CN113448344B - 一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法及装置 - Google Patents

一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法及装置，属于无人机技术领域，包括：获取无人机机载相机所拍摄的图像；在图像中圈定待瞄准目标物的中心；在相机坐标系中，根据二轴喷管的辅助瞄准激光光点与待瞄准目标物的像素位置偏差，计算相对姿态控制量；根据相对姿态控制量，控制二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合。本发明将喷管与无人机之间二自由连接，将喷管的瞄准控制与无人机姿态进行解耦，将无人机运动视为喷管自动瞄准系统的扰动，以此实现对目标物更加精确的瞄准。

Description

一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法及装置
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法及装置。
背景技术
在电力系统中，空气中油污、金属颗粒、酸碱盐等污染物附着在高压线的绝缘子串上，容易发生线路闪络、软击穿等危险，给线路安全稳定运行造成隐患。以往输电线路的清洗工作要在线路停电方式下由人工爬塔擦拭，存在去污不彻底、效率低、风险高等缺点。
多旋翼飞行平台的稳定性高，电控方式简便。使用多旋翼无人机进行水冲洗任务，可以有效地提高清洗效率，与此同时，还能减少人员登塔次数，提高工作效率，保障人员的人身安全。
但是现存装置中，喷管多与机体固连，喷管对目标的瞄准需要依赖于无人机的位置变化，而无人机本身的位置运动必须依赖于其自身的姿态运动，这会导致在运动过程中瞄准困难。且无人机难以满足喷管瞄准的精细化操作需求，这进一步加剧了此类无人机上喷管对目标的瞄准困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足，实现对目标物的精确瞄准。
为实现以上目的，一方面，采用一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法，用于对无人机的二轴喷管进行瞄准控制，包括：
获取无人机机载相机所拍摄的图像；
在所述图像中圈定待瞄准目标物的中心；
在相机坐标系中，根据二轴喷管的辅助瞄准激光光点与待瞄准目标物的像素位置偏差，计算相对姿态控制量；
根据相对姿态控制量，控制二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合。
进一步地，所述在所述图像中圈定待瞄准目标物的中心，包括：
无人机操纵员根据从第一视角观察的待瞄准目标物的位置，在所述图像中圈定所述待瞄准目标物的中心。
进一步地，所述在相机坐标系中，根据二轴喷管的辅助瞄准激光光点与待瞄准目标物的像素位置偏差，计算相对姿态控制量的公式表示如下：
r＝[yaw pitch]T
yaw＝ky*Δx
pitch＝kp*Δy
其中，r为喷管机载控制器的期望姿态角，yaw为喷管的偏航角，pitch为喷管的俯仰角，ky为偏航方向上的比例系数，kp为俯仰方向上的比例系数，Δx、Δy分别为喷管中心点与目标物的中心点在x、y方向上的偏差量。
进一步地，所述根据相对姿态控制量，控制二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合，包括：
将所述相对姿态控制量作为喷管机载控制器的期望姿态角，将无人机外部扰动作为所述二轴喷管的扰动，输出所述二轴喷管的实际姿态角；
将所述二轴喷管的实际姿态角作为系统反馈量，输入至喷管机载控制器，进行闭环控制，直至二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心的偏差小于设定阈值，则确定二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合。
进一步地，所述喷管机载控制器包括PI控制器C(s)、喷管机载控制器模型P(s)、喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)和补偿器C'(s)，所述无人机外部扰动包括平台力矩扰动、二轴喷管扰动和无人机姿态扰动；
所述相对姿态控制量和所述二轴喷管的实际姿态角作为PI控制器C(s)的输入量，PI控制器C(s)根据所述相对姿态控制量和所述实际姿态角，计算得到所述二轴喷管初始的姿态控制量；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量、平台力矩扰动以及二轴喷管扰动进行运算，得到修正后的控制量作为喷管机载控制器模型P(s)的输入，喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量作为系统反馈量输入至PI控制器C(s)；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量作为喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输入，喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输出信号量与喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量以及无人机姿态扰动进行运算，并将运算结果作为补偿器C'(s)的输入，补偿器C'(s)的输出为所述二轴喷管扰动。
另一方面，采用一种无人机二自由度喷管瞄准控制装置包括二轴喷管和喷管控制系统，二轴喷管固定安装在无人机的中间下底板上，且二轴喷管的朝向与无人机机头方向一致；所述喷管控制系统包括扰动观测器和喷管机载控制器，扰动观测器输入与无人机的飞控系统连接、输出与喷管机载控制器连接，喷管机载控制器的输入为相对姿态控制量，输出为二轴喷管的实际姿态角。
进一步地，所述二轴喷管包括喷管底座、水平方向旋转座、竖直方向旋转座、激光发射装置以及喷管，喷管底座固定在所述无人机的中间下底板上，水平方向旋转座固定在喷管底座上，竖直方向旋转座固定在水平方向旋转座上，激光发射装置与喷管固定在竖直方向旋转座上。
进一步地，所述相对姿态控制量的公式表示如下：
r＝[yaw pitch]T
yaw＝ky*Δx
pitch＝kp*Δy
其中，r为喷管机载控制器的期望姿态角，yaw为喷管的偏航角，pitch为喷管的俯仰角，ky为偏航方向上的比例系数，kp为俯仰方向上的比例系数，Δx、Δy分别为喷管中心点与目标物的中心点在x、y方向上的偏差量。
进一步地，所述喷管机载控制器包括PI控制器C(s)、喷管机载控制器模型P(s)、喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)和补偿器C'(s)；
所述相对姿态控制量和所述二轴喷管的实际姿态角作为PI控制器C(s)的输入量，PI控制器C(s)根据所述相对姿态控制量和所述实际姿态角，计算得到所述二轴喷管初始的姿态控制量；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量、平台力矩扰动以及所述扰动观测器输出的二轴喷管扰动进行运算，得到修正后的控制量作为喷管机载控制器模型P(s)的输入，喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量作为系统反馈量输入至PI控制器C(s)；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量作为喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输入，喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输出信号量与喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量以及无人机姿态扰动进行运算，并将运算结果作为补偿器C'(s)的输入，补偿器C'(s)的输出为所需的扰动观测器输出。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明喷管与无人机之间二自由连接，将喷管的瞄准控制与无人机姿态进行解耦，将无人机运动视为喷管自动瞄准系统的扰动，以此实现对目标物更加精确的瞄准，实现整个无人机系统对目标物的精确、稳定瞄准。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法的流程图；
图2是激光偏移示意图；
图3是喷管机载控制器的结构框图；
图4是一种无人机二自由度喷管瞄准控制系统结构图；
图5是无人机及喷管位置示意图；
图6是喷管结构示意图。
图中：
1-喷管底座；2-水平方向旋转座；3-竖直方向旋转座；4-激光发射装置；5-喷管。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法，用于对无人机的二轴喷管进行瞄准控制，包括如下步骤S1至S4：
S1、获取无人机机载相机所拍摄的图像；
S2、在所述图像中圈定待瞄准目标物的中心；
S3、在相机坐标系中，根据二轴喷管的辅助瞄准激光光点与待瞄准目标物的像素位置偏差，计算相对姿态控制量；
S4、根据相对姿态控制量，控制二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合。
需要说明的是，本实施例中的喷管与无人机之间二自由连接，喷管姿态与无人机姿态进行解耦，将无人机运动视为对喷管自动瞄准系统的扰动，以此实现对目标物更加精确的瞄准。
作为进一步优选的技术方案，上述步骤S2：在所述图像中圈定待瞄准目标物的中心，具体包括：
无人机操纵员根据从第一视角观察的待瞄准目标物的位置，通过客户端在所述图像中圈定所述待瞄准目标物的中心
作为进一步优选的技术方案，如图2所示，由于喷管的正常工作时，喷管中心点在目标物的中心点附近小范围移动，在此工作范围区间内，喷管的偏航(yaw)、俯仰(pitch)移动可以近似等于激光点在水平和竖直方向上的偏移，所述相对姿态控制量的公式表示如下：
r＝[yaw pitch[T
yaw＝ky*Δx
pitch＝kp*Δy
其中，r为喷管机载控制器的期望姿态角，yaw为喷管的偏航角，pitch为喷管的俯仰角，ky为偏航方向上的比例系数，kp为俯仰方向上的比例系数，Δx、Δy分别为喷管中心点与目标物的中心点在x、y方向上的偏差量。
作为进一步优选的技术方案，上述步骤S4：根据相对姿态控制量，控制二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合，具体为：
将所述相对姿态控制量作为喷管机载控制器的期望姿态角，将无人机外部扰动作为所述二轴喷管的扰动，输出所述二轴喷管的实际姿态角；
将所述二轴喷管的实际姿态角作为系统反馈量，输入至喷管机载控制器，进行闭环控制，直至二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心的偏差小于设定阈值，则确定二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合。
具体地，如图3所示，所述喷管机载控制器包括PI控制器C(s)、喷管机载控制器模型P(s)、喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)和补偿器C'(s)，所述无人机外部扰动包括平台力矩扰动、二轴喷管扰动和无人机姿态扰动；
所述相对姿态控制量和所述二轴喷管的实际姿态角作为PI控制器C(s)的输入量，PI控制器C(s)根据所述相对姿态控制量和所述实际姿态角，计算得到所述二轴喷管初始的姿态控制量；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量、平台力矩扰动以及二轴喷管扰动进行运算，得到修正后的控制量作为喷管机载控制器模型P(s)的输入，喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量作为系统反馈量输入至PI控制器C(s)；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量作为喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输入，喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输出信号量与喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量以及无人机姿态扰动进行运算，并将运算结果作为补偿器C'(s)的输入，补偿器C'(s)的输出为所述二轴喷管扰动。
需要说明的是，平台力矩扰动Td包括摩擦力矩、线绕力矩、不平衡力矩等。该扰动属于系统自带的扰动，无法消除，但可通过执行器手册获取该扰动信息，并将其视作常数。无人机姿态扰动yd为喷管搭载在无人机上，无人机持续处于运动状态，对喷管机载控制器会产生姿态角干扰，该扰动可通过无人机的飞控直接获取。
需要说明的是，PI控制器C(s)的控制器公式为：
Figure BDA0003158545520000081
其中，e(t)为喷管机载控制器的期望姿态角与实际姿态角间的偏差量。kp，ki分别为比例和积分参数，由本领域技术人员自行调试获取。
需要说明的是，喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)为通过系统辨识方法获得的喷管机载控制器模型，由本领域技术人员自行通过系统辨识方法获取。
需要说明的是，补偿器C'(s)为一阶惯性环节
Figure BDA0003158545520000082
其中a，b，τ参数由本领域技术人员自行整定获取。
需要说明的是，喷管机载控制器的工作流程为：
(1)测量平台力矩扰动Td，整定PI控制器C(s)的参数kp与ki，使用系统辨识方法辨识出喷管模型P'(s)，确定补偿器C'(s)的参数a，b，τ。
(2)控制系统的输入量为相对姿态控制量r，将其与控制器输出反馈信号y进行求差运算得到中间信号e，并将其传入PI控制器C(s)，作为PI控制器C(s)的输入量。
(3)PI控制器C(s)计算出初始的喷管姿态控制量u，与平台力矩扰动Td和扰动观测器输出yc进行运算，得到修正后的控制量ut，将其作为姿态控制指令发送给喷管机载控制器模型P(s)，喷管机载控制器模型P(s)为系统控制对象。
(4)喷管姿态控制量u还将输入到喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)中，将所得的信号量与二轴喷管的输出y以及无人机姿态扰动信号yd进行运算，所得的结果传送给一阶惯性环节补偿器C'(s)中，最终得到步骤2中所需的扰动观测器输出yc。
(5)将二轴喷管的输出，即姿态信息y将作为系统反馈量，反馈至PI控制器中，最终完成闭环系统的构建。
如图4至图5所示，本实施例公开了一种无人机二自由度喷管瞄准控制装置，包括二轴喷管和喷管控制系统，二轴喷管固定安装在无人机的中间下底板上，且二轴喷管的朝向与无人机机头方向一致；所述喷管控制系统包括扰动观测器和喷管机载控制器，扰动观测器输入与无人机的飞控系统连接、输出与喷管机载控制器连接，喷管机载控制器的输入为相对姿态控制量，输出为二轴喷管的实际姿态角。
如图6所示，所述二轴喷管包括喷管底座、水平方向旋转座、竖直方向旋转座、激光发射装置以及喷管，喷管底座固定在所述无人机的中间下底板上，水平方向旋转座固定在喷管底座上，竖直方向旋转座固定在水平方向旋转座上，激光发射装置与喷管固定在竖直方向旋转座上。
需要说明的是水平方向旋转座固定在喷管底座上，由一个无刷电机控制，可以进行正前方90°扇形范围内的水平方向运动；竖直方向旋转座固定在水平方向旋转座上，由一个无刷电机控制，可以进行正前方120°扇形范围内的竖直方向运动；水平方向旋转座与竖直方向旋转座的合成运动，共同实现了喷管的二自由度运动。
作为进一步优选的技术方案，本实施例通过在相机坐标系中，根据辅助瞄准激光光点与目标物的像素位置偏差，计算二自由度喷管控制器需要的相对姿态控制量，进而控制并实现辅助瞄准激光光点与用户在图像中选择的目标物的中心重合，所述相对姿态控制量的公式表示如下：
r＝[yaw pitch]T
yaw＝ky*Δx
pitch＝kp*Δy
其中，r为喷管机载控制器的期望姿态角，yaw为喷管的偏航角，pitch为喷管的俯仰角，ky为偏航方向上的比例系数，kp为俯仰方向上的比例系数，Δx、Δy分别为喷管中心点与目标物的中心点在x、y方向上的偏差量。
作为进一步优选的技术方案，如图3所示，所述喷管机载控制器包括PI控制器C(s)、喷管机载控制器模型P(s)、喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)和补偿器C'(s)；
所述相对姿态控制量和所述二轴喷管的实际姿态角作为PI控制器C(s)的输入量，PI控制器C(s)根据所述相对姿态控制量和所述实际姿态角，计算得到所述二轴喷管初始的姿态控制量；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量、平台力矩扰动以及所述扰动观测器输出的二轴喷管扰动进行运算，得到修正后的控制量作为喷管机载控制器模型P(s)的输入，喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量作为系统反馈量输入至PI控制器C(s)；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量作为喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输入，喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输出信号量与喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量以及无人机姿态扰动进行运算，并将运算结果作为补偿器C'(s)的输入，补偿器C'(s)的输出为所需的扰动观测器输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机二自由度喷管瞄准控制方法，其特征在于，用于对无人机的二轴喷管进行瞄准控制，包括：
获取无人机机载相机所拍摄的图像；
在所述图像中圈定待瞄准目标物的中心；
在相机坐标系中，根据二轴喷管的辅助瞄准激光光点与待瞄准目标物的像素位置偏差，计算相对姿态控制量；
根据相对姿态控制量，控制二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合，具体包括：
将所述相对姿态控制量作为喷管机载控制器的期望姿态角，将无人机外部扰动作为所述二轴喷管的扰动，输出所述二轴喷管的实际姿态角；
将所述二轴喷管的实际姿态角作为系统反馈量，输入至喷管机载控制器，进行闭环控制，直至二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心的偏差小于设定阈值，则确定二轴喷管的辅助瞄准激光光点与图像中圈定的待瞄准目标物的中心重合；
所述喷管机载控制器包括PI控制器C(s)、喷管机载控制器模型P(s)、喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)和补偿器C'(s)，所述无人机外部扰动包括平台力矩扰动、二轴喷管扰动和无人机姿态扰动；
所述相对姿态控制量和所述二轴喷管的实际姿态角作为PI控制器C(s)的输入量，PI控制器C(s)根据所述相对姿态控制量和所述实际姿态角，计算得到所述二轴喷管初始的姿态控制量；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量、平台力矩扰动以及二轴喷管扰动进行运算，得到修正后的控制量作为喷管机载控制器模型P(s)的输入，喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量作为系统反馈量输入至PI控制器C(s)；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量作为喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输入，喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输出信号量与喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量以及无人机姿态扰动进行运算，并将运算结果作为补偿器C'(s)的输入，补偿器C'(s)的输出为所述二轴喷管扰动。
2.如权利要求1所述的无人机二自由度喷管瞄准控制方法，其特征在于，所述在所述图像中圈定待瞄准目标物的中心，包括：
无人机操纵员根据从第一视角观察的待瞄准目标物的位置，在所述图像中圈定所述待瞄准目标物的中心。
3.如权利要求1所述的无人机二自由度喷管瞄准控制方法，其特征在于，所述在相机坐标系中，根据二轴喷管的辅助瞄准激光光点与待瞄准目标物的像素位置偏差，计算相对姿态控制量的公式表示如下：
r＝[yaw pitch]T
yaw＝ky*Δx
pitch＝kp*Δy
其中，r为喷管机载控制器的期望姿态角，yaw为喷管的偏航角，pitch为喷管的俯仰角，ky为偏航方向上的比例系数，kp为俯仰方向上的比例系数，Δx、Δy分别为喷管中心点与目标物的中心点在x、y方向上的偏差量。
4.一种无人机二自由度喷管瞄准控制装置，用于实现权利要求1-3任意一项所述的无人机二自由度喷管瞄准控制方法，其特征在于，包括二轴喷管和喷管控制系统，二轴喷管固定安装在无人机的中间下底板上，且二轴喷管的朝向与无人机机头方向一致；所述喷管控制系统包括扰动观测器和喷管机载控制器，扰动观测器输入与无人机的飞控系统连接、输出与喷管机载控制器连接，喷管机载控制器的输入为相对姿态控制量，输出为二轴喷管的实际姿态角。
5.如权利要求4所述的无人机二自由度喷管瞄准控制装置，其特征在于，所述二轴喷管包括喷管底座、水平方向旋转座、竖直方向旋转座、激光发射装置以及喷管，喷管底座固定在所述无人机的中间下底板上，水平方向旋转座固定在喷管底座上，竖直方向旋转座固定在水平方向旋转座上，激光发射装置与喷管固定在竖直方向旋转座上。
6.如权利要求4所述的无人机二自由度喷管瞄准控制装置，其特征在于，所述相对姿态控制量的公式表示如下：
r＝[yaw pitch]T
yaw＝ky*Δx
pitch＝kp*Δy
其中，r为喷管机载控制器的期望姿态角，yaw为喷管的偏航角，pitch为喷管的俯仰角，ky为偏航方向上的比例系数，kp为俯仰方向上的比例系数，Δx、Δy分别为喷管中心点与目标物的中心点在x、y方向上的偏差量。
7.如权利要求4所述的无人机二自由度喷管瞄准控制装置，其特征在于，所述喷管机载控制器包括PI控制器C(s)、喷管机载控制器模型P(s)、喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)和补偿器C'(s)；
所述相对姿态控制量和所述二轴喷管的实际姿态角作为PI控制器C(s)的输入量，PI控制器C(s)根据所述相对姿态控制量和所述实际姿态角，计算得到所述二轴喷管初始的姿态控制量；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量、平台力矩扰动以及所述扰动观测器输出的二轴喷管扰动进行运算，得到修正后的控制量作为喷管机载控制器模型P(s)的输入，喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量作为系统反馈量输入至PI控制器C(s)；
将所述二轴喷管初始的姿态控制量作为喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输入，喷管机载控制器系统辨识模型P'(s)的输出信号量与喷管机载控制器模型P(s)的输出信号量以及无人机姿态扰动进行运算，并将运算结果作为补偿器C'(s)的输入，补偿器C'(s)的输出为所需的扰动观测器输出。
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