CN110618699B - 无人机舵面抖动控制方法、系统、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种无人机舵面控制方法、系统、装置计算机可读存储介质，包括：单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集；判断偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围；若大于，则利用偏转角度最大值和偏转角度最小值，得到偏转角度均值；在单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断反馈曲线穿越均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数；若超过，则利用防抖动PID程序控制舵面动作，直至单位时间内穿越次数小于脉动次数，则利用飞控PID程序控制舵面动作；本申请能够有效的针对非超调抖动进行抑制，同时由飞控PID确保无人机的操控性能和飞行性能。
Description
技术领域
本发明涉及电动伺服控制技术领域，特别涉及一种无人机舵面控制方法、系统、装置计算机可读存储介质。
背景技术
在无人机舵系统中，大部分舵机输出轴的连接属于传动机构，存在着结构间隙，舵机也存在安装间隙，这种传动间隙对于舵机的稳定性，提出了较高的要求。舵机带动舵面后会有较大的惯量施加，普通的PID控制算法与实际工作状况不匹配，使得舵面出现抖动。舵面的抖动会成为无人机飞行中的隐患，不仅可能导致航线的偏离，也会存在有机体损坏的危险。
传统的舵面控制，带载有力矩时控制值与反馈值之间的误差会比空载无力矩时的误差大很多，飞机实际飞行过程中，会在不同时刻处在带载和空载的情况。
传统解决抖动方法是，当误差较小时，执行的Kp是个较小值，故不会使得调整过大导致在平衡位置附近来回震荡调整，当在飞机受到力矩时，误差较大，执行的飞控PID里，Kp是个较大值了，并且系统存在着结构间隙等原因，导致调整不到位产生抖动，此时传统的舵面控制方法无法解决因正常调整舵面角度，而产生的抖动为了避免以上现象的发生，需要一种新的无人机舵面控制方法，能够及时检测出发生抖动并制止，同时还要保证无人机的技术指标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机舵面控制方法、系统、装置计算机可读存储介质，有效抑制非超调抖动，同时由飞控PID确保无人机的操控性能和飞行性能。其具体方案如下：
一种无人机舵面控制方法，包括：
单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集；其中，所述抖动周期为利用历史偏转角度值分析抖动频率得到的与抖动频率对应的周期；
判断所述偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围；
若大于，则利用所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值，得到偏转角度均值；
在单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断多个抖动周期的偏转角度值所连成的反馈曲线穿越以所述偏转角度均值为基准的均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数；
若超过，则利用防抖动PID程序控制舵面动作，直至单位时间内所述穿越次数小于所述脉动次数，则利用飞控PID程序控制所述舵面动作。
可选的，所述单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集的过程，包括：
一秒内每间隔150ms连续采集5次所述舵面的偏转角度值，得到所述偏转角度值集。
可选的，所述判断偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围的过程，包括：
判断所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于0.3。
可选的，若所述穿越次数大于所述脉动次数之后，还包括：
发送抖动提示信息至用户终端。
本发明还公开了一种无人机舵面控制系统，包括：
采集模块，用于单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集；其中，所述抖动周期为利用历史偏转角度值分析抖动频率得到的与抖动频率对应的周期；
波动判断模块，用于判断所述偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围；
均值计算模块，用于若所述波动判断模块判定所述偏转角度差值大于所述波动范围，则利用所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值，得到偏转角度均值；
次数统计模块，用于在单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断多个抖动周期的偏转角度值所连成的反馈曲线穿越以所述偏转角度均值为基准的均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数；
防抖模块，用于若所述次数统计模块判定所述穿越次数超过所述脉动次数，则利用防抖动PID程序控制舵面动作，直至单位时间内所述穿越次数小于所述脉动次数，则利用飞控PID程序控制所述舵面动作。
可选的，所述采集模块，具体用于一秒内每间隔150ms连续采集5次所述舵面的偏转角度值，得到所述偏转角度值集。
可选的，所述波动判断模块，具体用于判断所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于0.3。
可选的，还包括：
提示模块，用于发送抖动提示信息至用户终端。
本发明还公开了一种无人机舵面抖动控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现如前述的无人机舵面抖动控制方法。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的无人机舵面抖动控制方法。
本发明中，无人机舵面控制方法，包括：单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集；其中，抖动周期为利用历史偏转角度值分析抖动频率得到的与抖动频率对应的周期；判断偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围；若大于，则利用偏转角度最大值和偏转角度最小值，得到偏转角度均值；在单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断多个抖动周期的偏转角度值所连成的反馈曲线穿越以偏转角度均值为基准的均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数；若超过，则利用防抖动PID 程序控制舵面动作，直至单位时间内穿越次数小于脉动次数，则利用飞控PID 程序控制舵面动作。
本发明设置预先根据无人机发生抖动和未发生抖动的状态进行分析得到的抖动周期、波动范围和脉动次数作为判断无人机舵面是否发生抖动的参数，能够有效的检测到非超调抖动的产生，并在检测到后针对性的利用防抖动PID 结束舵面的抖动状态，再交由正常的飞控PID控制舵面，确保飞行性能，综上，本发明能够有效的针对非超调抖动进行抑制，同时由飞控PID确保无人机的操控性能和飞行性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种无人机舵面控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例公开的一种无人机舵面控制系统结构示意图。
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明实施例公开了一种无人机舵面控制方法，参见图1所示，该方法包括：
S11：单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集。
具体的，为了捕捉因共振、结构间隙等原因产生的不会发生超调的非超调抖动，设定抖动周期，抖动周期为利用大量历史无人机舵面的偏转角度值进行分析，根据抖动发生频率总结得到的能够涵盖上述非超调抖动发生的时间的周期，因此，在抖动周期期间采集舵面的偏转角度值，进行分析，能够捕捉到上述非超调抖动的发生，减少因正常对舵面进行控制而发生的舵面角度变化带来的干扰。
具体的，抖动频率通常在6Hz至7Hz之间，即一秒之内可能发生非超调抖动6到7次，为了捕捉非超调抖动，抖动周期可以优选的设置为150ms对应抖动频率6.6Hz，即相当于单位时间一秒内设置6.6个抖动周期，使抖动周期对应抖动发生的时间，通过在每个抖动周期采集多次偏转角度值，提高采集到非超调抖动发生的可能性，每个抖动周期内可以采集5次舵面的偏转角度值，即每间隔30ms采集一次舵面的偏转角度值。
S12：判断偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围。
具体的，因存在空气阻力，所以舵面会产生一定的抖动，而当发生非超调抖动时，其因共振等因素的影响，将超过正常抖动的范围，同时，因电流存在波动，将电流信号转换为电压信号再转换成偏转角度值故也存在波动，为避免因电流波动造成的误判干扰，为此，通过设置波动范围，判断单位时间内多个抖动周期内采集到的偏转角度最大值和偏转角度最小值两者之差偏转角度差值，是否超过波动范围，如果超过，则说明有可能发生抖动，因为，可能存在正常的舵面调整，所以也会超出波动范围，因此，暂时仅能证明疑似发生抖动，需要进一步的分析。
可以理解的是，波动范围为利用大量发生抖动与未发生抖动时，偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值进行总结得到的。
其中，波动范围可以预设为0.3，例如，偏转角度最大值为4.8，偏转角度最小值为4.4，则偏转角度差值为0.4，超过波动范围，可能发生非超调抖动。
可以理解的是，若偏转角度差值小于波动范围，则说明未发生抖动，则可以返回S11，继续采集下一个抖动周期内的偏转角度值进行判断。
S13：若大于，则利用偏转角度最大值和偏转角度最小值，得到偏转角度均值；
S14：在单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断多个抖动周期的偏转角度值所连成的反馈曲线穿越以偏转角度均值为基准的均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数。
具体的，当超过波动范围后，利用前一个单位时间内得到的偏转角度均值作为基准，设置均值线，并在后续一个单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，例如，当判定超过波动范围后，开始计时，在一个单位时间内连续采集6个抖动周期内共30个偏转角度值，判断利用30个偏转角度值依次串成的反馈曲线穿越过均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数，例如，偏转角度均值即均值线为4.6，脉动次数为5次，若连续3个偏转角度值分别在4.6以下或4.6以上，则不算发生穿越次数，若连续5个偏转角度值分别为4.5、4.7、4.8、4.6和4.4，则穿越次数为2，穿越均值线两次，当穿越次数超过5次，即至少6次反馈曲线穿越均值线，则可以判定发生抖动。
其中，为了确保判断结果的精准，脉动次数是根据历史大量与非超调抖动相关数据进行分析得到，所以在能够得到准确的结果的基础上，还能够满足较少的计算量。
S15：若超过，则利用防抖动PID程序控制舵面动作，直至单位时间内穿越次数小于脉动次数，则利用飞控PID程序控制舵面动作。
具体的，一旦发生非超调抖动，为了减轻反馈值与空气阻力之间拉锯，引导舵面退出抖动频率，运行防抖动PID程序，减小比例参数Kp，对舵面进行微调，减少反馈量，保持舵面稳定，避免电机反复推动舵面调整，使舵面退出抖动，当防抖动PID程序发挥作用后，抖动周期内偏转角度值将逐渐趋于稳定，穿越次数将小于脉动次数，说明舵面已经结束抖动，此时为了确保无人机的有效操控，保证飞行性能，在退出抖动后，切换PID程序，由防抖动PID程序切换为未发生抖动正常时用于控制无人机的默认飞控PID程序，继续控制无人机飞行。
可以理解的是，在未发生抖动的情况下，默认由用于正常飞行时采用的飞控PID程序控制舵面动作，仅有在判定发生抖动，且舵面正在抖动时，采用防抖动PID程序，以便舵面尽快退出抖动状态，在舵面退出抖动状态后，充新有飞控PID程序控制舵面，确保无人机的操控性能和飞行性能。
具体的，若穿越次数未超过脉动次数，则返回S11继续采集下一个抖动周期内的偏转角度值进行判断，同时由飞控PID程序继续控制舵面。
可见，本发明实施例设置预先根据无人机发生抖动和未发生抖动的状态进行分析得到的抖动周期、波动范围和脉动次数作为判断无人机舵面是否发生抖动的参数，能够有效的检测到非超调抖动的产生，并在检测到后针对性的利用防抖动PID结束舵面的抖动状态，再交由正常的飞控PID控制舵面，确保飞行性能，综上，本发明实施例能够有效的针对非超调抖动进行抑制，同时由飞控PID确保无人机的操控性能和飞行性能。
进一步的，飞控PID和防抖动PID可以分别为：
其中，pos_err为误差，系数为Kp，de为微分，系数为Kd，pwm为输出脉宽。
可以理解的是，PID程序通过控制最终的PWM输出控制舵面。
进一步的，为了记录抖动的发生，提示用户抖动产生，便于用户后续对抖动的产生进行分析，在穿越次数大于脉动次数之后，还可以发送抖动提示信息至用户终端，抖动提示信息中可以包括抖动发生时间，用户终端可以保存抖动提示信息，统计抖动发生次数和记录抖动发生时间。
相应的，本发明实施例还公开了一种无人机舵面控制系统，参见图2所示，该系统包括：
采集模块，用于在预设的抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集；其中，抖动周期为利用历史偏转角度值分析抖动频率得到的与抖动频率一致的周期；
波动判断模块，用于判断偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围；
均值计算模块，用于若波动判断模块判定偏转角度差值大于波动范围，则利用偏转角度最大值和偏转角度最小值，得到偏转角度均值；
次数统计模块，用于连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断多个抖动周期的偏转角度值超过偏转角度均值的穿越次数是否超过预设的脉动次数；
防抖模块，用于若次数统计模块判定穿越次数超过脉动次数，则利用防抖动PID程序控制舵面动作，直至穿越次数小于脉动次数，则利用飞控PID 程序控制舵面动作。
具体的，上述采集模块，具体用于在150ms内连续采集5次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集。
具体的，上述波动判断模块，具体用于判断偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于0.3。
具体的，还可以包括提示模块；其中，
提示模块，用于发送抖动提示信息至用户终端。
此外，本发明实施例还公开了一种无人机舵面抖动控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序以实现如前述的无人机舵面抖动控制方法。
另外，本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述的无人机舵面抖动控制方法。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上对本发明所提供的技术内容进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种无人机舵面抖动控制方法，其特征在于，包括：
单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集；其中，所述抖动周期为利用历史偏转角度值分析抖动频率得到的与抖动频率对应的周期；
判断所述偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围；
若大于，则利用所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值，得到偏转角度均值；
在单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断多个抖动周期的偏转角度值所连成的反馈曲线穿越以所述偏转角度均值为基准的均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数；
若超过，则利用防抖动PID程序控制舵面动作，直至单位时间内所述穿越次数小于所述脉动次数，则利用飞控PID程序控制所述舵面动作。
2.根据权利要求1所述的无人机舵面抖动控制方法，其特征在于，所述单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集的过程，包括：
一秒内每间隔150ms连续采集5次所述舵面的偏转角度值，得到所述偏转角度值集。
3.根据权利要求2所述的无人机舵面抖动控制方法，其特征在于，所述判断所述偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围的过程，包括：
判断所述偏转角度值集中的所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于0.3。
4.根据权利要求1至3任一项所述的无人机舵面抖动控制方法，其特征在于，若所述穿越次数大于所述脉动次数之后，还包括：
发送抖动提示信息至用户终端。
5.一种无人机舵面抖动控制系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于单位时间内在预设的多个抖动周期内连续采集多次舵面的偏转角度值，得到偏转角度值集；其中，所述抖动周期为利用历史偏转角度值分析抖动频率得到的与抖动频率对应的周期；
波动判断模块，用于判断所述偏转角度值集中的偏转角度最大值和偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于预设的波动范围；
均值计算模块，用于若所述波动判断模块判定所述偏转角度差值大于所述波动范围，则利用所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值，得到偏转角度均值；
次数统计模块，用于在单位时间内连续采集多个抖动周期内的偏转角度值，判断多个抖动周期的偏转角度值所连成的反馈曲线穿越以所述偏转角度均值为基准的均值线的穿越次数是否超过预设的脉动次数；
防抖模块，用于若所述次数统计模块判定所述穿越次数超过所述脉动次数，则利用防抖动PID程序控制舵面动作，直至单位时间内所述穿越次数小于所述脉动次数，则利用飞控PID程序控制所述舵面动作。
6.根据权利要求5所述的无人机舵面抖动控制系统，其特征在于，所述采集模块，具体用于一秒内每间隔150ms连续采集5次所述舵面的偏转角度值，得到所述偏转角度值集。
7.根据权利要求6所述的无人机舵面抖动控制系统，其特征在于，所述波动判断模块，具体用于判断所述偏转角度值集中的所述偏转角度最大值和所述偏转角度最小值的偏转角度差值是否大于0.3。
8.根据权利要求5至7任一项所述的无人机舵面抖动控制系统，其特征在于，还包括：
提示模块，用于发送抖动提示信息至用户终端。
9.一种无人机舵面抖动控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1至4任一项所述的无人机舵面抖动控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的无人机舵面抖动控制方法。
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