CN110347171B - 一种飞行器控制方法及飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及航拍技术领域，公开了一种飞行器控制方法及飞行器，该飞行器控制方法应用于该飞行器中，该飞行器包括用于控制飞行器的飞行控制系统和用于控制云台的云台控制系统，该云台控制系统能够获取输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的姿态角信息，然后根据该输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航，进而实现对飞行器航拍的高精度控制，从而保证航拍视频的高质量，解决低转速航拍时视频卡顿的问题。

Description

一种飞行器控制方法及飞行器
技术领域
本发明实施例涉及航拍技术领域，尤其涉及一种飞行器控制方法及飞行器。
背景技术
随着飞行技术的发展，飞行器被广泛应用于各个领域。例如，以无人机为例，其使用范围已经扩宽到军事、科研、民用三大领域，具体在电力通信、气象、农业、海洋、勘探、摄影、搜救、防灾减灾、农作物估产、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐等领域应用甚广。无人机作为一种处在迅速发展中的新概念装备，由于其具有体积小、重量轻、机动灵活、反应快速、无人驾驶、操作要求低等优点，通过云台搭载多类拍摄设备，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能，是卫星遥感与传统航空遥感的有力补充。
其中，航拍无人机包括消费级航拍无人机和专业级航拍无人机，无论是消费级航拍无人机还是专业级航拍无人机，其航拍质量均取决于飞机机身和云台的控制效果。飞行控制系统(Flight Control System,FCS)是保证飞机稳定飞行的基本前提；云台控制系统(Gimbal Control System,GCS)用于改善航拍视频，并且通过其减振系统来隔离机身的高频振动，其控制精度远高于FCS的控制精度。通常，现有的航拍无人机中，GCS和FCS是独立的，亦即，GCS的俯仰、滚转通道不响应FCS姿态的变化，且GCS的偏航角保证一阶收敛于FCS的偏航角。
在实现本发明的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：首先，FCS没有GCS的控制权限，云台只获取飞机的偏航角/偏航角速率信息，并且无任何反馈信息与飞控系统进行实时交互；其次，FCS的偏航控制力矩小，偏航控制与俯仰控制、滚转控制存在通道耦合，在受到外界干扰时，FCS偏航通道转速不均匀而造成航拍视频不流畅，特别是在低转速时，视频卡顿现象严重；并且，云台偏航通道的控制受到飞机偏航角控制的影响，并没有将GCS的高精度控制优点有效地发挥出来，造成FCS控制压力增大。
发明内容
本申请发明实施例提供一种飞行器控制方法及飞行器，可以最大限度地发挥了云台控制系统GCS高精度控制的特点，解决了偏航通道低转速时的航拍视频卡顿问题，保证了航拍视频的稳定性和流畅性。
本发明实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种飞行器控制方法，应用于飞行器，所述飞行器包括用于控制飞行器的飞行控制系统和用于控制云台的云台控制系统，所述方法包括：
所述云台控制系统获取输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的姿态角信息；
所述云台控制系统根据所述输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航。
在一些实施例中，所述云台控制系统获取输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的姿态角信息，包括：
所述飞行控制系统获取所述飞行器在任务飞行模式下产生的速度指令和偏航指令；
所述飞行控制系统获取遥控器的杆量值，其中，所述遥控器与所述飞行器通信连接；
所述飞行控制系统根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令；
所述飞行控制系统将所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令发给所述云台控制系统。
在一些实施例中，该方法还包括：
所述飞行控制系统根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成输入所述飞行器的速度控制指令和推力指令。
在一些实施例中，该方法还包括：
所述飞行控制系统获取所述云台输出的实际偏航信息；
所述飞行控制系统获取所述飞行器输出的速度以及姿态角信息
所述飞行控制系统根据所述云台输出的实际偏航信息、所述飞行器输出的速度、所述飞行器输出的姿态角信息、所述输入所述飞行器的速度控制指令和所述推力指令，控制所述飞行器的偏航。
在一些实施例中，所述飞行控制系统获取所述云台输出的实际偏航信息，包括：
所述飞行控制系统根据所述云台输出的姿态角信息，获取所述云台输出的实际偏航信息。
在一些实施例中，所述云台输出的所述实际偏航信息包括所述云台的实际偏航角和实际偏航角速率。
在一些实施例中，所述飞行器输出的姿态角信息包括所述飞行器输出的实际的姿态角及姿态角速率。
在一些实施例中，所述飞行器输出的实际的姿态角信息包括所述飞行器输出的实际的姿态角及姿态角速率。
第二方面，本发明实施例提供了一种飞行器，包括：
机身；
机臂，与所述机身相连；
动力装置，设于所述机臂，用于为所述飞行器提供飞行的动力；
云台，设于所述机身；
飞行控制系统，设于所述机身；以及
云台控制系统，用于控制所述云台，且与所述飞行控制系统通信连接；
所述云台控制系统用于：
获取输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的姿态角信息；
根据所述输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航。
在一些实施例中，所述飞行控制系统用于：
获取所述飞行器在任务飞行模式下产生的速度指令和偏航指令；
获取遥控器的杆量值，其中，所述遥控器与所述飞行器通信连接；
根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令；
将所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令发给所述云台控制系统。
在一些实施例中，所述飞行控制系统还用于：
根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成输入所述飞行器的速度控制指令和推力指令。
在一些实施例中，所述飞行控制系统还用于：
获取所述云台输出的实际偏航信息；
获取所述飞行器输出的速度以及姿态角信息；
根据所述云台输出的实际偏航信息、所述飞行器输出的速度、所述飞行器输出的姿态角信息、所述输入所述飞行器的速度控制指令和所述推力指令，控制所述飞行器的偏航。
在一些实施例中，所述飞行控制系统还用于：
根据所述云台输出的姿态角信息，获取所述云台输出的实际偏航信息。
在一些实施例中，所述云台输出的所述实际偏航信息包括所述云台的实际偏航角和实际偏航角速率。
在一些实施例中，所述飞行器输出的姿态角信息包括所述飞行器输出的实际的姿态角及姿态角速率。
在一些实施例中，所述云台输出的所述姿态角信息包括所述云台的姿态角和姿态角速率。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行如上第一方面所述的飞行器控制方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种非易失性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可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上第一方面所述的飞行器控制方法。
本发明实施例提供了一种飞行器控制方法及飞行器，该飞行器控制方法应用于该飞行器中，该飞行器包括用于控制飞行器的飞行控制系统和用于控制云台的云台控制系统，该云台控制系统能够获取输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的姿态角信息，然后根据该输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航，进而实现对飞行器航拍的高精度控制，从而保证航拍视频的高质量，解决低转速航拍时视频卡顿的问题。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明实施例提供的飞行器控制方法的其中一种应用环境的示意图；
图2为图1中飞行器的具体结构图；
图3为本发明实施例提供的一种飞行器控制方法的流程图；
图4为图3所示方法中步骤110的一子流程图；
图5为图3所示方法中步骤110的另一子流程图；
图6为本发明实施例提供的一种飞行器控制方法的原理图；
图7为本发明实施例提供的一种飞行器的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置/结构示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置/结构中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例提供的飞行器控制方法的其中一种应用环境的示意图，图2为图1中飞行器10的具体结构图。本发明的飞行器控制方法可被应用于一种飞行器系统。其中，其中，该飞行器系统包括：飞行器10和遥控器20，飞行器10与遥控器20通讯连接。该飞行器10包括机身11、与所述机身11相连的机臂12、设于所述机臂12的动力装置13、设于所述机身11的云台14、以及设置于机身11内的飞行控制系统和云台控制系统(图未示)。
遥控器20与飞行器10可以通过有线或无线连接，例如，通过无线通信模块建立通信，以实现遥控器20与飞行器10的数据交互。
其中，该遥控器20可以是任何合适的遥控装置。遥控器20为受地(舰)面或空中平台上的遥控单元，通过发送控制指令给飞行控制系统以控制飞行器10。该遥控器20用于进行数据、信息或指令的中转。例如，遥控器20接收飞行器10发送的数据或信息(如拍摄装置所拍摄的图像信息)后，可以将该数据或信息发送给显示设备，以便在显示设备上显示飞行器10的飞行信息，以及，将飞行器10所拍摄的图像信息进行渲染或显示。
其中，上述飞行器10可以为任何类型的飞行设备。例如，无人机(Unmanned AerialVehicle，UAV)、无人船或其它可移动装置等等。以下对本发明的描述使用无人机作为飞行器的示例。对于本领域技术人员将会显而易见的是，可以不受限制地使用其他类型的飞行器。其中，该无人机可以为各种类型的无人机，例如，无人机可以是小型的无人机。在某些实施例中，无人机可以是旋翼飞行器(rotorcraft)，例如，由多个推动装置通过空气推动的多旋翼飞行器，本发明的实施例并不限于此，无人机也可以是其它类型的无人机或可移动装置，如固定翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等等。在一些实施例中，飞行器10可以围绕一个或多个旋转轴旋转。例如，上述旋转轴可以包括横滚轴、平移轴和俯仰轴。
所述机身11可以包括中心架以及与中心架连接的一个或多个机臂12，一个或多个机臂12呈辐射状从中心架延伸出。在本发明实施例中，该机臂12的数量为4个，每个机臂12的一端连接至中心架，另一端上设置有动力装置13，机身11底部安装有云台14，在云台14上还安装有摄像头。在其他的一些实施例中，所述机臂12的数量可以为2个、4个、6个等等。也即，机臂12的数量在此不受限制。
所述动力装置13安装于机臂12上，一个机臂12上通常设置一个动力装置13，在有的情况下，一个机臂12上也可以设置有多个动力装置13，动力装置13通常包括电机和与电机的输出轴相连的螺旋桨。飞行控制系统可以控制动力装置13，具体的，通过发送控制指令至飞行控制系统，飞行控制系统将控制指令转化为相应的脉冲信号输出至电机，以驱动所述动力装置13。其中，动力装置13的电机可以是无刷电机，也可以有刷电机。所述一个或多个动力装置13为该飞行器10的飞行提供动力，该动力使得该飞行器10能够实现一个或多个自由度的运动，如前后运动、上下运动等等。该动力装置13的数量在此也不作限制。此外，在图2所示飞行器10中，所述动力装置13具体为四个螺旋桨，分别设置在四个机臂12上。在其他的一些实施例中，所述动力装置13/螺旋桨的数量可以为2个、4个、6个等等。也即，所述动力装置13/螺旋桨的数量在此不受限制。
所述云台14为一种拍摄辅助设备，用于搭载摄像机。云台14上也设置有云台电机。具体的，通过发送控制指令至云台控制系统，云台控制系统将控制指令转化为相应的脉冲信号输出至云台电机，以控制云台电机的运动(如转速)，从而调节飞行器10拍摄图像的角度。其中，云台电机可以是无刷电机，也可以有刷电机。云台14可以位于机身11的顶部，也可以位于机身11的底部。云台14搭载的摄像机可以是照相机、拍摄手机、录像机或摄像机等用于采集图像的装置，摄像头可以与飞行控制系统通信，并在飞行控制系统的控制下进行拍摄。例如，飞行控制系统控制摄像头拍摄图像的拍摄频率，也即每单位时间内拍摄多少次；或者，飞行控制系统通过云台14控制摄像头的拍摄图像的角度等。并且，摄像头可以为若干个，如1个、2个、3个4个等。
此外，在机身11上还可以设置有传感系统，传感系统连接至飞行控制系统，该传感系统用于测量飞行器10各个部件的位置和状态信息等等，如位置、角度、速度、加速度和角速度、飞行高度等等。例如，在飞行器10飞行时，可以通过传感系统实时获取飞行器当前的飞行信息，以便实时确定飞行器所处的飞行状态。传感系统例如可以包括红外传感器、声波传感器、陀螺仪、电子罗盘、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、视觉传感器、全球导航卫星系统和气压计等传感器中的至少一种。例如，全球导航卫星系统可以是全球定位系统(Global Positioning System，GPS)。通过IMU可以测量无人机100的飞行过程中的姿态参数，通过红外传感器或声波传感器可以测量飞行器10的飞行高度等等。
云台14由云台控制系统控制，云台控制系统与飞行控制系统通信连接，以实现云台14与飞行控制系统之间的数据交互。
飞行控制系统和云台控制系统(图未示)为本发明实施例中执行飞行器控制方法的执行主体，飞行控制系统可以为任何合适的能实现本发明执行的飞行器控制方法的芯片，如微处理器、微控制单元、单片机、控制器等。具体地，该飞行控制系统至少是能够获取数据及指令、处理数据及指令、发送数据及指令的具有计算功能的芯片或装置，可以根据实际需要进行设置。
飞行器10作为一种飞行载具，主要用于通过飞行完成指定任务，如飞往指定地点的飞行任务，或者在飞行过程中进行拍摄的拍摄任务等。在飞行器10进行航拍时，通常为了使得用户能够看到想要看到的目标区域的图像，得到更好的拍摄效果，需要飞行器10控制动力装置13和云台14使得飞行器10能够在前后左右多个方向上进行轻微的移动，实现对飞行器10的飞行方向和飞行距离的高精度控制。或者在有风的情况下，同样也需要飞行器10在多个方向上进行轻微的移动，从而达到稳定拍摄的效果。
例如，在飞行器10悬停状态下，绕偏航轴低速转动，或者在飞行器10正常运动模式下，绕偏航轴低速转动，或者在极端操作情况下绕偏航轴低速转动时，或者在有风或无风环境下飞行时，需要保证在飞行偏航通道低转速的情况下云台14偏航通道转速的均匀性，从而保证航拍图像或视频的高质量，解决低转速航拍时视频卡顿的问题。为此，需要对航拍进行高精度的控制，提高航拍增稳的效果。
基于此，在本发明实施例中，飞行控制系统获取输入飞行器的速度控制指令和云台14输出的实际偏航信息，然后根据输入飞行器的速度控制指令和云台14输出的实际偏航信息，控制飞行器的偏航，以使得飞行器的偏航与云台14的偏航保持一致。
在本发明的一实施例中，云台控制系统首先获取输入飞行器的偏航控制指令和云台14输出的姿态角信息，其中，所述云台14输出的姿态角信息包括云台14实际的姿态角及姿态角速率。云台控制系统根据输入所述飞行器的偏航控制指令和云台14输出的姿态角信息，输出云台14的实际偏航信息，并将该实际偏航信息发送给飞行控制系统。在本发明的一实施例中，所述实际偏航信息包括云台14的实际偏航角和实际偏航角速率。
在本发明的一实施例中，所述输入飞行器的速度控制指令和所述输入飞行器的偏航控制指令由飞行器在任务飞行模式下产生的速度指令和偏航指令以及遥控器20的杆量值通过指令融合获得。
在本发明的实施例中，首先将输入飞行器的偏航控制指令输入云台控制系统，云台控制系统根据指令生成云台电机PWM用于调整云台的偏航角，然后再将云台输出的实际偏航信息反馈给飞行控制系统，飞行控制系统根据云台输出的实际偏航信息和输入飞行器的速度控制指令，生成动力装置13的电机PWM控制飞行器的偏航角及偏航角速率，以使得飞行器的偏航角及偏航角速率与云台14的偏航角及偏航角速率保值一直。通过指令融合后的偏航控制指令直接输入云台控制系统，没有收到飞行器的噪声污染，因此变化曲线十分光滑，而云台控制系统本身的控制精度又很高，因此保证了航拍视频的稳定性，不会出现卡顿现象。但此时，飞行器并未接收到偏航转动地指令，为了和云台的偏航保持一致，因此将云台的实际偏航角及偏航角速率反馈给飞行控制系统，控制飞行器的偏航。因此，云台控制系统为主控制、飞行控制系统为从控制，飞行控制系统的优先级低于云台控制系统，巧妙地利用了云台高精度控制、高灵敏度的特性，避开了飞行控制系统在飞机偏航控制中所带来的振动及噪声信号，从机理上解决了低转速转动偏航轴时航拍视频的卡顿问题。
具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
实施例一
本发明实施例提供了一种飞行器控制方法，请参见图3，为本发明实施例提供的一种飞行器控制方法的流程示意图。所述飞行器控制方法应用于飞行器，以控制飞行器的偏航，增加飞行器航拍的稳定性。所述飞行器包括用于控制飞行器的飞行控制系统和用于控制云台的云台控制系统，以实现高精度拍摄。其中，该飞行器可以为各种类型的飞行器，例如，图1和图2中的飞行器10。
请参考图3，所述飞行器控制方法包括但不限于以下步骤：
步骤110：所述云台控制系统获取输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的姿态角信息。
所述偏航控制指令，为飞行控制系统根据当前飞行任务模式下飞行器生成的偏航指令和速度指令，结合遥控器的摇杆值，进行指令融合后产生的偏航控制指令。
所述姿态角信息包括姿态角和姿态角速率，所述云台输出的所述姿态角信息包括所述云台的姿态角和姿态角速率。所述姿态角，即欧拉角，由所述飞行器的机体坐标系与地理坐标系之间的相对位置来确定，分别用偏航角、俯仰角和滚转角三个欧拉角来表示所述姿态角。所述姿态角表示当前所述云台的呈何种角度姿态位于空中，所述姿态角速率表示当前飞行任务下所述云台在空中进行姿态改变时姿态角的变化速率。具体地，可以通过设置在所述云台上的六轴传感器，即三轴陀螺仪和三轴传感器测量所述云台的姿态角信息。
步骤120：所述云台控制系统根据所述输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航。
所述云台控制系统是一种辅助拍摄系统，用于改善航拍视频，通常通过减振系统来隔离机身的高频振动，其控制精度远高于飞行控制系统的控制精度，所述云台控制系统用于具体控制飞行器云台的偏航的方向和速度。所述云台控制系统内应该设置有电机，能够获取所述偏航控制指令并执行所述偏航控制指令，并且，还能够驱动飞行器的云台，使云台能够按照所述偏航控制指令所携带的偏航信息进行偏航。所述云台控制系统具体为能够将所述偏航控制指令转化为相应的脉冲信号以控制云台偏航的控制系统。
在本发明实施例中，所述云台控制系统为主控制，所述飞行控制系统为从控制，所述飞行控制系统的优先级低于所述云台控制系统。所述云台控制系统根据所述飞行控制系统输出的偏航控制指令、以及云台输出的姿态角信息控制云台偏航。
在执行本发明提供的飞行器控制方法时，所述云台控制系统获取偏航控制指令和所述云台输出的所述姿态角信息后，执行所述偏航控制指令，使得云台按所述偏航控制指令偏航。进一步地，还可以进行航拍工作。
本发明实施例提供了一种飞行器控制方法，该飞行器控制方法应用于该飞行器中，该飞行器包括用于控制飞行器的飞行控制系统和用于控制云台的云台控制系统，该云台控制系统能够获取输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的姿态角信息，然后根据该输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航，进而实现对飞行器航拍的高精度控制，从而保证航拍视频的高质量，解决低转速航拍时视频卡顿的问题。
在一些实施例中，请参见图4，图4为图3所述方法中步骤110的一子流程图，所述步骤110具体包括：
步骤111：所述飞行控制系统获取所述飞行器在任务飞行模式下产生的速度指令和偏航指令。
所述任务飞行模式为当前飞行器所执行的飞行任务所处的工作模式。具体地，飞行器在需要航行至一目标位置时，飞行器生成从当前位置到目标位置的航行线路并生成相应的飞行任务，所述飞行器进入该飞行任务的任务飞行模式，所述飞行控制系统执行该飞行任务时，生成相应的速度指令和偏航指令，以驱使飞行器飞行至飞行至目标位置。
所述速度指令，为当前的任务飞行模式下飞行器所执行的速度指令，该速度指令控制飞行器保持当前的飞行速度飞行。所述偏航指令，为当前的任务飞行模式下飞行器所执行的偏航指令，该偏航指令控制飞行器保持当前的偏航角和偏航角速率飞行。
在本发明实施例中，所述飞行控制系统是保证飞行器稳定飞行的基本前提，所述飞行控制系统用于具体控制飞行器飞行的速度和方向。所述飞行控制系统内应该设置有至少两种电机，所述至少两种电机分别能够获取当前的任务飞行模式下的所述速度指令或所述偏航指令并执行所述速度指令或所述偏航指令。并且，所述至少两种电机还能够驱动飞行器的动力装置，以使所述动力装置按照所述速度指令和所述偏航指令所携带的飞行信息进行航行。所述飞行控制系统具体为能够将所述速度指令和所述偏航指令转化为相应的脉冲信号以控制飞行器执行当前飞行任务的控制系统。所述飞行控制系统可以通过电机执行所述速度指令和所述偏航指令，以控制飞行器的偏航。
步骤112：所述飞行控制系统获取遥控器的杆量值，其中，所述遥控器与所述飞行器通信连接。
在本发明实施例中，所述飞行器是受遥控器控制的，因此，通过改变所述遥控器的杆量值，能够改变控制所述飞行速度和偏航的速度指令和偏航指令。所述遥控器的杆量值包括滚转杆、俯仰杆、偏航杆、推力杆四个方向摇杆的杆量值。根据所述杆量值，调整飞行器的飞行方向和飞行速度。
所述遥控器与所述飞行器通信连接，以发送所述杆量值至所述飞行器。所述遥控器与所述飞行器可以是双向通信，所述飞行器可以发送当前飞行器的实时飞行状态至所述遥控器。一般情况下，所述遥控器与所述飞行器无线连接，以使所述飞行器有更自由的飞行空间，例如，可以通过蓝牙连接。
步骤113：所述飞行控制系统根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令。
飞行控制系统获取到当前的任务飞行模式下的速度指令和偏航指令、及遥控器的杆量值后，融合计算得到用于输入飞行器的偏航控制指令。所述飞行控制系统可以通过从飞行控制系统中读取当前的任务飞行模式下所述飞行控制系统所产生的所述速度指令和所述偏航指令。
具体地，首先，飞行器在执行飞行任务时，在当前任务飞行模式下飞行器会保持预设的速度和偏航航行，飞行器的飞行控制系统会输出速度指令和偏航指令至动力装置，以驱动飞行器航行。或者，在所述飞行器将要执行飞行任务时，飞行控制系统也会输出速度指令和偏航指令至动力装置，以驱动飞行器航行。
因此，获取所述速度指令和偏航指令，且在遥控器控制所述飞行器改变航行方向和速度时，获取所述遥控器的杆量值，从而能够生成驱使所述飞行器按照遥控器的控制进行航行的偏航控制指令。进一步地，将所述偏航控制指令输入至所述飞行器以驱动所述云台的偏航和所述飞行器的偏航。
步骤114：所述飞行控制系统将所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令发给所述云台控制系统。
在本发明实施例中，需要将所述云台控制系统与所述飞行控制系统进行通讯连接。具体的，所述云台控制系统与所述飞行控制系统可以是通过有线通信连接，也可以是通过无线通信连接；所述云台控制系统与所述飞行控制系统可以是直接连接，也可以是间接连接。进一步地，将所述偏航控制指令发送至所述云台控制系统。
例如，所述云台控制系统与所述飞行控制系统可以是通过总线直接物理连接，或者内部设置有无线模块在一定的频段上进行连接。再或者，也可以是通过单独一块用于数据处理及传输的芯片连接。然后，所述飞行控制系统通过上述物理连接将所述偏航控制指令发送至所述云台控制系统。具体地，所述云台控制系统与所述飞行控制系统的连接方式可根据实际需要进行设置，涉及的电子元件及电路结构或通讯协议等也可以根据实际情况进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
在一些实施例中，请参见图5，图5为图3所述方法中步骤110的另一子流程图，所述步骤110具体包括：
步骤115：所述飞行控制系统根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成输入所述飞行器的速度控制指令和推力指令。
在本发明实施例中，由于遥控器的控制，飞行器在当前任务飞行模式下，会改变器飞行速度和飞行方向，因此，飞行控制系统需要结合飞行器在当前任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成输入所述飞行器的速度控制指令和推力指令。
所述速度控制指令，具体为，飞行控制系统根据遥控器的控制所生成的新的航线及相应的飞行任务，该新的飞行任务所执行的速度控制指令，所述速度控制指令用于控制飞行器飞行的速度。所述推力指令，为所述飞行控制系统结合飞行器当前任务飞行模式下的加速度，以及遥控器的杆量值，所生成的推力指令，所述推力指令用于控制飞行器飞行的方向及加速度。
步骤116：所述飞行控制系统获取所述云台输出的实际偏航信息。
所述飞行控制系统根据所述云台输出的姿态角信息，获取所述云台输出的实际偏航信息。在本发明实施例中，所述云台输出的所述实际偏航信息包括所述云台的实际偏航角和实际偏航角速率。所述飞行器根据当前所述云台的姿态角信息，以及输入至所述飞行器的偏航控制指令，调整所述飞行器的偏航角。然后，通过陀螺仪测量所述飞行器的实际偏航信息。所述偏航角为表示所述姿态角的三个欧拉角之一，为机体轴在水平面上的投影与地轴之间的夹角。
步骤117：所述飞行控制系统获取所述飞行器输出的速度以及姿态角信息。
在本发明实施例中，可以通过速度传感器检测所述飞行器输出的实际的速度信息，可以通过设置在所述飞行器上的六轴传感器，即三轴陀螺仪和三轴传感器测量所述飞行器输出的姿态角信息。所述姿态角，即欧拉角，分别用偏航角、俯仰角和滚转角三个欧拉角来表示所述姿态角，
在本发明实施例中，所述飞行器输出的姿态角信息包括所述飞行器输出的姿态角及姿态角速率。所述飞行器根据输入至飞行器的速度控制指令、由设置在云台上的六轴传感器检测到的当前所述云台的实际偏航信息、当前所述飞行器输出的速度信息和姿态角信息，调整所述飞行器的偏航角及偏航角速率，控制所述飞行器的偏航。
步骤118：所述飞行控制系统根据所述云台输出的实际偏航信息、所述飞行器输出的速度、所述飞行器输出的姿态角信息、所述输入所述飞行器的速度控制指令和所述推力指令，控制所述飞行器的偏航。
在本发明实施例中，所述飞行器输出的姿态角信息包括所述飞行器输出的实际的姿态角及姿态角速率。所述飞行控制系统根据云台输出的实际偏航信息，得到当前云台的实际偏航情况，然后根据飞行器输出的速度和姿态角信息，得到当前飞行器的实际偏航情况。结合当前云台和飞行器的实际偏航情况，并根据遥控器输入的杆量值，飞行控制系统计算得到最终用于输入至飞行器、控制飞行器偏航的速度控制指令和推力指令。最后，飞行控制系统内的电机，将所述速度控制指令和所述推力指令转化为相应的脉冲信号，驱动飞行器飞行，以控制所述飞行器的偏航。
请参见图6，为本发明实施例提供的一种飞行器控制方法的原理图，具体围绕该原理图阐述本发明实施例提供的飞行器控制方法的具体执行流程。
在图6中，编号100-108为控制飞行器执行上述步骤110-120、步骤111-114、步骤115-118所涉及的需要进行传输的指令或数据信息。且图中的FCS指的是上述的飞行控制系统(Flight Control System,FCS)，所述FCS内设置有用于驱动机械装置的电机。图中的GFS指的是上述的云台控制系统(Gimbal Control System,GCS)，所述GFS内设置有用于驱动机械装置的电机。图中的指令任何指的是飞行器内飞行控制系统对于初步获取的指令的计算分析。图中的飞机指的是飞行器内控制飞行速度及其方向的装置，如动力装置，且飞机与所述飞行控制系统通讯连接。图中的云台指的是飞行器上用于辅助拍摄的设备，且云台与所述云台控制系统通讯连接。
具体地，所述100为飞机执行智能飞行所产生的速度指令[vxc_mission,vyc_mission,vzc_mission]、偏航角指令ψc_mission及偏航角速率指令
Figure BDA0002128671630000181
所述101为遥控器杆量值[R,P,Y,T](滚转杆、俯仰杆、偏航杆、推力杆)。所述102为最终合成的速度指令[vxc,vyc,vzc]、推力指令T。所述103为最终合成的偏航角指令ψc及偏航角速率指令
Figure BDA0002128671630000182
所述104为飞机电机的pwm(脉冲宽度调制)信号。所述105为云台电机的pwm(脉冲宽度调制)信号。所述106为飞机实际的速度[vx,vy,vz]、姿态角[φ,θ,ψ]及角速率[ωx,ωy,ωz]。所述107为云台实际的姿态角度[φg,θg,ψg]及角速率
Figure BDA0002128671630000183
所述108为云台实际的偏航角ψg及偏航角速率
Figure BDA0002128671630000184
通常飞行控制系统FCS中姿态控制存在误差，设误差
Figure BDA0002128671630000185
由于云台对eφ、eθ、ep和eq的敏感度不高，换言之，eφ、eθ、ep和eq对云台的影响不大，而er对云台的影响较大。一般情况下，er的量级为°/s，而云台的控制精度一般为10-2°/s这个量级的，因此，飞行控制系统FCS的这个控制精度远远是不如云台的控制精度。在传统的云台控制中，由于云台控制系统GCS和飞行控制系统FCS控制分离，不考虑FCS的控制误差er，云台ψg紧跟飞机的ψ，虽然响应过程是一个一阶平滑的，但从角速率上来看，飞行控制系统FCS会给云台控制系统GCS、或者说云台的偏航轴带来一个较大的抖动或误差，量级为1～10°/s。云台的偏航轴与飞机偏航轴耦合太严重，云台受到飞机偏航轴的影响太大，特别是在偏航轴低转速的情况下，容易造成航拍视频卡顿。
在传统的飞行器控制中，通常是直接将指令102和指令103同时分别发送至飞行控制系统FCS和云台控制系统GCS，飞行控制系统FCS和云台控制系统GCS分别控制飞机和云台调整姿态。或者飞行控制系统FCS先控制飞机调整姿态，再将飞机调整后的姿态信息发送给云台控制系统GCS，然后云台控制系统GCS再对云台进行稳定控制。这两类传统的调整并稳定飞行器姿态的方式，由于飞行控制系统FCS的精度限制，飞行的偏航角及其角速率并不光滑，会造成低转速转动偏航轴时，航拍视频的严重卡顿现象。
而在本发明实施例中，请继续参见图6，执行指令100-108的具体工作流程及其工作原理是：飞行器在飞行时，由于内部设置有智能飞行调整程序，因此飞行器在执行智能飞行时，存在速度指令100，同时，飞行器智能飞行时，还会受到来自用于操控遥控器的杆量信息101。飞行器通过指令融合的方式，计算分析并最终合成速度控制指令102，以及偏航控制指令103。并且，将最终合成的速度控制指令102发送至飞行控制系统FCS，将终合成的偏航控制指令103发送至云台控制系统GCS。然后，云台控制系统GCS根据指令103生成云台电机的脉冲宽度调制信号105，云台获取到信号105后调整飞行状态。然后将云台的实际姿态信息107反馈给飞控系统，其中，实际姿态信息107中的云台的实际偏航信息108进一步发送给飞行控制系统FCS。飞行控制系统FCS根据实际偏航信息108，以及已获取到的速度控制指令102，生成飞机电机的脉冲宽度调制信号104，飞机获取到信号104后调整飞行状态。具体地，飞机首先调整偏航角及偏航角速率与云台的偏航角及偏航角速率保持一致，进一步根据以获取到的速度控制指令102调整飞行器的飞行状态。
在本发明实施例中，指令融合后产生的偏航控制指令103(包括偏航角及偏航角速率)直接发送至云台控制系统GCS。区别于传统先发送至飞行控制系统FCS的方式，本发明实施例中，云台执行的偏航控制指令103不会收到飞机噪声的污染，偏航控制指令103的变化曲线十分光滑。且由于云台控制系统GCS本身的控制精度远高于飞行控制系统FCS，因此，云台控制系统GCS执行偏航控制指令103后检测/获取到的云台的实际偏航信息108相比于偏航控制指令103误差较小。飞机根据实际偏航信息108对其偏航状态进行调整后，再进行飞行速度及方向的调整。最后进行拍摄后得到的航拍视频就会特别稳定，不会出现卡顿现象，且抗风能力强。在本发明实施例中，云台控制系统GCS为主控制，飞行控制系统FCS为从控制，飞行控制系统FCS的优先级低于云台控制系统GCS，本发明采用的飞行器控制方法巧妙地利用了云台高精度控制、高灵敏度的特征，避开了飞行控制系统FCS在飞机偏航控制中所带来的振动及噪声信号，从机理上解决了低转速转动偏航轴时航拍视频的卡顿问题。
此外，在本发明实施例中，还可以增加飞行控制系统FCS到云台控制系统GCS的反馈回路，飞机的将偏航信息传递至云台控制系统GCS，云台控制系统GCS根据飞机的偏航信息通过微分运算进行跟踪补偿，使得能够进一步监控飞行控制系统FCS的偏航状态。在本发明实施例中，所述云台的实际偏航信息108可以仅包括云台实际的偏航角信息或者云台实际的偏航角速率信息。在其他的一些实施例中，上述设置可以不需要拘泥于本发明实施例的限定。
本发明实施例还提供了三种验证是否采用了本发明提供的飞行器控制方法的验证方法：
第一种方法：飞机开机后，等待云台校准完成，然后将飞机开锁，使电机进入带速状态，若不推动油门杆时，打开Yaw杆云台会随着摆动，则说明飞行器执行着本发明实施例所述的飞行器控制方法，能够得到稳定的拍摄图像。
第二种方法：在第一种方法失效的情况下，将飞机动力装置摘除，飞机开机，等待云台校准完成后，将飞机解锁，使电机进入带速状态，推动油门杆，手动将飞机拿起使其悬空，此时打Yaw杆云台会随着摆动，则说明飞行器执行着本发明实施例所述的飞行器控制方法，能够得到稳定的拍摄图像。
第三种方法：在飞机正常悬停时，打Yaw杆或程序控制偏航转速期望值低于2°/s时，拍摄视频仍然不卡顿，则说明飞行器执行着本发明实施例所述的飞行器控制方法，能够得到稳定的拍摄图像。
实施例二
本发明实施例还提供了一种飞行器，请参见图7，为本发明实施例提供的一种飞行器200的结构框图，该飞行器200包括机身210、机臂220、动力装置230、云台240、飞行控制系统250和云台控制系统260。其中，所述机臂220与所述机身210相连，所述动力装置230设于所述机臂220，用于为所述飞行器200提供飞行的动力，所述云台240设于所述机身210，所述飞行控制系统250设于所述机身210，所述云台控制系统260用于控制所述云台240，且与所述飞行控制系统250通信连接。
所述云台控制系统260用于：获取输入所述飞行器200的偏航控制指令和所述云台240输出的姿态角信息；根据所述输入所述飞行器200的偏航控制指令和所述云台240输出的所述姿态角信息，控制所述云台240的偏航。
在一些实施例中，所述飞行控制系统250用于：获取所述飞行器200在任务飞行模式下产生的速度指令和偏航指令；获取遥控器的杆量值，其中，所述遥控器与所述飞行器200通信连接；根据所述飞行器200在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成所述输入所述飞行器200的所述偏航控制指令；将所述输入所述飞行器200的所述偏航控制指令发给所述云台控制系统260。
在一些实施例中，所述飞行控制系统250还用于：根据所述飞行器200在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成输入所述飞行器200的速度控制指令和推力指令。
在一些实施例中，所述飞行控制系统250还用于：获取所述云台240输出的实际偏航信息；获取所述飞行器200输出的速度以及姿态角信息；根据所述云台240输出的实际偏航信息、所述飞行器200输出的速度、所述飞行器200输出的姿态角信息、所述输入所述飞行器200的速度控制指令和所述推力指令，控制所述飞行器200的偏航。
在一些实施例中，所述飞行控制系统250还用于：根据所述云台240输出的姿态角信息，获取所述云台240输出的实际偏航信息。
在一些实施例中，所述云台240输出的所述实际偏航信息包括所述云台240的实际偏航角和实际偏航角速率。
在一些实施例中，所述飞行器200输出的实际的姿态角信息包括所述飞行器200输出的实际的姿态角及姿态角速率。
在一些实施例中，所述云台240输出的所述姿态角信息包括所述云台240的姿态角和姿态角速率。
还需要说明的是，在本发明实施例中，所述飞行器200可执行任意方法实施例，即实施例一所提供的飞行器控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在飞行器200的实施例中详尽描述的技术细节，可参见方法实施例所提供的飞行器控制方法，此处不再详述。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行如上所述的飞行器控制方法。例如，执行以上描述的图3至图5中的方法步骤110-120、步骤111-114、以及步骤115-118，实现图7中的模块210-250的功能。
本发明实施例提供了一种非易失性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可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上所述的飞行器控制方法。例如，执行以上描述的图3至图7中的方法步骤110-120、步骤111-114、以及步骤115-118，实现图7中的模块210-250的功能。
本发明实施例提供了一种飞行器控制方法及飞行器，该飞行器控制方法应用于该飞行器中，该飞行器包括用于控制飞行器的飞行控制系统和用于控制云台的云台控制系统，该云台控制系统能够获取输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的姿态角信息，然后根据该输入飞行器的偏航控制指令和云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航，，在本发明实施例中，云台控制系统的控制权限高于飞行控制系统，飞行控制系统根据云台控制系统输出的实际偏航信息对飞行器的偏航进行控制，进而实现对飞行器航拍的高精度控制，从而保证航拍视频的高质量，解决低转速航拍时视频卡顿的问题。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施例的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现所述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如所述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory,RAM)等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种飞行器控制方法，应用于飞行器，所述飞行器包括用于控制飞行器的飞行控制系统和用于控制云台的云台控制系统，其特征在于，所述方法包括：
所述云台控制系统获取输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的姿态角信息，其中，所述偏航控制指令，为飞行控制系统根据当前飞行任务模式下飞行器生成的偏航指令和速度指令，结合遥控器的摇杆值，进行指令融合后产生的偏航控制指令；
所述云台控制系统根据所述输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航，其中，所述云台输出的所述姿态角信息包括所述云台的姿态角和姿态角速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述云台控制系统获取输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的姿态角信息，包括：
所述飞行控制系统获取所述飞行器在任务飞行模式下产生的速度指令和偏航指令；
所述飞行控制系统获取遥控器的杆量值，其中，所述遥控器与所述飞行器通信连接；
所述飞行控制系统根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令；
所述飞行控制系统将所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令发给所述云台控制系统。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述飞行控制系统根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成输入所述飞行器的速度控制指令和推力指令。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述飞行控制系统获取所述云台输出的实际偏航信息；
所述飞行控制系统获取所述飞行器输出的速度以及姿态角信息；
所述飞行控制系统根据所述云台输出的实际偏航信息、所述飞行器输出的速度、所述飞行器输出的姿态角信息、所述输入所述飞行器的速度控制指令和所述推力指令，控制所述飞行器的偏航。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述飞行控制系统获取所述云台输出的实际偏航信息，包括：
所述飞行控制系统根据所述云台输出的姿态角信息，获取所述云台输出的实际偏航信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述云台输出的所述实际偏航信息包括所述云台的实际偏航角和实际偏航角速率。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述飞行器输出的姿态角信息包括所述飞行器输出的实际的姿态角及姿态角速率。
8.一种飞行器，其特征在于，包括：
机身；
机臂，与所述机身相连；
动力装置，设于所述机臂，用于为所述飞行器提供飞行的动力；
云台，设于所述机身；
飞行控制系统，设于所述机身；以及
云台控制系统，用于控制所述云台，且与所述飞行控制系统通信连接；
所述云台控制系统用于：
获取输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的姿态角信息，其中，所述偏航控制指令，为飞行控制系统根据当前飞行任务模式下飞行器生成的偏航指令和速度指令，结合遥控器的摇杆值，进行指令融合后产生的偏航控制指令；
根据所述输入所述飞行器的偏航控制指令和所述云台输出的所述姿态角信息，控制所述云台的偏航，其中，所述云台输出的所述姿态角信息包括所述云台的姿态角和姿态角速率。
9.根据权利要求8所述的飞行器，其特征在于，所述飞行控制系统用于：
获取所述飞行器在任务飞行模式下产生的速度指令和偏航指令；
获取遥控器的杆量值，其中，所述遥控器与所述飞行器通信连接；
根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令；
将所述输入所述飞行器的所述偏航控制指令发给所述云台控制系统。
10.根据权利要求9所述的飞行器，其特征在于，所述飞行控制系统还用于：
根据所述飞行器在所述任务飞行模式下产生的所述速度指令和所述偏航指令，以及所述遥控器的杆量值，生成输入所述飞行器的速度控制指令和推力指令。
11.根据权利要求10所述的飞行器，其特征在于，所述飞行控制系统还用于：
获取所述云台输出的实际偏航信息；
获取所述飞行器输出的速度以及姿态角信息；
根据所述云台输出的实际偏航信息、所述飞行器输出的速度、所述飞行器输出的姿态角信息、所述输入所述飞行器的速度控制指令和所述推力指令，控制所述飞行器的偏航。
12.根据权利要求11所述的飞行器，其特征在于，所述飞行控制系统还用于：
根据所述云台输出的姿态角信息，获取所述云台输出的实际偏航信息。
13.根据权利要求12所述的飞行器，其特征在于，所述云台输出的所述实际偏航信息包括所述云台的实际偏航角和实际偏航角速率。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器输出的姿态角信息包括所述飞行器输出的实际的姿态角及姿态角速率。
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