CN110147116B - 用于无人飞行器爬坡的控制方法、控制装置和无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提供一种用于无人飞行器爬坡的控制方法、控制装置和无人飞行器，属于无人飞行器领域。所述控制方法包括：检测在无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率；根据斜率和无人飞行器的行进速度确定无人飞行器的期望爬升速度；根据预设竖直加速度确定无人飞行器达到期望爬升速度所需的加速时间；根据加速时间和行进速度确定无人飞行器的提前爬坡距离；在检测到无人飞行器与阻挡物之间的水平距离小于或等于提前爬坡距离的情况下，控制无人飞行器开始以预设竖直加速度爬升，直至无人飞行器达到期望爬升速度。通过上述技术方案，当无人飞行器遇到阻挡物时，可以提前进行爬升，从而有效避免与斜坡等阻挡物相撞的情况发生。

Description

用于无人飞行器爬坡的控制方法、控制装置和无人飞行器

技术领域

本发明涉及无人飞行器领域，具体地涉及用于无人飞行器爬坡的控制方法、控制装置和无人飞行器。

背景技术

当前社会，无人飞行器的应用越来越广泛，目前无人飞行器已经应用到航拍、农业、植保、快递运输和灾难救援等领域。随着无人飞行器的应用逐渐广泛，无人飞行器也需要应对更多的飞行环境。尤其对于植保无人机而言，需要应对各种地形变化，在山区作业时，需要根据地势变化及时调整飞行高度，以越过山坡等阻挡物。然而，当前的无人飞行器在进行爬坡时往往需要停止行进来进行爬升，从而影响植保无人机的工作效率，并且在遇到较陡的山坡时，还容易发生由于爬升不及时导致无人飞行器与山坡相撞的情况。

发明内容

为至少部分地解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施方式的目的是提供一种用于无人飞行器爬坡的控制方法、控制装置和无人飞行器。

为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种用于无人飞行器爬坡的控制方法，所述控制方法包括：检测在所述无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率；根据所述斜率和所述无人飞行器在水平方向上的行进速度确定所述无人飞行器沿所述阻挡物爬升所需的在竖直方向上的期望爬升速度；根据所述无人飞行器的预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到所述期望爬升速度所需的加速时间；根据所述加速时间和所述行进速度确定所述无人飞行器在水平方向上的提前爬坡距离；以及在检测到所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离小于或等于所述提前爬坡距离的情况下，控制所述无人飞行器开始以所述预设竖直加速度爬升，直至所述无人飞行器达到所述期望爬升速度。

可选地，所述检测在所述无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率包括：检测所述无人飞行器的离地距离；检测所述阻挡物与所述无人飞行器之间的水平距离；以及根据所述无人飞行器的所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

可选地，所述控制方法包括：根据所述预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到在竖直方向上的最大爬升速度所需的最长加速时间；根据所述最长加速时间和所述行进速度确定检测距离；以及在检测到所述水平距离小于或等于所述检测距离的情况下，根据所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

可选地，所述根据所述斜率和所述无人飞行器的行进速度确定所述无人飞行器沿所述阻挡物爬升所需的期望爬升速度包括：根据所述斜率和所述无人飞行器的最大爬升速度确定所述无人飞行器在水平方向上的最大允许行进速度；在所述无人飞行器当前的行进速度大于所述最大允许行进速度的情况下，控制所述行进速度降低至小于或等于所述最大允许行进速度；以及根据降低后的所述行进速度和所述斜率确定所述期望爬升速度。

可选地，所述预设竖直加速度为所述无人飞行器的最大竖直加速度。

可选地，所述根据所述无人飞行器的预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到所述期望爬升速度所需的加速时间包括：确定所述无人飞行器当前的竖直移动速度与所述期望爬升速度之间的差值；以及根据所述差值和所述预设竖直加速度确定所述加速时间。

可选地，所述控制方法还包括：检测所述无人飞行器处于不同爬升高度下，所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离；检测所述无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离；以及根据所述水平距离的变化量和与该变化量对应的所述行进距离确定所述阻挡物是否为障碍物。

另一方面，本发明实施方式还提供一种用于无人飞行器爬坡的控制装置，所述控制装置包括：检测模块，被配置为检测在所述无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率；控制模块，被配置为：根据所述斜率和所述无人飞行器在水平方向上的行进速度确定所述无人飞行器沿所述阻挡物爬升所需的在竖直方向上的期望爬升速度；根据所述无人飞行器的预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到所述期望爬升速度所需的加速时间；根据所述加速时间和所述行进速度确定所述无人飞行器在水平方向上的提前爬坡距离；以及在所述检测模块检测到所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离小于或等于所述提前爬坡距离的情况下，控制所述无人飞行器开始以所述预设竖直加速度爬升，直至所述无人飞行器达到所述期望爬升速度。

可选地，所述检测模块包括：竖直测距单元，被配置为检测所述无人飞行器的离地距离；水平测距单元，被配置为检测所述阻挡物与所述无人飞行器之间的水平距离；以及运算单元，被配置为根据所述无人飞行器的所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

可选地，所述控制模块还被配置为：根据所述预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到在竖直方向上的最大爬升速度所需的最长加速时间；根据所述最长加速时间和所述行进速度确定检测距离；以及在所述水平测距单元检测到所述水平距离小于或等于所述检测距离的情况下，根据所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

可选地，所述控制模块还被配置为：根据所述斜率和所述无人飞行器的最大爬升速度确定所述无人飞行器在水平方向上的最大允许行进速度；在所述无人飞行器当前的行进速度大于所述最大允许行进速度的情况下，控制所述行进速度降低至小于或等于所述最大允许行进速度；以及根据降低后的所述行进速度和所述斜率确定所述期望爬升速度。

可选地，所述预设竖直加速度为所述无人飞行器的最大竖直加速度。

可选地，所述控制模块还被配置为：确定所述无人飞行器当前的竖直移动速度与所述期望爬升速度之间的差值；以及根据所述差值和所述预设竖直加速度确定所述加速时间。

可选地，所述控制模块还被配置为：获取所述无人飞行器处于不同爬升高度下，所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离；获取所述无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离；以及根据所述水平距离的变化量和与该变化量对应的所述行进距离确定所述阻挡物是否为障碍物。

相应地，本发明实施方式还提供一种无人飞行器，所述无人飞行器包括上述的控制装置。

通过上述技术方案，当无人飞行器遇到斜坡等阻挡物时，可以提前进行爬升，从而有效避免与斜坡等阻挡物相撞的情况发生，并且根据阻挡物的斜率和无人飞行器的行进速度来确定提前爬坡距离，可以使得无人飞行器的飞行曲线更为圆滑，同时避免无人飞行器出现停顿现象。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1示例性示出了本发明一种实施方式提供的用于无人飞行器爬坡的控制方法的流程图；

图2示例性示出了本发明一种可选实施方式提供的无人飞行器遇到阻挡物时的示意图；

图3和图4示例性示出了本发明一种可选实施方式提供的无人飞行器遇到障碍物时的示意图；

图5示例性示出了本发明一种可选实施方式提供的无人飞行器遇到斜坡时的示意图；

图6示例性示出了本发明一种实施方式提供的用于无人飞行器爬坡的控制装置的框图；以及

图7示例性示出了本发明一种实施方式提供的检测模块的框图。

附图标记说明

10 检测模块 20 控制模块

11 竖直测距单元 12 水平测距单元

13 运算单元

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要说明，若本发明实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

图1示例性示出了本发明一种实施方式提供的用于无人飞行器爬坡的控制方法的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供一种用于无人飞行器爬坡的控制方法，该控制方法包括：

步骤S10，检测在无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率。

步骤S20，根据检测到的斜率和无人飞行器在水平方向上的行进速度确定无人飞行器沿阻挡物爬升所需的在竖直方向上的期望爬升速度。

步骤S30，根据无人飞行器的预设竖直加速度确定无人飞行器达到期望爬升速度所需的加速时间。

步骤S40，根据所需的加速时间和无人飞行器的行进速度确定无人飞行器在水平方向上的提前爬坡距离。

步骤S50，在检测到无人飞行器与阻挡物之间的水平距离小于或等于提前爬坡距离的情况下，控制无人飞行器开始以预设竖直加速度爬升，直至无人飞行器达到期望爬升速度。

如此，当无人飞行器遇到斜坡等阻挡物时，可以提前进行爬升，从而有效避免与斜坡等阻挡物相撞的情况发生，并且根据阻挡物的斜率和无人飞行器的行进速度来确定提前爬坡距离，可以使得无人飞行器的飞行曲线更为圆滑，同时避免无人飞行器出现停顿现象。

具体地，无人飞行器可以为植保无人机、航拍无人机、巡检无人机或测绘无人机等。在无人飞行器进行植保作业、航拍作业、巡检作业或测绘作业的过程中，可能会遇到斜坡等阻挡物，因此需要进行爬坡控制。在本实施方式中，当无人飞行器检测到水平行进方向的前方存在阻挡物时，会检测阻挡物的斜率，并通过无人飞行器的例如GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)模块等导航模块来检测其沿水平方向的行进速度。在确定阻挡物的斜率和无人飞行器的行进速度后，可以基于下式计算无人飞行器沿阻挡物爬升所需的期望爬升速度：

v₂＝v₁×tanθ

其中，v₂为无人飞行器沿阻挡物爬升所需的沿竖直方向的期望爬升速度，v₁为无人飞行器当前的沿水平方向的行进速度，θ为无人飞行器前方的阻挡物的倾斜角度，tanθ即为该阻挡物的斜率。其中，tanθ可以通过无人飞行器上的距离传感器等检测模块检测得到。通过上式，可以计算出当无人飞行器需要越过倾斜角度为θ的阻挡物时，在竖直方向上所需的期望爬升速度。随后根据无人飞行器预设的竖直加速度可以计算得到无人飞行器在竖直方向上达到该期望爬升速度所需的加速时间，其中该预设竖直加速度可以为无人飞行器在竖直方向上所能达到的最大加速度(即无人飞行器的最大竖直加速度)，也可以根据实际使用需要设置为其它加速度值。在确定加速时间后，可以根据加速时间和当前的行进速度通过下式来确定无人飞行器的提前爬坡距离：

d_s＝v₁×t

上式中，d_s为无人飞行器的提前爬坡距离，v₁为无人飞行器的行进速度，t为无人飞行器达到期望爬升速度所需的加速时间。其中，提前爬坡距离是指在无人飞行器因遇到阻挡物而需要爬升的情况下，无人飞行器的开始爬升位置与阻挡物之间的水平距离。如此，可以确定无人飞行器在保持当前行进速度不减小的情况下的提前爬坡距离。在确定提前爬坡距离后，可以实时检测无人飞行器与阻挡物之间的距离，一旦检测到无人飞行器与阻挡物之间的距离等于或小于提前爬坡距离，则控制无人飞行器开始以预设竖直加速度在竖直方向上爬升，直至无人飞行器达到期望爬升速度时，无人飞行器在竖直方向上停止加速，并以该期望爬升速度继续爬升。

在使用时，如图2所示，当无人飞行器作业时，会实时对水平行进方向的前方进行检测，当检测到存在例如斜坡等阻挡物时，会通过上述实施方式所述的方法确定提前爬坡距离，当无人飞行器飞行至与斜坡之间的距离小于或等于该提前爬坡距离的位置时，开始以预设竖直加速度加速上升。在无人飞行器飞行至斜坡的坡脚附近时，无人飞行器的爬升速度达到期望爬升速度，并开始以该期望爬升速度进行爬升。由于在无人飞行器到达坡脚前的加速上升过程中，会提前爬升一定高度，因此可以有效避免与斜坡等阻挡物发生碰撞，并且通过合理确定提前爬升距离可以使得无人飞行器的飞行曲线更为圆滑，既能避免过早爬升导致无人飞行器无法有效地进行仿地飞行，又能避免过迟爬升导致无人飞行器在爬升过程中需要降低甚至停止水平方向的行进速度，进而导致无人飞行器出现停顿现象。

在本发明一种可选实施方式中，上述步骤S10可以包括：

步骤S11，检测无人飞行器的离地距离。

步骤S12，检测阻挡物与无人飞行器之间的水平距离。

步骤S13，根据无人飞行器的离地距离和与阻挡物之间的水平距离确定阻挡物的斜率。

具体地，无人飞行器可以包括竖直测距单元和水平测距单元，竖直测距单元可以设置在无人飞行器的底部，以检测无人飞行器与地面之间沿竖直方向的离地距离，水平测距单元可以安装在无人飞行器的前端，以检测无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物与无人飞行器之间的水平距离。该竖直测距单元和水平测距单元可以为微波测距模块、超声波测距模块、红外测距模块、激光测距模块或深度感知摄像头等。无人飞行器还可以包括运算单元，该运算单元与竖直测距单元和水平测距单元电性连接，以能够获取竖直测距单元检测的离地距离和水平测距单元检测的水平距离。在获取无人飞行器的离地距离和水平距离后，运算单元可以通过下式来计算阻挡物的斜率：

k＝h/d

其中，k为计算得到的阻挡物的斜率，h为无人飞行器当前的离地距离，d为无人飞行器当前距离阻挡物的水平距离。在得到斜率k后可以通过下式计算无人飞行器沿阻挡物爬升所需的期望爬升速度：

v₂＝v₁×k

其中，v₂为无人飞行器沿阻挡物爬升所需的沿竖直方向的期望爬升速度，v₁为无人飞行器当前的沿水平方向的行进速度。即可以通过计算得到的斜率k近似替代斜坡的实际斜率tanθ来确定期望爬升速度。

如图2所示，可以理解的是，由于无人飞行器需要提前爬升，因此需要在无人飞行器到达斜坡的坡脚之前确定斜坡的斜率，从而无人飞行器检测到的斜率k与斜坡的实际斜率tanθ并不相等。为了使得斜率k与斜坡的实际斜率tanθ更加接近，需要无人飞行器与阻挡物之间的距离不能过大，而为了满足无人飞行器的加速爬升过程的距离需求，无人飞行器与阻挡物之间的距离也不能过小。因此，无人飞行器在确定斜率k之前，可以先根据无人飞行器的预设竖直加速度确定该无人飞行器达到在竖直方向上的最大爬升速度v_{2_max}所需的加速时间(即最长加速时间)，随后根据该最长加速时间和无人飞行器的行进速度通过下式来确定检测距离：

d₂＝v₁×t_max

其中，d₂为检测距离，v₁为无人飞行器的行进速度，t_max为最长加速时间。在确定检测距离d₂后，无人飞行器会实时检测与阻挡物之间的水平距离，一旦检测到无人飞行器与阻挡物之间的水平距离小于或等于该检测距离d2，则根据无人飞行器当前的离地距离和当前的水平距离确定阻挡物的斜率k。可以理解的是，该检测距离d₂即为无人飞行器在当前行进速度下以预设竖直加速度进行加速爬升时，达到其最大爬升速所需经过的水平距离，因此在无人飞行器处于与阻挡物之间的距离为该检测距离d₂的位置时确定斜率k，既能保证斜率k与实际斜率tanθ之间的误差较小，又能保证无人飞行器与阻挡物之间存在足够的用于加速爬升的距离。

可以理解的是，对于无人飞行器前方阻挡物的斜率的检测方法不限于上述实施方式中所述的方法，任何能够用于检测无人飞行器前方阻挡物斜率的方法，在与本发明实施方式的其余技术特征不相矛盾的情况下，均可以应用于本发明实施方式。

在本发明一种可选实施方式中，上述步骤S20可以包括：

步骤S21，根据阻挡物的斜率和无人飞行器的最大爬升速度确定无人飞行器在水平方向上的最大允许行进速度。

步骤S22，在无人飞行器当前的行进速度大于最大允许行进速度的情况下，控制无人飞行器的行进速度降低至小于或等于最大允许行进速度。

步骤S23，根据无人飞行器降低后的行进速度和阻挡物的斜率确定期望爬升速度。

具体地，如图2所示，无人飞行器的离地距离为h，无人飞行器与阻挡物之间的水平距离为d，阻挡物的倾斜角度为θ，无人飞行器的行进速度为v₁，无人飞行器的最大爬升速度为v_{2_max}。其中，无人飞行器的最大允许行进速度v_{1_max}可以基于下式计算得到：

v_{1_max}＝v_{2_max}/tanθ

由于倾斜角度θ难以准确检测，因此倾斜角度θ的正切值tanθ可以以根据无人飞行器的离地距离和与阻挡物之间的水平距离计算得到的斜率k近似替代，即无人飞行器的最大允许行进速度v_{1_max}还可以基于下式计算得到：

v_{1_max}＝v_{2_max}/k

如此，通过斜率k和最大爬升速度v_{2_max}可以确定无人飞行器对应于前方阻挡物的最大允许行进速度v_{1_max}，随后无人飞行器可以将当前的行进速度v₁与最大允许行进速度v_{1_max}进行比较，如果当前的行进速度v₁大于最大允许行进速度v_{1_max}，则说明无人飞行器的最大爬升速度v_{2_max}都无法达到沿前方阻挡物爬升所需的期望爬升速度，此时需要将无人飞行器的行进速度降低至小于或等于最大允许行进速度v_{1_max}，从而可以使得无人飞行器能够通过调节爬升速度来达到沿前方阻挡物爬升所需的期望爬升速度，以避免无人飞行器与阻挡物发生碰撞。如果当前的行进速度v₁小于或等于最大允许行进速度v_{1_max}，则无需调整无人飞行器的行进速度，以保证无人飞行器的飞行连续性。在需要降低无人飞行器的行进速度v₁的情况下，可以根据无人飞行器降低后的行进速度和阻挡物的斜率确定期望爬升速度，随后根据该期望爬升速度计算无人飞行器的提前爬坡距离。

举例来说，如果无人飞行器的最大爬升速度v_{2_max}为3m/s，则无人飞行器每秒上升的最大距离为3m，当检测到前方阻挡物的斜率为1时，则无人飞行器的行进速度v1_max需要限制在3m/s内，若无人飞行器的行进速度大于3m/s则需将行进速度降低至3m/s或更低，以使得无人飞行器的爬升速度能够满足越过前方阻挡物的需要。

在本发明一种可选实施方式中，上述步骤S30可以包括：

步骤S31，确定无人飞行器当前的竖直移动速度与期望爬升速度之间的差值。

步骤S32，根据该差值和预设竖直加速度确定加速时间。

具体地，当无人飞行器进行仿地飞行时，本发明所述的仿地飞行模式是指无人飞行器在飞行过程中始终与地面保持一定高度飞行，以在地面高度上升时，无人飞行器也相对上升，从而避免无人飞行器撞地的情况发生，在地面高度下降时，无人飞行器也相对下降，保证作业效果；在无人飞行器未处于仿地飞行模式的情况下，无人飞行器可以不依据检测到的离地距离和间隔距离来调节竖直移动速度。当无人飞行器进行仿地飞行时，可能会存在竖直移动速度，因此在确定期望爬升速度后，可以首先计算期望爬升速度与无人飞行器当前的竖直加速度之间的差值，随后根据该差值和预设竖直加速度计算无人飞行器达到期望爬升速度所需的加速时间。更具体地，可以根据下式来计算加速时间：

t1＝(v₂-v₃)/a

其中，t为加速时间，v₂为期望爬升速度，v₃为无人飞行器当前的竖直移动速度，a为预设竖直加速度。可以理解的是，当无人飞行器存在竖直向上的移动速度时，该竖直移动速度v₃为正值，当无人飞行器存在竖直向下的移动速度时，该竖直移动速度v₃为负值，当无人飞行器不存在竖直移动速度时，该竖直移动速度v₃为零。

在本发明一种可选实施方式中，用于无人飞行器爬坡的控制方法还可以包括：

步骤S60，检测无人飞行器处于不同爬升高度下，无人飞行器与阻挡物之间的水平距离。

步骤S70，检测无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离；

步骤S80，根据水平距离的变化量和与该变化量对应的无人飞行器的行进距离确定阻挡物是否为障碍物。

具体地，无人飞行器可以检测其处于不同爬升高度下与前方阻挡物之间的水平距离，并同时检测无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离，随后根据无人飞行器处于不同位置时，水平距离的变化量与所经过的行进距离的比较结果确定前方的阻挡物是否为不易越过的障碍物(例如竖直的房屋、树木等)。举例来说，如图3、图4和图5所示，无人飞行器由水平位置A移动至水平位置B，当无人飞行器的水平位置为A时，距阻挡物的水平距离为d1，距地面的离地距离为h1，行进速度为v₁。如果此时无人飞行器处于提前爬坡距离内，无人飞行器会以预设竖直加速度爬升，并移动至水平位置B。当无人飞行器的水平位置为B时，距阻挡物的水平距离为d1’，距地面的离地距离为h1’，行进速度为v₁。无人飞行器从水平位置A移动至水平位置B经过的行进距离为l1。当无人飞行器的前方为图3所示的竖直的阻挡物或图4所示的向无人飞行器倾斜的阻挡物时，此时水平距离d1、间隔距离d1’以及行进距离l1满足l1≤d1-d1’，因此当水平距离d1与水平距离d1’之差大于或等于行进距离l1时，可以确定无人飞行器前方存在如图3或图4所示的障碍物，这种障碍物无人飞行器不易通过爬升等方式越过，因此需要控制无人飞行器悬停、返航或从两侧绕过，以避免无人飞行器与障碍物相撞。而当水平距离d1与水平距离d1’之差小于行进距离l1时，可以确定无人飞行器前方存在如图5所示的斜坡等可以通过爬升越过的非障碍物，此时可以控制无人飞行器提前爬升以越过该斜坡。

如图6所示，本发明实施方式还提供一种用于无人飞行器爬坡的控制装置，该控制装置包括检测模块10和控制模块20，控制模块20与检测模块10和无人飞行器的GPS模块等导航模块电性连接。其中，检测模块10被配置为检测在无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率。控制模块20被配置为根据阻挡物的斜率和无人飞行器在水平方向上的行进速度确定无人飞行器沿阻挡物爬升所需的在竖直方向上的期望爬升速度，随后根据无人飞行器的预设竖直加速度确定无人飞行器达到期望爬升速度所需的加速时间，之后根据所需的加速时间和无人飞行器的行进速度确定无人飞行器在水平方向上的提前爬坡距离，并在检测模块10检测到无人飞行器与阻挡物之间的水平距离小于或等于提前爬坡距离的情况下，控制无人飞行器开始以预设竖直加速度爬升，直至无人飞行器达到期望爬升速度。

如此，当无人飞行器遇到斜坡等阻挡物时，可以提前进行爬升，从而有效避免与斜坡等阻挡物相撞的情况发生，并且根据阻挡物的斜率和无人飞行器的行进速度来确定提前爬坡距离，可以使得无人飞行器的飞行曲线更为圆滑，同时避免无人飞行器出现停顿现象。

具体地，无人飞行器可以为植保无人机、航拍无人机、巡检无人机或测绘无人机等。该控制模块20可以为无人飞行器的飞行控制器，也可以为独立的用于控制无人飞行器的竖直移动速度的控制器。另外，该控制模块20可以包括但不限于单片机、芯片、集成电路、微控制器或处理器等。在无人飞行器进行植保作业、航拍作业、巡检作业或测绘作业的过程中，可能会遇到斜坡等阻挡物，因此需要进行爬坡控制。在本实施方式中，当无人飞行器的检测模块10检测到水平行进方向的前方存在阻挡物时，会确定阻挡物的斜率。控制模块20可以从无人飞行器的例如GPS(Global Positioning System，全球定位系统)模块等导航模块来获取无人飞行器沿水平方向的行进速度。在确定阻挡物的斜率和无人飞行器的行进速度后，控制模块20可以基于下式计算无人飞行器沿阻挡物爬升所需的期望爬升速度：

v₂＝v₁×tanθ

其中，v₂为无人飞行器沿阻挡物爬升所需的沿竖直方向的期望爬升速度，v₁为无人飞行器当前的沿水平方向的行进速度，θ为无人飞行器前方的阻挡物的倾斜角度，tanθ即为该阻挡物的斜率。其中，tanθ可以通过无人飞行器上的距离传感器等检测模块检测得到。通过上式，可以计算出当无人飞行器需要越过倾斜角度为θ的阻挡物时，在竖直方向上所需的期望爬升速度。随后根据无人飞行器预设的竖直加速度可以计算得到无人飞行器在竖直方向上达到该期望爬升速度所需的加速时间，其中该预设竖直加速度可以为无人飞行器在竖直方向上所能达到的最大加速度(即无人飞行器的最大竖直加速度)，也可以根据实际使用需要设置为其它加速度值。在确定加速时间后，控制模块20可以根据加速时间和当前的行进速度通过下式来确定无人飞行器的提前爬坡距离：

d_s＝v₁×t

其中，d_s为无人飞行器的提前爬坡距离，v₁为无人飞行器的行进速度，t为无人飞行器达到期望爬升速度所需的加速时间。如此，可以确定无人飞行器在保持当前行进速度不减小的情况下的提前爬坡距离。在确定提前爬坡距离后，控制模块20可以通过检测模块10实时检测无人飞行器与阻挡物之间的距离，一旦检测到无人飞行器与阻挡物之间的距离等于或小于提前爬坡距离，则控制模块20控制无人飞行器开始以预设竖直加速度在竖直方向上爬升，直至无人飞行器达到期望爬升速度时，无人飞行器在竖直方向上停止加速，并以该期望爬升速度继续爬升。

如图7所示，在本发明一种可选实施方式中，检测模块10可以包括竖直测距单元11、水平测距单元12和运算单元13。其中，竖直测距单元11被配置为检测无人飞行器的离地距离，水平测距单元12被配置为检测阻挡物与无人飞行器之间的水平距离，运算单元13被配置为根据无人飞行器的离地距离和与阻挡物之间的水平距离确定阻挡物的斜率。

具体地，检测模块10可以包括竖直测距单元11和水平测距单元12，竖直测距单元11可以设置在无人飞行器的底部，以检测无人飞行器与地面之间沿竖直方向的离地距离，水平测距单元12可以安装在无人飞行器的前端，以检测无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物与无人飞行器之间的水平距离。该竖直测距单元11和水平测距单元12可以为微波测距模块、超声波测距模块、红外测距模块、激光测距模块或深度感知摄像头等。无人飞行器还可以包括运算单元13，该运算单元13与竖直测距单元11和水平测距单元12电性连接，以能够获取竖直测距单元11检测的离地距离和水平测距单元12检测的水平距离。在获取无人飞行器的离地距离和水平距离后，运算单元13可以通过下式来计算阻挡物的斜率：

k＝h/d

其中，k为计算得到的阻挡物的斜率，h为无人飞行器当前的离地距离，d为无人飞行器当前距离阻挡物的水平距离。在得到斜率k后可以通过下式计算无人飞行器沿阻挡物爬升所需的期望爬升速度：

v₂＝v₁×k

其中，v₂为无人飞行器沿阻挡物爬升所需的沿竖直方向的期望爬升速度，v₁为无人飞行器当前的沿水平方向的行进速度。即可以通过计算得到的斜率k近似替代斜坡的实际斜率tanθ来确定期望爬升速度。

需要说明的是，该运算单元13可以包括但不限于单片机、芯片、集成电路、微控制器或处理器等。该运算单元13可以集成于无人飞行器的飞行控制器中，也可以为独立的运算元件。

在本发明一种可选实施方式中，控制模块还被配置为：根据预设竖直加速度确定无人飞行器达到最大爬升速度所需的最长加速时间，随后根据最长加速时间和无人飞行器的行进速度确定检测距离，在水平测距单元12检测到的水平距离小于或等于该检测距离的情况下，根据无人飞行器的离地距离和与阻挡物之间的水平距离确定阻挡物的斜率。

具体地，控制模块20在确定斜率k之前，可以先根据无人飞行器的预设竖直加速度确定该无人飞行器达到在竖直方向上的最大爬升速度v_{2_max}所需的加速时间(即最长加速时间)，随后根据该最长加速时间和无人飞行器的行进速度通过下式来确定检测距离：

d₂＝v₁×t_max

其中，d₂为检测距离，v₁为无人飞行器的行进速度，t_max为最长加速时间。在确定检测距离d₂后，控制模块20会通过检测模块10实时检测与阻挡物之间的水平距离，一旦检测到无人飞行器与阻挡物之间的水平距离小于或等于该检测距离d2，则根据无人飞行器当前的离地距离和当前的水平距离确定阻挡物的斜率k。可以理解的是，该检测距离d₂即为无人飞行器在当前行进速度下以预设竖直加速度进行加速爬升时，达到其最大爬升速所需经过的水平距离，因此在无人飞行器处于与阻挡物之间的距离为该检测距离d₂的位置时确定斜率k，既能保证斜率k与实际斜率tanθ之间的误差较小，又能保证无人飞行器与阻挡物之间存在足够的用于加速爬升的距离。

在本发明一种可选实施方式中，控制模块20还被配置为：根据阻挡物的斜率和无人飞行器的最大爬升速度确定无人飞行器在水平方向上的最大允许行进速度；在无人飞行器当前的行进速度大于最大允许行进速度的情况下，控制无人飞行器的行进速度降低至小于或等于最大允许行进速度，随后根据降低后的行进速度和斜率确定期望爬升速度。

具体地，如图2所示，无人飞行器的离地距离为h，无人飞行器与阻挡物之间的水平距离为d，阻挡物的倾斜角度为θ，无人飞行器的行进速度为v₁，无人飞行器的最大爬升速度为v_{2_max}。其中，无人飞行器的最大允许行进速度v_{1_max}可以基于下式计算得到：

v_{1_max}＝v_{2_max}/tanθ

由于倾斜角度θ难以准确检测，因此倾斜角度θ的正切值tanθ可以以根据无人飞行器的离地距离和与阻挡物之间的水平距离计算得到的斜率k近似替代，即无人飞行器的最大允许行进速度v_{1_max}还可以基于下式计算得到：

v_{1_max}＝v_{2_max}/k

如此，控制模块20通过斜率k和最大爬升速度v_{2_max}可以确定无人飞行器对应于前方阻挡物的最大允许行进速度v_{1_max}，随后无人飞行器可以将当前的行进速度v₁与最大允许行进速度v_{1_max}进行比较，如果当前的行进速度v₁大于最大允许行进速度v_{1_max}，则说明无人飞行器的最大爬升速度v_{2_max}都无法达到沿前方阻挡物爬升所需的期望爬升速度，此时需要将无人飞行器的行进速度降低至小于或等于最大允许行进速度v_{1_max}，从而可以使得无人飞行器能够通过调节爬升速度来达到沿前方阻挡物爬升所需的期望爬升速度，以避免无人飞行器与阻挡物发生碰撞。如果当前的行进速度v₁小于或等于最大允许行进速度v_{1_max}，则无需调整无人飞行器的行进速度，以保证无人飞行器的飞行连续性。在需要降低无人飞行器的行进速度v₁的情况下，控制模块20可以根据无人飞行器降低后的行进速度和阻挡物的斜率确定期望爬升速度，随后根据该期望爬升速度计算无人飞行器的提前爬坡距离。

在本发明一种可选实施方式中，控制模块20还被配置为：确定无人飞行器当前的竖直移动速度与期望爬升速度之间的差值，并根据该差值和预设竖直加速度确定加速时间。

具体地，当无人飞行器进行仿地飞行时，可能会存在竖直移动速度，因此在确定期望爬升速度后，控制模块20可以首先计算期望爬升速度与无人飞行器当前的竖直加速度之间的差值，随后根据该差值和预设竖直加速度计算无人飞行器达到期望爬升速度所需的加速时间。更具体地，可以根据下式来计算加速时间：

t1＝(v₂-v₃)/a

其中，t为加速时间，v₂为期望爬升速度，v₃为无人飞行器当前的竖直移动速度，a为预设竖直加速度。可以理解的是，当无人飞行器存在竖直向上的移动速度时，该竖直移动速度v₃为正值，当无人飞行器存在竖直向下的移动速度时，该竖直移动速度v₃为负值，当无人飞行器不存在竖直移动速度时，该竖直移动速度v₃为零。

在本发明一种可选实施方式中，控制模块20还被配置为：获取无人飞行器处于不同爬升高度下，该无人飞行器与阻挡物之间的水平距离，以及获取无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离，并根据该水平距离的变化量和与该变化量对应的无人飞行器的行进距离确定阻挡物是否为障碍物。

具体地，通过检测模块10可以检测无人飞行器处于不同爬升高度下与前方阻挡物之间的水平距离，并可以通过例如GPS模块检测无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离，随后控制模块20根据无人飞行器处于不同位置时，水平距离的变化量与所经过的行进距离的比较结果确定前方的阻挡物是否为不易越过的障碍物(例如竖直的房屋、树木等)。举例来说，如图3、图4和图5所示，无人飞行器由水平位置A移动至水平位置B，当无人飞行器的水平位置为A时，距阻挡物的水平距离为d1，距地面的离地距离为h1，行进速度为v₁。如果此时无人飞行器处于提前爬坡距离内，无人飞行器会以预设竖直加速度爬升，并移动至水平位置B。当无人飞行器的水平位置为B时，距阻挡物的水平距离为d1’，距地面的离地距离为h1’，行进速度为v₁。无人飞行器从水平位置A移动至水平位置B经过的行进距离为l1。当无人飞行器的前方为图3所示的竖直的阻挡物或图4所示的向无人飞行器倾斜的阻挡物时，此时水平距离d1、间隔距离d1’以及行进距离l1满足l1≤d1-d1’，因此当水平距离d1与水平距离d1’之差大于或等于行进距离l1时，控制模块20可以确定无人飞行器前方存在如图3或图4所示的障碍物，这种障碍物无人飞行器不易通过爬升等方式越过，因此控制模块20需要控制无人飞行器悬停、返航或从两侧绕过，以避免无人飞行器与障碍物相撞。而当水平距离d1与水平距离d1’之差小于行进距离l1时，控制模块20可以确定无人飞行器前方存在如图5所示的斜坡等可以通过爬升越过的非障碍物，此时可以控制无人飞行器提前爬升以越过该斜坡。

此外，本发明实施方式还提供一种无人飞行器，该无人飞行器包括上述的控制装置。具体地，该无人飞行器可以为植保无人机、航拍无人机、巡检无人机或测绘无人机等。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (15)

1.一种用于无人飞行器爬坡的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

检测在所述无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率；

根据所述斜率和所述无人飞行器在水平方向上的行进速度确定所述无人飞行器沿所述阻挡物爬升所需的在竖直方向上的期望爬升速度；

根据所述无人飞行器的预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到所述期望爬升速度所需的加速时间；

根据所述加速时间和所述行进速度确定所述无人飞行器在水平方向上的提前爬坡距离；以及

在检测到所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离小于或等于所述提前爬坡距离的情况下，控制所述无人飞行器开始以所述预设竖直加速度爬升，直至所述无人飞行器达到所述期望爬升速度；

其中，提前爬坡距离是指在无人飞行器因遇到阻挡物而需要爬升的情况下，无人飞行器的开始爬升位置与阻挡物之间的水平距离。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述检测在所述无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率包括：

检测所述无人飞行器的离地距离；

检测所述阻挡物与所述无人飞行器之间的水平距离；以及

根据所述无人飞行器的所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

根据所述预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到在竖直方向上的最大爬升速度所需的最长加速时间；

根据所述最长加速时间和所述行进速度确定检测距离；以及

在检测到所述水平距离小于或等于所述检测距离的情况下，根据所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述斜率和所述无人飞行器的行进速度确定所述无人飞行器沿所述阻挡物爬升所需的期望爬升速度包括：

根据所述斜率和所述无人飞行器的最大爬升速度确定所述无人飞行器在水平方向上的最大允许行进速度；

在所述无人飞行器当前的行进速度大于所述最大允许行进速度的情况下，控制所述行进速度降低至小于或等于所述最大允许行进速度；以及

根据降低后的所述行进速度和所述斜率确定所述期望爬升速度。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的控制方法，其特征在于，所述预设竖直加速度为所述无人飞行器的最大竖直加速度。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述无人飞行器的预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到所述期望爬升速度所需的加速时间包括：

确定所述无人飞行器当前的竖直移动速度与所述期望爬升速度之间的差值；以及

根据所述差值和所述预设竖直加速度确定所述加速时间。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

检测所述无人飞行器处于不同爬升高度下，所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离；

检测所述无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离；以及

根据所述水平距离的变化量和与该变化量对应的所述行进距离确定所述阻挡物是否为障碍物。

8.一种用于无人飞行器爬坡的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：

检测模块，被配置为检测在所述无人飞行器水平行进方向前方的阻挡物的斜率；

控制模块，被配置为：

根据所述斜率和所述无人飞行器在水平方向上的行进速度确定所述无人飞行器沿所述阻挡物爬升所需的在竖直方向上的期望爬升速度；

根据所述无人飞行器的预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到所述期望爬升速度所需的加速时间；

根据所述加速时间和所述行进速度确定所述无人飞行器在水平方向上的提前爬坡距离；以及

在所述检测模块检测到所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离小于或等于所述提前爬坡距离的情况下，控制所述无人飞行器开始以所述预设竖直加速度爬升，直至所述无人飞行器达到所述期望爬升速度；

其中，提前爬坡距离是指在无人飞行器因遇到阻挡物而需要爬升的情况下，无人飞行器的开始爬升位置与阻挡物之间的水平距离。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述检测模块包括：

竖直测距单元，被配置为检测所述无人飞行器的离地距离；

水平测距单元，被配置为检测所述阻挡物与所述无人飞行器之间的水平距离；以及

运算单元，被配置为根据所述无人飞行器的所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述控制模块还被配置为：

根据所述预设竖直加速度确定所述无人飞行器达到在竖直方向上的最大爬升速度所需的最长加速时间；

根据所述最长加速时间和所述行进速度确定检测距离；以及

在所述水平测距单元检测到所述水平距离小于或等于所述检测距离的情况下，根据所述离地距离和所述水平距离确定所述阻挡物的斜率。

11.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述控制模块还被配置为：

根据所述斜率和所述无人飞行器的最大爬升速度确定所述无人飞行器在水平方向上的最大允许行进速度；

在所述无人飞行器当前的行进速度大于所述最大允许行进速度的情况下，控制所述行进速度降低至小于或等于所述最大允许行进速度；以及

根据降低后的所述行进速度和所述斜率确定所述期望爬升速度。

12.根据权利要求8至11任意一项所述的控制装置，其特征在于，所述预设竖直加速度为所述无人飞行器的最大竖直加速度。

13.根据权利要求8至11任意一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制模块还被配置为：

确定所述无人飞行器当前的竖直移动速度与所述期望爬升速度之间的差值；以及

根据所述差值和所述预设竖直加速度确定所述加速时间。

14.根据权利要求8至11任意一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制模块还被配置为：

获取所述无人飞行器处于不同爬升高度下，所述无人飞行器与所述阻挡物之间的水平距离；

获取所述无人飞行器在爬升过程中沿水平方向上的行进距离；以及

根据所述水平距离的变化量和与该变化量对应的所述行进距离确定所述阻挡物是否为障碍物。

15.一种无人飞行器，其特征在于，所述无人飞行器包括根据权利要求8至14任意一项所述的控制装置。

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