CN113359798A - 一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法 - Google Patents

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陈述斌
张琼
王颖
陈晓琴
周磊
李海娟
侯艳
张淼达
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
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    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
    • G05D1/106—Change initiated in response to external conditions, e.g. avoidance of elevated terrain or of no-fly zones

Abstract

本发明公开一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元；其中所述陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机的速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据检测结果进行计算并对电机进行调整。本发明通过对无人机的姿态、速度、位置进行实时更新，并采用多级PID控制方式对其进行调整，从而分别对无人机飞行姿态和飞行高度进行调整，实现无人机定姿和定高飞行，提高飞行稳定性。

Description

一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法。
背景技术
目前市场上无人机开始广泛应用，无人机具有体积小、重量轻、费用低、操作灵活、安全性高的特点，广泛应用于航拍、检测、资源勘查等领域。特别是煤矿行业，由于其工作环境的需求，有些区域存在危险，不适合工作人员下去探测，因此可采用无人机进行检测。
但煤矿内部的道路环境非常复杂，弯道多，内部气流的流动会导致无人机飞行的稳定性变差，特别是在煤矿巷道内GPS信号完全中断的情况下，工作人员无法及时调整，无人机就会发生碰撞，导致后续工作无法展开。
发明内容
针对现有技术无人机飞行稳定性较差的问题，本发明提出一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法，通过对无人机的姿态、速度、位置进行实时更新和调整，从而实现无人机定姿和定高飞行，提高飞行稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元，陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元分别和控制单元连接；其中，
所述陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机相对于大气的速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据陀螺仪、空速计、加速度计和位置检测单元的检测信息调整电机转动。
优选的，所述控制单元包括定姿控制单元和定高控制单元。
优选的，所述定姿控制单元包括外环角度比例控制和内环角速度PID，用于控制无人机的飞行角度；所述定高控制单元包括高度位置环、竖直速度环和竖直加速度环PID，用于控制无人机的飞行高度。
本发明还提供一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，包括以下步骤：
S1：分别采集无人机的参数进行姿态更新、惯导速度更新和位置更新；
S2：控制单元根据姿态更新调整无人机的飞行角度，根据惯导速度更新和位置更新调整无人机的飞行高度。
优选的，所述S1中，采集无人机飞行过程四元数并实时进行姿态更新：
Figure BDA0003129294540000021
公式(1)中，
Figure BDA0003129294540000022
表示tm时刻的四元数，n表示地理坐标系，
Figure BDA0003129294540000023
表示tm-1时刻到tm时刻的四元数变化，Δθm表示角增量标量，
Figure BDA0003129294540000024
角增量矢量，
Figure BDA0003129294540000025
表示陀螺仪测量的角速率，i表示惯性坐标系，b(m)表示tm时刻的飞机载体坐标系，b(m-1)表示tm-1时刻的飞机载体坐标系。
优选的，所述S1中，对无人机的惯导速度进行实时更新：
Figure BDA0003129294540000026
公式(2)中，
Figure BDA0003129294540000031
表示tm时刻的惯导速度；
Figure BDA0003129294540000032
表示tm-1时刻的惯导速度；
Figure BDA0003129294540000033
表示姿态矩阵；
Figure BDA0003129294540000034
表示tm-1时刻到tm时刻输出的比力增量，使用比力输出乘以采样时间间隔进行近似；
Figure BDA0003129294540000035
表示重力加速度，T表示采样时间间隔。
优选的，所述S1中，以无人机质心为原点建立直角坐标系为导航坐标系，对无人机的位置进行实时更新：
Figure BDA0003129294540000036
公式(3)中，
Figure BDA0003129294540000037
表示tm时刻无人机的位置坐标，
Figure BDA0003129294540000038
表示tm-1时刻无人机的位置坐标，
Figure BDA0003129294540000039
表示tm时刻的惯导速度；
Figure BDA00031292945400000310
表示tm-1时刻的惯导速度。
优选的，所述S2中，无人机的飞行角度调整为：
外环角度比例控制P根据姿态更新获取角度偏差并进行修正得到角度修正结果，将角度修正结果传输到内环角速度PID，内环角速度PID控制根据角度修正结果和三轴角速度对飞行角度进行修正，并根据修正的飞行角度大小转换成对应的电流值来调整电机对应转动。
优选的，所述S2中，无人机的飞行高度调整为：
油门减油回中时：高度位置环根据位置更新对高度位置偏差进行修正并将高度修正结果传递到竖直速度环，竖直速度环根据高度修正结果对惯导速度进行修正得到速度修正结果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID控制根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机转动；
油门加油拨动时：竖直速度环根据惯导速度对竖直速度进行修正得到速度修正结果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机转动。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过对无人机的姿态、速度、位置进行实时更新，并采用多级PID控制方式对其进行调整，从而分别对无人机飞行姿态和飞行高度进行调整，实现无人机定姿和定高飞行，提高飞行稳定性。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统示意图。
图2为根据本发明示例性实施例的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。
本发明采用的MEMS IMU(微机电系统集成电路)，利用惯导解算的导航姿态四元数直接控制天线，从而提高飞机飞行的稳定性。
如图1所示，本发明提供一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元，陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元分别和控制单元双向连接。
本实施例中，陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机相对大气的三维速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据检测结果进行计算并对电机进行调整。
本实施例中，控制单元包括定姿控制单元和定高控制单元。定姿控制单元包括外环角度比例控制和内环角速度PID，实现无人机的自稳飞行；定高控制单元包括高度位置环、竖直速度环和竖直加速度环PID，实现无人机的定高飞行。
如图2所示，本发明提供一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，包括以下步骤：
S1：采集无人机飞行过程四元数并实时进行姿态更新。
本实施例中，无人机安装有MEMS IMU获取飞机实时角速度和加速度信息，然后通过四元数姿态解算算法计算到无人机实时的姿态角更新值，因此可以实时采集无人机飞行过程中的四元数，用于进行姿态更新。
Figure BDA0003129294540000051
公式(1)中，
Figure BDA0003129294540000052
表示tm时刻的四元数，b(m)表示tm时刻的飞机载体坐标系，b(m-1)表示tm-1时刻的飞机载体坐标系(因为无人机飞行过程中角度和高度是时刻在变换的，因此坐标系也是变换的)，n表示地理坐标系，
Figure BDA0003129294540000053
表示tm-1时刻到tm时刻的四元数变化，Δθm表示角增量标量，
Figure BDA0003129294540000054
角增量矢量，
Figure BDA0003129294540000055
表示陀螺仪测量的角速率，i表示惯性坐标系。
S2：无人机上安装空速计，对无人机的惯导速度进行实时更新：
Figure BDA0003129294540000061
公式(2)中，
Figure BDA0003129294540000062
表示tm时刻的惯导速度；
Figure BDA0003129294540000063
表示tm-1时刻的惯导速度；
Figure BDA0003129294540000064
为姿态矩阵；
Figure BDA0003129294540000065
表示tm-1时刻到tm时刻输出的比力增量，使用比力输出乘以采样时间间隔进行近似；
Figure BDA0003129294540000066
表示重力加速度，T采样时间间隔。
S3：建立直角坐标系，对无人机的位置进行实时更新。
本实施例中，由于处于煤矿中，GPS信号拒止，故以无人机质心为原点建立直角坐标系作为导航坐标系。
Figure BDA0003129294540000067
公式(3)中，
Figure BDA0003129294540000068
表示tm时刻无人机的位置坐标；
Figure BDA0003129294540000069
表示tm-1时刻无人机的位置坐标，
Figure BDA00031292945400000610
表示tm时刻的惯导速度；
Figure BDA00031292945400000611
表示tm-1时刻的惯导速度；。
S4：根据S1中的姿态更新和采集的三轴角速度进行飞行角度控制。
本实施例中，无人机上安装有陀螺仪，用于采集无人机的三轴角速度。外环角度比例控制根据S1中姿态更新获取角度偏差并进行修正得到角度修正结果，将角度修正结果传输到内环角速度PID，内环角速度PID根据角度修正结果和三轴角速度对飞行角度进行修正，并根据修正的飞行角度大小转换成对应的电流值来调整电机对应转动。即本发明是采用外环角度P+内环角速度PID的控制方式实现无人机的自稳飞行。
S5：根据S2中更新的惯导速度和S3中更新的位置进行飞行高度控制。
本实施例中，无人机的定高飞行采用三级PID控制：高度位置环P+竖直速度环P+竖直加速度环PID三环控制：
S5-1：油门减油回中时，高度位置环根据S3中的位置更新对高度位置偏差进行修正并将高度修正结果传递到竖直速度环，竖直速度环根据高度修正结果对惯导速度进行修正得到速度修正结果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机的输出；
本实施例中，当电机同时加速，飞机在竖直方向存在向上的加速度，电机同时减速，飞机在竖直方向因地球重力加速度影响存在向下的加速度。当飞机向上加速度大于地球重力加速度时飞机向上加速飞行，飞机向上加速度等于地球重力加速度时飞机空中悬停，飞机向上加速度小于地球重力加速度时飞机降落。
S5-2：油门加油拨动时，竖直速度环根据惯导速度对竖直速度进行修正得到速度修正结果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机的输出。
本实施例中，由于纯惯导的高度通道不稳定，故借助气压计通过测量高度来对高度通道进行阻尼，以保证高度满足无人机通过。
本实施例中，通过采用微惯性/气压计模块，能自主定高和定姿方式，不依赖于外部任何信息且不受外界干扰，特别是在煤矿巷道内GPS信号完全中断的情况下，提供敏捷、稳定、安全的飞行性能。微惯性/气压计模块配合视觉定位及红外感知系统，可在更大范围内及时探测并自主躲避障碍物，进一步提升安全性。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，其特征在于，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元，陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元分别和控制单元连接；其中，
所述陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机相对于大气的速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据陀螺仪、空速计、加速度计和位置检测单元的检测信息调整电机转动。
2.如权利要求1所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，其特征在于，所述控制单元包括定姿控制单元和定高控制单元。
3.如权利要求2所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，其特征在于，所述定姿控制单元包括外环角度比例控制和内环角速度PID，用于控制无人机的飞行角度；所述定高控制单元包括高度位置环、竖直速度环和竖直加速度环PID，用于控制无人机的飞行高度。
4.一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：分别采集无人机的参数进行姿态更新、惯导速度更新和位置更新；
S2：控制单元根据姿态更新调整无人机的飞行角度，根据惯导速度更新和位置更新调整无人机的飞行高度。
5.如权利要求4所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，所述S1中，采集无人机飞行过程四元数并实时进行姿态更新：
Figure FDA0003129294530000021
公式(1)中，
Figure FDA0003129294530000022
表示tm时刻的四元数，n表示地理坐标系，
Figure FDA0003129294530000023
表示tm-1时刻到tm时刻的四元数变化，Δθm表示角增量标量，
Figure FDA0003129294530000024
角增量矢量，
Figure FDA0003129294530000025
表示陀螺仪测量的角速率，i表示惯性坐标系，b(m)表示tm时刻的飞机载体坐标系，b(m-1)表示tm-1时刻的飞机载体坐标系。
6.如权利要求4所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，所述S1中，对无人机的惯导速度进行实时更新：
Figure FDA0003129294530000026
公式(2)中，
Figure FDA0003129294530000027
表示tm时刻的惯导速度；
Figure FDA0003129294530000028
表示tm-1时刻的惯导速度；
Figure FDA0003129294530000029
表示姿态矩阵；
Figure FDA00031292945300000210
表示tm-1时刻到tm时刻输出的比力增量，使用比力输出乘以采样时间间隔进行近似；
Figure FDA00031292945300000211
表示重力加速度，T表示采样时间间隔。
7.如权利要求4所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，所述S1中，以无人机质心为原点建立直角坐标系为导航坐标系，对无人机的位置进行实时更新：
Figure FDA00031292945300000212
公式(3)中，
Figure FDA00031292945300000213
表示tm时刻无人机的位置坐标，
Figure FDA00031292945300000214
表示tm-1时刻无人机的位置坐标，
Figure FDA00031292945300000215
表示tm时刻的惯导速度；
Figure FDA00031292945300000216
表示tm-1时刻的惯导速度。
8.如权利要求4所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，所述S2中，无人机的飞行角度调整为：
外环角度比例控制P根据姿态更新获取角度偏差并进行修正得到角度修正结果，将角度修正结果传输到内环角速度PID，内环角速度PID控制根据角度修正结果和三轴角速度对飞行角度进行修正，并根据修正的飞行角度大小转换成对应的电流值来调整电机对应转动。
9.如权利要求4所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，所述S2中，无人机的飞行高度调整为：
油门减油回中时：高度位置环根据位置更新对高度位置偏差进行修正并将高度修正结果传递到竖直速度环，竖直速度环根据高度修正结果对惯导速度进行修正得到速度修正结果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID控制根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机转动；
油门加油拨动时：竖直速度环根据惯导速度对竖直速度进行修正得到速度修正结果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机转动。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114115010A (zh) * 2021-11-18 2022-03-01 中国特种飞行器研究所 一种用于无人热气球的飞行高度控制系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105929839A (zh) * 2016-05-23 2016-09-07 深圳市金鹰悦飞科技有限公司 无人机飞行控制方法及控制系统
CN109936080A (zh) * 2019-03-28 2019-06-25 郑州大学 一种无人机巡检输电线路的方法
CN110941285A (zh) * 2019-11-29 2020-03-31 云南大学 一种基于双ip核的无人机飞行控制系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105929839A (zh) * 2016-05-23 2016-09-07 深圳市金鹰悦飞科技有限公司 无人机飞行控制方法及控制系统
CN109936080A (zh) * 2019-03-28 2019-06-25 郑州大学 一种无人机巡检输电线路的方法
CN110941285A (zh) * 2019-11-29 2020-03-31 云南大学 一种基于双ip核的无人机飞行控制系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
戴邵武等: "北斗双星/SINS组合导航中的捷联惯导算法研究", 《计算机与数字工程》 *
许景辉等: "倾转三旋翼垂直起降无人机悬停姿态控制", 《农业机械学报》 *
陈凯，等: "高超声速飞行器发射坐标系导航算法", 《宇航学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114115010A (zh) * 2021-11-18 2022-03-01 中国特种飞行器研究所 一种用于无人热气球的飞行高度控制系统

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