CN110488865B - 无人机航向确定方法、装置及无人机 - Google Patents

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    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft

Abstract

本发明实施例涉及一种无人机航向角初始值选取方法、装置及无人机。所述方法包括：检测无人机的飞行高度和无人机飞行环境中的磁场参数；根据飞行高度和磁场参数，更新航向角初值；将传感器采集的数据与航向角初值进行数据融合，得到修正后的航向角；根据修正后的航向角，确定无人机的航向。其可以在无人机的预设飞行高度范围内，通过检测所述无人机飞行环境中的磁场参数情况，得到准确度最高的航向角初值，实现了无人机在具有磁干扰的地面环境中起飞，航向角仍具有一定的准确程度，减少了无人机在具有磁干扰地面环境中起飞的炸机概率，提高了飞行安全性。

Description

无人机航向确定方法、装置及无人机
【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航向确定方法、装置及无人机。
【背景技术】
多旋翼无人机航向控制，直接关系到无人机的飞行稳定性和飞行安全性。无人机滚转、俯仰、偏航三个姿态通道中，偏航角度，即航向角，由磁力计给出初值，其他传感器对其进行后期修正最终得到融合后的航向角。磁力计测量地磁场数据，其给出的三轴磁读数极易受环境影响，所以其给定的初值往往会偏离真正的航向。随着无人机飞行，其他传感器参与航向角融合过程，准确的航向角信息会被获得，当该航向角与磁力计给定的初始航向角具有较大偏差时，飞机会对航向进行大幅度修正，体现在飞行过程中，就是航向角会出现较大的变化，轻则飞斜线，重则出现诸如航向角大幅修正导致的失控炸机。
航向角初始值的准确程度直接影响了多旋翼无人机从起飞到获得多传感器融合航向角这一过程中的飞行安全和飞行品质，因此，如何给定航向角初值，尽量减小和避免初值误差，成为一项重要工作。
【发明内容】
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种提高无人机的航向角初始值精确度的无人机航向确定方法、装置及无人机。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：一种无人机航向确定方法。所述无人机航向确定方法包括：
检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数；
根据所述飞行高度和所述磁场参数，更新航向角初值；
将传感器采集的数据与所述航向角初值进行数据融合，得到修正后的航向角；
根据所述修正后的航向角，确定所述无人机的航向。
可选地，所述检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数，包括：
实时检测所述无人机的飞行高度是否小于预设的飞行高度阈值；
当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间检测一次所述无人机飞行环境中的磁场参数。
可选地，所述根据所述飞行高度和所述磁场参数，更新所述航向角初值，包括：
计算每次检测的所述磁场参数的误差；
获取检测到的所述磁场参数误差最小时所述无人机的航向角，并将所述航向角作为航向角初值。
可选地，所述计算每次检测的所述磁场参数的误差，包括：
获取所述无人机所在位置的经纬度；
根据所述无人机所在位置的经纬度，得到基准磁场参数；
对比所述磁场参数和所述基准磁场参数，以计算所述磁场参数的误差。
可选地，所述磁场参数包括磁场强度和磁场倾角。
可选地，所述飞行高度阈值为1.5-2m。
可选地，所述预设时间为10-30ms。
可选地，所述根据所述修正后的航向角，确定所述无人机的航向，包括：
根据当前无人机的姿态和所述修正后的航向角，更新所述无人机的姿态；
根据更新后的所述无人机的姿态，确定所述无人机的航向。
可选地，所述根据当前所述无人机的姿态和所述航向角初值，更新所述无人机的姿态，包括：
获取当前所述无人机的姿态的四元数；
根据所述航向角初值和所述修正后的航向角，得到航向偏角；
根据所述航向偏角，得到以无人机Z轴为转轴的四元数：
通过如下算式，确定更新后的所述无人机的姿态的四元数：
q＝r*q0
其中，r为以所述无人机Z轴为转轴的四元数，q0为当前所述无人机的姿态的四元数，q为更新后的所述无人机的姿态的四元数。
可选地，通过如下算式，计算得到以所述无人机Z轴为转轴的四元数
Figure BDA0002171836970000031
其中，ψ0为所述航向偏角，r为以所述无人机Z轴为转轴的四元数。
可选地，所述实时检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数之前，还包括：
所述无人机开机后，初始化所述航向角初值。
为解决上述技术问题，本发明实施例还提供以下技术方案：一种无人机航向确定装置。
所述无人机航向确定装置包括：检测模块，用于检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数；
航向角更新模块，根据所述飞行高度和所述磁场参数，更新航向角初值；
数据融合模块，用于将传感器采集的数据与所述航向角初值进行数据融合，得到修正后的航向角；
航向确定模块，用于根据所述修正后的航向角，确定所述无人机的航向。
可选地，所述检测模块包括飞行高度检测单元和磁场参数检测单元；
所述高度检测单元用于实时检测所述无人机的飞行高度是否小于预设的飞行高度阈值；
所述磁场参数检测单元用于当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间检测一次所述无人机飞行环境中的磁场参数。
可选地，所述航向角更新模块包括误差计算单元和航向角初值确定单元；
所述误差计算单元用于计算每次检测的所述磁场参数的误差；
所述航向角初值确定单元用于获取检测到的所述磁场参数误差最小时所述无人机的航向角并作为航向角初值。
可选地，所述误差计算单元包括定位子单元、基准磁场参数获取子单元和误差计算子单元；
所述定位子单元用于获取所述无人机所在位置的经纬度；
所述基准磁场参数获取子单元用于根据所述无人机所在位置的经纬度，得到基准磁场参数；
所述误差计算子单元用于将所述磁场参数与所述基准磁场参数作对比，计算所述磁场参数的误差。
可选地，所述磁场参数包括磁场强度和磁场倾角。
可选地，还包括存储模块，所述存储模块用于存储飞行高度阈值和预设时间。
可选地，所述飞行高度阈值为1.5-2m；
所述预设时间为10-30ms。
可选地，航向确定模块包括姿态更新单元和航向更新单元；
所述姿态更新单元用于根据当前无人机的姿态和所述修正后的航向角，更新所述无人机的姿态；
所述航向更新单元用于根据更新后的所述无人机的姿态，确定所述无人机的航向。
为解决上述技术问题，本发明实施例还提供以下技术方案：一种无人机。所述无人机包括：
机身；
机臂，与所述机身相连；
动力装置，设于所述机臂，用于给所述无人机提供飞行的动力；
磁力计，设于所述机身，用于获取所述无人机的航向角初值；
多种传感器，设于所述机身，用于分别采集相应的飞行数据；以及
飞行控制器，设于所述机身；
所述飞行控制器包括：
处理器；以及
与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够用于执行如上述所述的无人机航向确定方法。
与现有技术相比较，本发明实施例的提供无人机航向角初始值选取方法可以在无人机的预设飞行高度范围内，通过检测所述无人机飞行环境中的磁场参数情况，得到准确度最高的航向角初值，来消除外界环境对磁力计的影响，为无人机进行数据融合提供了更为准确的航向角初值，实现了无人机在具有磁干扰的地面环境中起飞，航向角仍具有一定的准确程度，减少了无人机在具有磁干扰地面环境中起飞的炸机概率，提高了飞行安全性。
【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为本发明实施例的应用环境示意图；
图2为本发明实施例提供的无人机航向确定方法的流程示意图；
图3是图2中S21的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的无人机飞行高度-飞行时间的曲线图；
图5为本发明实施例提供的无人机的磁力计三轴读数-飞行时间的曲线图；
图6是图2中S22的流程示意图；
图7是图6中S221的流程示意图；
图8为本发明实施例提供的无人机航向确定装置的结构框图；
图9为本发明实施例提供的无人机的结构框图。
【具体实施方式】
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”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”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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例的目的，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不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供了一种无人机航向确定方法和装置，所述方法和装置可以在无人机的预设飞行高度范围内，通过检测所述无人机飞行环境中的磁场参数情况，得到准确度最高的航向角初值，来消除外界环境对磁力计的影响，为无人机10进行数据融合提供了更为准确的航向角初值，实现了无人机10在具有磁干扰的地面环境中起飞，航向角仍具有一定的准确程度，减少了无人机10在具有磁干扰地面环境中起飞的炸机概率，提高了飞行安全性。以下举例说明所述无人机航向确定方法和装置的应用环境。
图1是本发明实施例提供的无人机航向角初值选取系统的应用环境的示意图；如图1所示，所述应用场景包括无人机10、无线网络20、智能终端30以及用户40。用户40可操作智能终端30通过无线网络20操控所述无人机10。
无人机10可以是以任何类型的动力驱动的无人飞行载具，包括但不限于旋翼无人机、固定翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机以及直升机模型等。在本实施例中以多旋翼无人机为例进行陈述。
该无人机10可以根据实际情况的需要，具备相应的体积或者动力，从而提供能够满足使用需要的载重能力、飞行速度以及飞行续航里程等。无人机10上还可以添加有一种或者多种传感器，令无人机10能够实现相应的功能。
例如，在本实施例中，该无人机10设置有加速度计、陀螺仪、磁力计、GPS导航仪和视觉传感器中的至少一种传感器。
无人机10还包括飞行控制器，作为无人机飞行和数据传输等的控制核心，整合一个或者多个模块，以执行相应的逻辑控制程序。
智能终端30可以是任何类型，用以与无人机10建立通信连接的智能装置，例如手机、平板电脑或者智能遥控器等。该智能终端30可以装配有一种或者多种不同的用户40交互装置，用以采集用户40指令或者向用户40展示和反馈信息。
这些交互装置包括但不限于：按键、显示屏、触摸屏、扬声器以及遥控操作杆。例如，智能终端30可以装配有触控显示屏，通过该触控显示屏接收用户40对无人机10的遥控指令并通过触控显示屏向用户40展示航拍获得的图像信息，用户40还可以通过遥控触摸屏切换显示屏当前显示的图像信息。
在一些实施例中，无人机10与智能终端30之间还可以融合现有的图像视觉处理技术，进一步的提供更智能化的服务。例如无人机10可以通过双光相机采集图像的方式，由智能终端30对图像进行解析，从而实现用户40对于无人机10的手势控制。
无线网络20可以是基于任何类型的数据传输原理，用于建立两个节点之间的数据传输信道的无线通信网络，例如位于不同信号频段的蓝牙网络、WiFi网络、无线蜂窝网络或者其结合。
图2为本发明实施例提供的无人机航向确定方法的实施例。如图2所示，该无人机航向确定方法可以由无人机的飞行控制器执行，包括如下步骤：
S21、检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数。
具体地，可以采用气压检测装置来检测无人机10的飞行高度，该气压检测装置包括气压计、传感器保护罩及导管，气压计密封设于传感器保护罩内，并连同传感器保护罩安装于无人机10上，导管的一端与传感器保护罩连通，另一端从传感器保护罩穿出后向上延伸。
通过设有传感器保护罩及导管，并将导管的顶端的管口位置设置成向上延伸，以能将气压计的所在外部环境与桨叶旋转产生的扰流进行有效隔离，进而避免气压计受不稳定气压环境的干扰，利于确保气压高度的精确检测。
在一些实施例中，可同时采用气压检测装置、加速度计、GPS和超声波等至少二种传感器，然后使用互补滤波或者卡尔曼滤波融合这些传感器的数据，互相修正，最后得到无人机10的飞行高度。
具体地，采用磁力计检测无人机10的磁场参数，所述磁场参数包括磁场强度和磁场倾角。
S22、根据所述飞行高度和所述磁场参数，更新航向角初值。
具体地，可通过多种传感器获得上述航向角初值，如电子罗盘、磁力计和加速度传感器等，但是上述多种传感器均易受到外界环境的影响，不能准确的获取航向角，影响了姿态估算的稳定性和可靠性，由于此类误差是随机的，无法预先消除。例如，磁力计易受周围环境(如高压线、铁矿厂等)所产生的磁场干扰，从而影响航向角的输出。又例如，地面的波动及无人机10本体的抖动等其他原因造成电子罗盘所附载体的颠簸，由电子罗盘得到的航向角显示出较大波动。
在本实施例中，通过检测所述无人机飞行环境中的磁场参数情况，得到准确度最高的航向角初值来消除外界环境对磁力计的影响，为无人机10进行数据融合提供了更为准确的航向角初值。
在一些实施例中，也可对电子罗盘获取的航向角采用中值法和卡尔曼滤波器进行处理修正，以得到更为精确的航向角。
S23、将传感器采集的数据与所述航向角初值进行数据融合，得到修正后的航向角。
具体的，上述传感器包括加速度计、磁力计、陀螺仪、定位仪和视觉传感器中的至少一种。
数据融合的技术是对传感器采集的数据进行分析，整理，融合等一系列的操作处理，多传感器融合数据能够实现对航向角初值的修正，从而给出更为准确的航向角数据。
传感器采集的数据与所述航向角初值可采用多种不同的数据融合算法进行处理，例如：加权平均法、归一化加权平均法、卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波。
在本实施例中，基于加权平均法对多传感器采集的数据进行数据融合。具体地，第一步就要将所要使用到的各种软硬件进行初始化操作，如传感器初始化以及卡尔曼滤波初始化等；第二步要获取IMU数据，再通过这部分数据信息做判断，看是否需要做姿态角补偿，若是需要补偿，具体数值为多少；第三步要获取加速度计、磁力计、陀螺仪、定位仪和视觉传感器等传感器采集的数据，针对这部分数据值，做相关的加权平均操作，把得到的数据值进行卡尔曼滤波，从而产生修正后的航向角。
S24、根据所述修正后的航向角，确定所述无人机10的航向。
具体地，根据当前所述无人机10的姿态和所述修正后的航向角，更新所述无人机10的姿态，进一步地，根据更新后的所述无人机10的姿态，确定所述无人机10的航向。
具体地，获取当前所述无人机10的姿态的四元数q0；根据所述航向角初值和所述修正后的航向角，得到航向偏角ψ0，所述航向偏角ψ0为所述航向角初值与所述修正后的航向角之差。
建立机体坐标系，所述机体坐标系与所述无人机固联，所述机体坐标系符合右手法则，原点在无人机的重心处，X轴指向无人机前进方向，Y轴由原点指向无人机右侧，Z轴方向根据X、Y轴由右手法则确定。
根据所述航向偏角ψ0，得到以所述无人机10的Z轴为转轴的四元数：
Figure BDA0002171836970000091
根据以所述无人机10的Z轴为转轴的四元数r与当前所述无人机10的姿态的四元数q0，得到新的所述无人机10的姿态的四元数q＝r*q0。
本发明实施例提供了一种无人机航向确定方法和装置，所述方法和装置可以在无人机的预设飞行高度范围内，通过检测所述无人机飞行环境中的磁场参数情况，得到准确度最高的航向角初值，来消除外界环境对磁力计的影响，为无人机10进行数据融合提供了更为准确的航向角初值，实现了无人机10在具有磁干扰的地面环境中起飞，航向角仍具有一定的准确程度，减少了无人机10在具有磁干扰地面环境中起飞的炸机概率，提高了飞行安全性。
在一些实施例中，所述检测无人机飞行高度之前，包括：所述无人机开机后，初始化所述航向角初值，所述航向角初值由磁力计给出。
为了使更新的航向角初值更为精确，需要准确检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数，在一些实施例中，请参阅图3，S21包括如下步骤：
S211:实时检测所述无人机的飞行高度是否小于预设的飞行高度阈值。优选地，所述无人机10的所述飞行高度阈值为1.5-2m，所述飞行高度阈值是由无人机10现有飞行数据基础上得出。
具体地，请一并参阅图4和图5，图4给出了一次飞行中无人机高度信息，图5给出了该飞行中相应的磁力计三轴读数。在本次飞行中，无人机10仅做高度变化，在滚转和俯仰通道不做动作。图4中hAGL代表融合高度，hBaro代表气压计高度。图5中x代表磁力计x轴的磁感应强度读数，y代表磁力计y轴的磁感应强度读数，z轴代表磁力计z轴的磁感应强度读数。对比图4和图5可以看出，随着无人机高度的升高，其磁力计读数也随之变化。分析原因，是由于无人机起飞地面对磁场产生影响，导致磁力计读数变化。通常情况下，起飞地面对磁场的影响普遍存在，在含有金属或其他磁性物体的环境中，这种影响更加剧烈。而以往对无人机10航向角的初值给定，往往是在地面完成的，这就导致了初值的不准确。
结合图4和图5分析可以得出，由于地面环境的不确定会导致磁力计给出的磁场信息不准确，从而导致航向角初值不准确。这种影响与距离的二次方成反比，通过检测无人机实时高度发现，当无人机高度达到1.5-2m时，磁力计读数不再发生明显变化，此时起飞地面环境对磁力计的影响已经十分微弱，此时磁力计能够给出更加准确的磁场信息，从而使更新的航向角初始值也更加准确，因此本发明将所述无人机10的所述飞行高度阈值设为1.5-2m。而且通常情况下，无人机飞行高度远高于1.5-2m高度，因此在1.5-2m高度更新航向角初值不会对正常飞行造成影响。
具体地，采用气压检测装置来检测无人机10的飞行高度，该气压检测装置包括气压计、传感器保护罩及导管，气压计密封设于传感器保护罩内，并连同传感器保护罩安装于无人机10上，导管的一端与传感器保护罩连通，另一端从传感器保护罩穿出后向上延伸。本发明通过设置传感器保护罩及导管，并将导管的顶端的管口位置设置成向上延伸，以能将气压计的所在外部环境与桨叶旋转产生的扰流进行有效隔离，进而避免气压计受不稳定气压环境的干扰，利于确保气压高度的精确检测。
S212:当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间检测一次所述无人机飞行环境中的磁场参数。所述预设时间为10-15ms。
具体地，首先实时获取由上述气压检测装置、加速度计、GPS和超声波等传感器检测的无人机飞行高度。然后对比无人机飞行高度与所述无人机的飞行高度阈值，当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔10-15ms通过磁力计检测无人机此时飞行高度下的磁场参数。所述磁场参数包括磁场强度、磁场倾角和磁场偏角中的至少一种。
在一些实施例中，所述预设时间可根据起飞地面环境进行设置，例如当起飞地面环境中含有较多金属或其他磁性物体(如高压线、铁矿厂等)，此时起飞地面环境对磁力计所产生的磁场干扰较强，可将所述预设时间减小，比如减小至5-9ms。又例如当起飞地面环境中含有较少金属或其他磁性物体，此时起飞地面环境对磁力计所产生的磁场干扰较弱，可将所述预设时间增大，比如增加至16-20ms。
为了使更新的航向角初值更为精确，在一些实施例中，请参阅图6，S22包括如下步骤：
S221:计算每次检测的所述磁场参数的误差。
具体地，世界地磁场模型(WMM)为磁力计获取的磁场参数的误差判定提供了一个基准磁场量，WMM是地球主磁场的数学模型，利用该模型可以计算全球任意位置点的地磁场特征量。根据无人机GPS接收机提供的经度、纬度、高度、时间等信息，以及美国国家地球物理数据中心公布的世界地磁场模型WMM，对无人机飞行过程中的磁场进行干扰判定。
在本实施例中，主要从两方面进行分析，一是磁力计测量的当地磁场强度与WMM提供的基准磁场量作对比，一是磁力计测量的当地磁场倾角与WMM提供的基准磁场量作对比。当这两个值出现较大误差时，判定具有磁场干扰。
S222:获取检测到的所述磁场参数误差最小时所述无人机的航向角并作为航向角初值。
具体地，所述无人机开机后，通过磁力计读数计算无人机起飞前的磁场参数，并将上述磁场参数作为第一磁场参数。
所述无人机起飞后且所述无人机飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间，获取此时无人机飞行高度下的磁场参数，将所述磁场参数作为第二磁场参数，将所述第一磁场参数与所述第二磁场参数做对比，若第二磁场与参数基准磁场量误差小于第一磁场参数与基准磁场量误差，则将所述第二磁场参数替代所述第一磁场参数，即所述第二磁场参数变为第一磁场参数，循环往复，则当所述无人机飞行高度达到所述飞行高度阈值时，此时所述第一磁场参数为最优磁场参数，即所述第一磁场参数与基准磁场量误差最小，获取最优磁场参数对应的所述无人机飞行高度处的航向角，即可获取磁场参数误差最小时对应的所述无人机飞行高度处的航向角。
具体地，所述无人机10的所述飞行高度阈值为1.5-2m，当所述无人机飞行高度达到所述飞行高度阈值时，此时起飞地面环境对磁力计的影响已经十分微弱，此时通过磁力计获取到的航向角更加准确，并将此航向角作为航向角初值，以完成航向角初值的更新。而且通常情况下，无人机飞行高度远高于1.5-2m高度，因此在1.5-2m高度更新航向角初值不会对正常飞行造成影响。
在一些实施例中，所述飞行高度阈值可根据起飞地面环境进行设置，例如当起飞地面环境中含有较多金属或其他磁性物体(如高压线、铁矿厂等)，此时起飞地面环境对磁力计所产生的磁场干扰较强，可将所述飞行高度阈值增大，比如增大至3-5m。又例如当起飞地面环境中含有较少金属或其他磁性物体，此时起飞地面环境对磁力计所产生的磁场干扰较弱，可将所述飞行高度阈值减小，比如减小至1-1.4m。
为了准确计算出每隔所述预设时间检测的所述无人机飞行环境中的磁场参数的误差。在一些实施例中，请参阅图7，S221包括以下步骤：
S2211:获取所述无人机所在位置的经纬度。
具体地，可通过无人机机载的GPS接收机获取所述无人机所在位置的经度、纬度、高度、时间等信息。
S2212:根据所述无人机所在位置的经纬度，得到基准磁场参数。
具体地，根据GPS得到的经纬度查WMM表得到当地的磁场强度，磁场倾角，磁场偏角等信息。
S2213:将所述磁场参数与所述基准磁场参数作对比，计算所述无人机飞行环境中的磁场参数的误差。
具体地，主要从两方面进行对比，一是磁力计测量的当地磁场强度与WMM提供的基准磁场量作对比，一是磁力计测量的当地磁场倾角与WMM提供的基准磁场量作对比。当这两个值出现较大误差时，判定具有磁场干扰。
需要说明的是，在上述各个实施例中，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本申请实施例的描述可以理解，不同实施例中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，亦可以交换执行等等。
作为本申请实施例的另一方面，本申请实施例提供一种无人机航向确定装置50。请参阅图8，该无人机航向确定装置50包括：检测模块51、航向角更新模块52、数据融合模块53以及航向确定模块54。
飞行高度检测模块51用于检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数。
航向角更新模块52用于根据飞行高度和所的磁场参数，更新航向角初值。
数据融合模块53用于将传感器采集的数据与所述航向角初值进行数据融合，得到修正后的航向角。
航向确定模块54用于根据所述修正后的航向角，确定所述无人机的航向。
具体地，在本实施例中，当航向角更新模块52接收到飞行高度检测模块51检测到的无人机飞行高度及无人机飞行环境中的磁场参数，航向角更新模块52根据无人机不同飞行高度下的的磁场参数情况，获取准确的航向角初值；然后数据融合模块53分别将接收到的航向角初值与传感器采集的数据进行数据融合，得到修正后的航向角；最后航向确定模块54用于根据所述修正后的航向角，确定所述无人机10的航向。
因此，在本实施例中，通过检测所述无人机飞行环境中的磁场参数情况，得到准确度最高的航向角初值，来消除外界环境对磁力计的影响，为无人机10进行数据融合提供了更为准确的航向角初值，实现了无人机10在具有磁干扰的地面环境中起飞，航向角仍具有一定的准确程度，减少了无人机10在具有磁干扰地面环境中起飞的炸机概率，提高了飞行安全性。以下举例说明所述无人机航向确定方法和装置的应用环境。
在一些实施例中，无人机航向确定装置50还包括存储模块55，所述存储模块55用于存储飞行高度阈值和预设时间。优选地，所述无人机的所述飞行高度阈值为1.5-2m；所述预设时间为10-30ms。
其中，在一些实施例中，所述航向角更新模块52包括误差计算单元和航向角初值确定单元。所述误差计算单元用于计算每次检测的所述磁场参数的误差；所述航向角初值确定单元用于获取检测到的所述磁场参数误差最小时所述无人机的航向角并作为航向角初值。
其中，在一些实施例中，所述误差计算单元包括定位子单元、基准磁场参数获取子单元和误差计算子单元；所述定位子单元用于获取所述无人机所在位置的经纬度；所述基准磁场参数获取子单元用于根据所述无人机所在位置的经纬度，得到基准磁场参数；所述误差计算子单元用于将所述磁场参数与所述基准磁场参数作对比，计算所述磁场参数的误差。
其中，在一些实施例中，航向确定模块54包括姿态更新单元和航向更新单元。所述姿态更新单元用于根据当前无人机的姿态和所述修正后的航向角，更新所述无人机的姿态；所述航向更新单元用于根据更新后的所述无人机的姿态，确定所述无人机的航向。
其中，姿态更新单元具体用于获取当前所述无人机10的姿态的四元数q0；根据所述航向角初值和所述修正后的航向角，得到航向偏角ψ0；根据所述航向偏角ψ0，得到以所述无人机10的Z轴为转轴的四元数：
Figure BDA0002171836970000141
根据以所述无人机10的Z轴为转轴的四元数r与当前所述无人机10的姿态的四元数q0，得到新的所述无人机10的姿态q＝r*q0。
图9为本发明实施例提供的无人机10的结构框图。如图9所示，该无人机10可以包括：机身、机臂、动力装置、磁力计、多种传感器、飞行控制器以及通信模块130。其中，飞行控制器包括处理器110和存储器120。
所述机臂与所述机身相连；所述动力装置设于所述机臂，用于给所述无人机提供飞行的动力。
所述磁力计用于获取所述无人机的航向角初值。多种所述传感器用于分别采集相应的飞行数据，多种所述传感器可为加速度计、陀螺仪、磁力计、GPS导航仪和视觉传感器中的多种。
所述处理器110、存储器120以及通信模块130之间通过总线的方式，建立任意两者之间的通信连接。
处理器110可以为任何类型，具备一个或者多个处理核心的处理器110。其可以执行单线程或者多线程的操作，用于解析指令以执行获取数据、执行逻辑运算功能以及下发运算处理结果等操作。
存储器120作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的无人机航向确定方法对应的程序指令/模块(例如，附图8所示的飞行高度检测模块51、航向角更新模块52、数据融合模块53、航向确定模块54、存储模块55)。处理器110通过运行存储在存储器120中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行无人机航向确定装置50的各种功能应用以及数据处理，即实现上述任一方法实施例中无人机航向确定方法。
存储器120可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据无人机航向确定装置50的使用所创建的数据等。此外，存储器120可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器120可选包括相对于处理器110远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至无人机10。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述存储器120存储有可被所述至少一个处理器110执行的指令；所述至少一个处理器110用于执行所述指令，以实现上述任意方法实施例中无人机航向确定方法，例如，执行以上描述的方法步骤21、22、23、24等等，实现图8中的模块51-55的功能。
通信模块130是用于建立通信连接，提供物理信道的功能模块。通信模块130以是任何类型的无线或者有线通信模块130，包括但不限于WiFi模块或者蓝牙模块等。
进一步地，本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器110执行，例如，被图9中的一个处理器110执行，可使得上述一个或多个处理器110执行上述任意方法实施例中无人机航向确定方法，例如，执行以上描述的方法步骤21、22、23、24等等，实现图8中的模块51-55的功能。
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单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。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。
通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式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上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产品中的计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非暂态计算机可读取存储介质中，该计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被相关设备执行时，可使相关设备执行上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-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。
上述产品可执行本发明实施例所提供的无人机航向确定方法，具备执行无人机航向确定方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的无人机航向确定方法。
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 (18)

1.一种无人机航向确定方法，应用于无人机，其特征在于，包括：
检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数；
根据所述飞行高度和所述磁场参数，更新航向角初值；
将传感器采集的数据与所述航向角初值进行数据融合，得到修正后的航向角；
根据所述修正后的航向角，确定所述无人机的航向；
其中，所述根据所述飞行高度和所述磁场参数，更新航向角初值包括：
当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间，获取此时无人机飞行高度下的磁场参数；
计算每次检测的所述磁场参数的误差；
获取检测到的所述磁场参数的误差最小时所述无人机的航向角，并将所述航向角作为航向角初值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数，包括：
实时检测所述无人机的飞行高度是否小于预设的飞行高度阈值；
当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间检测一次所述无人机飞行环境中的磁场参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述计算每次检测的所述磁场参数的误差，包括：
获取所述无人机所在位置的经纬度；
根据所述无人机所在位置的经纬度，得到基准磁场参数；
对比所述磁场参数和所述基准磁场参数，以计算所述磁场参数的误差。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述磁场参数包括磁场强度和磁场倾角。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述飞行高度阈值为1.5-2m。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述预设时间为10-30ms。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述根据所述修正后的航向角，确定所述无人机的航向，包括：
根据当前无人机的姿态和所述修正后的航向角，更新所述无人机的姿态；
根据更新后的所述无人机的姿态，确定所述无人机的航向。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述根据当前所述无人机的姿态和所述航向角初值，更新所述无人机的姿态，包括：
获取当前所述无人机的姿态的四元数；
根据所述航向角初值和所述修正后的航向角，得到航向偏角；
根据所述航向偏角，得到以无人机Z轴为转轴的四元数：
通过如下算式，确定更新后的所述无人机的姿态四元数：
q＝r*q0；
其中，r为以所述无人机Z轴为转轴的四元数，q0为当前所述无人机的姿态的四元数，q为更新后的所述无人机的姿态四元数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：通过如下算式，计算得到以所述无人机Z轴为转轴的四元数：
Figure FDA0003696046110000021
其中，ψ0为所述航向偏角，r为以所述无人机Z轴为转轴的四元数。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数之前，还包括：
所述无人机开机后，初始化所述航向角初值。
11.一种无人机航向确定装置，其特征在于，包括：
检测模块，用于检测所述无人机的飞行高度和所述无人机飞行环境中的磁场参数；
航向角更新模块，根据所述飞行高度和所述磁场参数，更新航向角初值；
数据融合模块，用于将传感器采集的数据与所述航向角初值进行数据融合，得到修正后的航向角；
航向确定模块，用于根据所述修正后的航向角，确定所述无人机的航向；
其中，所述航向角更新模块包括误差计算单元和航向角初值确定单元；
所述误差计算单元用于当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间，获取此时无人机飞行高度下的磁场参数，并计算每次检测的所述磁场参数的误差；
所述航向角初值确定单元用于获取检测到的所述磁场参数的误差最小时所述无人机的航向角并作为航向角初值。
12.根据权利要求11所述的无人机航向确定装置，其特征在于，
所述检测模块包括飞行高度检测单元和磁场参数检测单元；
所述高度检测单元用于实时检测所述无人机的飞行高度是否小于预设的飞行高度阈值；
所述磁场参数检测单元用于当所述无人机的飞行高度小于所述飞行高度阈值时，每隔预设时间检测一次所述无人机飞行环境中的磁场参数。
13.根据权利要求11所述的无人机航向确定装置，其特征在于，
所述误差计算单元包括定位子单元、基准磁场参数获取子单元和误差计算子单元；
所述定位子单元用于获取所述无人机所在位置的经纬度；
所述基准磁场参数获取子单元用于根据所述无人机所在位置的经纬度，得到基准磁场参数；
所述误差计算子单元用于将所述磁场参数与所述基准磁场参数作对比，计算所述磁场参数的误差。
14.根据权利要求11所述的无人机航向确定装置，其特征在于，
所述磁场参数包括磁场强度和磁场倾角。
15.根据权利要求11所述的无人机航向确定装置，其特征在于，还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述飞行高度阈值和所述预设时间。
16.根据权利要求11所述的无人机航向确定装置，其特征在于，
所述飞行高度阈值为1.5-2m；
所述预设时间为10-30ms。
17.根据权利要求11所述的无人机航向确定装置，其特征在于，
航向确定模块包括姿态更新单元和航向更新单元；
所述姿态更新单元用于根据当前无人机的姿态和所述修正后的航向角，更新所述无人机的姿态；
所述航向更新单元用于根据更新后的所述无人机的姿态，确定所述无人机的航向。
18.一种无人机，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，用于给所述无人机提供飞行的动力；
磁力计，设于所述机身，用于获取所述无人机的航向角初值；
多种传感器，设于所述机身，用于分别采集相应的飞行数据；以及
飞行控制器，设于所述机身；
所述飞行控制器包括：
处理器；以及
与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够用于执行如权利要求1-10中任一项所述的无人机航向确定方法。
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