动校磁方法实现流程示意图。

图3为本发明实施例提供的无人机空中水平转动校磁方法椭圆形轨迹原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明针对配备了双天线卫星定向模块的多旋翼无人机，提供了一种全自动的空中水平转动在线校磁方法。本发明需要双天线实时定向结果支持作为空中校磁的航向基准，同时需要云航灯4G通信模块以及专用手机APP软件实现手机端对无人机的通信及操作。

本实施例提供一种无人机空中水平转动校磁方法，本发明为多旋翼无人机提供一种快捷的全自动空中校磁流程，无论何种尺寸重量机型，均可由单人操作实现。

本发明主要涉及多旋翼无人机校磁流程，包括多旋翼无人机、磁模块、双天线定向模块、空中校磁算法、无人机悬停连续转动控制模块、云航灯4G通讯模块和用户端手机APP控制软件，技术方案整体结构如图1所示。其中，手机APP控制软件通过4G通信模块(或者其它的通信模块)与多旋翼无人机连接，启动无人机的空中校磁流程和水平转动校磁算法，然后将结果参数存储。

本实施例涉及的空中水平转动校磁流程如图2所示。其中，

无人机放置于室外合适地点，上电启动；

手机APP通过云航灯4G模块连接飞机；

手机APP显示双天线航向正常后，如果磁航向与双天线航向偏差大于事先设定的阈值就在手机APP上发出校磁报警，然后用户点击空中校磁按钮；

飞机解锁起飞，达到设定高度后，连续转动一周，实时计算校磁参数，然后落地自动加锁；

校磁流程完成，且校磁参数已写入非易失性存储单元，后续可重复使用。

具体的校磁算法，是本实施例的核心创新技术，具体如下：

当多旋翼无人机定点悬停绕垂直轴旋转一周，三轴磁罗盘的水平分量矢量末端可近似为一个旋转并平移的椭圆。进一步，考虑到旋转过程中无人机水平姿态角很小(一般小于5度)，可以直接取三轴磁模块的X、Y分量近似为水平分量(假定磁模块X、Y、Z三轴分别与机体坐标系的前、右、下朝向一致)。

如图3所示，为经旋转平移后的椭圆轨迹示意图。圆心位于平面坐标系原点o的标准椭圆绕x轴方向逆时针旋转角度θ₀后再平移(x₀,y₀)后的一般方程(a、b为椭圆的长轴和短轴)：

参数化椭圆方程：

求解后可得：

改写为矩阵形式：

假定无人机转动过程中得到N组不同旋转方位角θ_k(k＝1,2...N)对应的磁模块测量数据[x_k,y_k](k＝1,2,...,N)，则得到N组上述构型矩阵，将其进行整合，可得到以椭圆参数acosθ₀、bsinθ₀、x₀、asinθ₀、bcosθ₀、y₀为待定参数的线性最小二乘估计问题：

将上式简记为：

A·X＝Y

则其解为：

X＝(A^TA)^-1(A^TY)

通过X的分量可以进一步计算得到旋转平移椭圆的5个参数：

解上述最小二乘问题可采用普通的批处理方式，但对于在线应用将占用较多存储空间。本发明将批处理方式改进为递推方式，可显著降低在线校磁代码存储要求，且并未增加运算量，如下所示：

由以上两式可见，A^TA、A^TY的各非零元素采用累加方式进行计算，所以易于采用递推方式实现在线计算，而且无论无人机转动过程中采样数据为多少，所需的代码运行变量总数保持不变。

解算得到上述椭圆5参数[a b θ₀ x₀ y₀]后，对磁模块水平分量输出进行校准得到即可利用反正切函数得到无人机的真北磁航向

校准后得到的磁模块5参数[a b θ₀ x₀ y₀]被写入非易失性存储单元参数列表，后续作业可重复应用，直至再次校准后进行更新。

本实施例提供的一种用于多旋翼无人机空中校磁的方法与自动实现流程，具体包括：

校磁补偿后的磁航向不需要进行当地地磁偏角修正，即为真北航向信息；

基于真北转动方位基准的水平磁矢量椭圆模型参数在线递推式计算方法；

水平磁矢量椭圆模型参数补偿方法；

通过手机APP一键操作完成空中水平转动自动校磁全流程的实现方案；

采用无人机空中悬停并绕垂直轴连续转动一周的方式实现校磁；

通过手机端专用软件一键操作实现；

手机端APP通过云航灯移动网络实现与无人机飞控之间的双向通讯；

以双天线或其它真北航向信息为水平地磁矢量椭圆模型基准。

本发明实现了多旋翼无人机全自动空中校磁，校准参数自动固化，重复应用；

本发明利用校准后水平磁分量计算的航向即真北航向，无需再利用当地磁偏角进行修正。

本发明已经通过F550六轴机型、载重10公斤六轴机型以及载重20公斤八轴机型实际外场测试，全自动空中校磁流程实现正常，校磁效果较好，校准后磁航向与双天线真北航向之间偏差在5度以内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底””、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，包括：

无人机起飞后，连续水平转动一周，形成一个水平的、近似为椭圆形轨迹；

得到与上述轨迹对应的N组磁模块测量数据构型矩阵；

根据所述磁模块测量数据构型矩阵得到以所述椭圆形轨迹的参数为待定参数的线性最小二乘矩阵；

对所述线性最小二乘矩阵进行递推计算，得到所述椭圆形轨迹的参数；

根据所述椭圆形轨迹的参数，对磁模块水平分量输出进行校准，根据反正切函数得到无人机的真北磁航向。

2.根据权利要求1所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，所述椭圆形轨迹的圆心位于平面坐标系原点o的标准椭圆绕x轴方向逆时针旋转角度θ₀后再平移(x₀,y₀)的距离后的一般椭圆方程，其中，a、b为椭圆的长轴和短轴；

参数化所述椭圆方程：

求解后可得：

改写为矩阵形式：

无人机转动过程中得到N组不同旋转方位角θ_k(k＝1,2...N)，对应的磁模块测量数据[x_k,y_k](k＝1,2,...,N)，得到N组上述构型矩阵。

3.根据权利要求2所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，将所述N组上述构型矩阵整合，可得到以椭圆参数acosθ₀、bsinθ₀、x₀、asinθ₀、bcosθ₀、y₀为待定参数的线性最小二乘估计矩阵：

将上式简记为：

A·X＝Y；

则其解为：

X＝(A^TA)^-1(A^TY)；

通过X的分量可以进一步计算得到旋转平移椭圆的5个参数：

4.根据权利要求3所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，批处理所述N组构型矩阵的对应椭圆参数方程，得到：

解算得到上述椭圆轨迹的参数[a b θ₀ x₀ y₀]。

5.根据权利要求4所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，根据所述椭圆轨迹的参数[a b θ₀ x₀ y₀]对磁模块水平分量输出进行校准得到即可利用反正切函数得到无人机的真北磁航向

6.根据权利要求5所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，将校准后得到的磁模块参数[a b θ₀ x₀ y₀]写入非易失性存储单元参数列表，直至再次校准后进行更新。

7.根据权利要求1所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，所述无人机显示双天线航向正常后，如果磁航向与双天线航向偏差大于预先设定的阈值，则启动空中校磁。

8.根据权利要求1所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，所述无人机通过云航灯移动网络与用户的手机端应用程序APP实现双向通信。

9.根据权利要求7和8所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，如果所述磁航向与双天线航向偏差大于预先设定的阈值，则通过云航灯移动网络与用户的手机端应用程序APP发送告警；

用户通过手机端应用程序APP启动空中校磁。

10.根据权利要求1所述的无人机空中水平转动校磁方法，其特征在于，所述校磁方法以无人机上设置的双天线或其它真北航向信息为水平地磁矢量椭圆模型基准。