CN113885565A - 一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法 - Google Patents

一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113885565A
CN113885565A CN202111225707.9A CN202111225707A CN113885565A CN 113885565 A CN113885565 A CN 113885565A CN 202111225707 A CN202111225707 A CN 202111225707A CN 113885565 A CN113885565 A CN 113885565A
Authority
CN
China
Prior art keywords
unmanned aerial
aerial vehicle
turning
arc
waypoint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111225707.9A
Other languages
English (en)
Inventor
文清丰
王松波
李隆基
郭威
唐庆华
李学刚
王永福
冯军基
李琳
常安
南杰胤
姚瑛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Corp of China SGCC
State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Corp of China SGCC, State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd, Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN202111225707.9A priority Critical patent/CN113885565A/zh
Publication of CN113885565A publication Critical patent/CN113885565A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本发明涉及一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，其技术特点是：步骤1、通过三维地图对无人机的航线任务进行规划，并且设定航点的转弯半径；步骤2、无人机自动计算圆弧转弯的圆心坐标；步骤3、无人机根据实时位置与圆心坐标的位置偏差，通过PID控制方式控制偏差始终保持转弯半径的距离，进行无人机圆弧转弯。本发明采用三维空间中圆弧转弯的控制方法，当无人机在对“到达航点”可以通过这种方式设定航点的转弯半径，无人机在执行任务时会自动计算开始圆弧转弯点和结束开始圆弧转弯点的位置，并且保证转弯的飞行轨迹是标准的圆弧，本发明可以省去不必要的加减速和悬停动作，有效提升多旋翼无人机的作业效率。

Description

一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法
技术领域
本发明属于无人机技术领域，涉及多旋翼无人机控制，尤其是一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法。
背景技术
多旋翼无人机，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。多旋翼无人机在执行任务时，通常需要在地面站上预先设计航线，并在航线或航点处添加相应的任务，比如起飞、降落、拍照、投掷等，将任务通过离线或在线的方式发送到无人机，无人机在飞行到相应航点后，需要减速并转换为悬停状态再执行相应的航点动作。无人机这种执行任务的方式由于需要频繁的飞行和悬停来回切换，导致作业效率比较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、能够有效提升作业效率的多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、通过三维地图对无人机的航线任务进行规划，并且设定航点的转弯半径；
步骤2、无人机自动计算圆弧转弯的圆心坐标；
步骤3、无人机根据实时位置与圆心坐标的位置偏差，控制偏差始终保持转弯半径的距离，进行无人机圆弧转弯。
而且，所述步骤2计算圆弧转弯时至少需要三个航点，并且将无人机的航线任务拆分成多个三航点任务。
而且，所述步骤2的具体实现方法为：
定义三维空间中的三个航点A、B、C的坐标分别为wpA、wpB、wpC，转弯半径为r；按下式计算B航点到A航点的向量和B航点到C航点的向量：
Figure BDA0003314218870000011
计算
Figure BDA0003314218870000012
和
Figure BDA0003314218870000013
向量的夹角
Figure BDA0003314218870000014
转弯所走圆弧对应的角度的
Figure BDA0003314218870000015
为
Figure BDA0003314218870000016
开始圆弧转弯点D和结束圆弧转弯点E距离B航点的距离d＝tan(α)·r；
开始圆弧转弯点
Figure BDA0003314218870000021
结束圆弧转弯点
Figure BDA0003314218870000022
三个航点A、B、C所在的平面为pA·x+pB·y+pC·z+pD＝0，
其中，
Figure BDA0003314218870000023
式中，1表示x方向，2表示y方向，3表示z方向；
设圆心坐标为[Ox,Oy,Oz]，求解下述方程组，得到圆弧转弯的圆心坐标：
Figure BDA0003314218870000024
而且，所述求解方程组是按照克拉默法则求得。
而且，所述步骤3采用PID控制方式控制偏差始终保持转弯半径的距离
本发明的优点和积极效果是：
本发明采用三维空间中圆弧转弯的控制方法，当无人机在对“到达航点”可以通过这种方式设定航点的转弯半径，无人机在执行任务时会自动计算开始圆弧转弯点和结束开始圆弧转弯点的位置，并且保证转弯的飞行轨迹是标准的圆弧，本发明可以省去不必要的加减速和悬停动作，有效提升多旋翼无人机的作业效率。
附图说明
图1为本发明的计算原理图；
图2为本发明的地面站规划的航线示意图；
图3为本发明的无人机实际飞行轨迹。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
本发明的设计思想是：由于多旋翼无人机与固定翼无人机相比，其可以以任意低的速度飞行，转弯半径的大小没有约束，因此，三维空间中的任意轨迹都是可以相对精准的到达，这对于设计圆弧转弯的控制方法提供了可实现性。
基于上述设计思想，一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、通过三维地图对无人机的航线任务进行规划，并且设定航点的转弯半径。
步骤2、无人机自动计算圆弧转弯的圆心坐标。具体实现方法为：
由于圆弧转弯需要至少三个航点，并且可以将无人机的航线任务拆分成多个“三航点”任务。
如图1所示，定义三维空间中的三个航点坐标分别为wpA、wpB、wpC，转弯半径为r。
则B航点到A航点的向量和B航点到C航点的向量为：
Figure BDA0003314218870000031
Figure BDA0003314218870000032
和
Figure BDA0003314218870000033
向量的夹角
Figure BDA0003314218870000034
转弯所走圆弧对应的角度的
Figure BDA0003314218870000035
为
Figure BDA0003314218870000036
开始圆弧转弯点D和结束圆弧转弯点E距离B航点的距离d＝tan(α)·r；
因此开始圆弧转弯点
Figure BDA0003314218870000037
结束圆弧转弯点
Figure BDA0003314218870000038
定义航点A、B、C所在的平面为pA·x+pB·y+pC·z+pD＝0，
其中，
Figure BDA0003314218870000039
式中，(1)表示x方向，(2)表示y方向，(3)表示z方向。
设圆心坐标为[Ox,Oy,Oz]，根据圆心在平面内，以及
Figure BDA00033142188700000310
垂直于
Figure BDA00033142188700000311
垂直于
Figure BDA00033142188700000312
的条件，可以列出如下方程组：
Figure BDA00033142188700000313
由克拉默法则可求得上述方程组的解，得到圆心坐标。
步骤3、无人机根据实时位置与圆心坐标的位置偏差，通过PID控制方式控制偏差始终保持转弯半径的距离，进行无人机圆弧转弯。
本发明可以通过软件来实现上述功能，该软件同时具有本发明的圆弧转弯功能和普通的点转弯功能，软件在判断是否可以进行圆弧转弯时需要判断以下几个条件：
(1)圆弧转弯功能是否开启，未开启执行到点转弯；
(2)是否为第一个航点，若是执行到点转弯；
(3)是否为最后一个航点，若是执行到点转弯；
(4)航线长度是否大于等于提前和结束转弯的距离，若否执行到点转弯；
(5)圆心是否有解，若否执行到点转弯。
为了验证本发明的效果，给出以下实例。
图2给出了通过三维地面站规划出的对一段路线进行测绘的航线。无人机从初始位置起飞，起飞到一定高度后到达起飞点，1号到25号为航点，要求无人机按照航点序号进行飞行。该航线的主要任务有两个：其一，先进行“8”字轨迹的飞行，对应图中2号到11号航点，该飞行轨迹可以实现对搭载的测绘设备的校准；其二，实现对一段高压线路两边的测绘工作，图中13号到23号航点。最终飞回25号航点完成任务。
图3给出了无人机实际飞行的俯视图轨迹。无人机在飞行“8”字轨迹时，所有航点按照圆弧转弯的方式飞行，保证了无人机到达航点后不需要停止下来，防止了对测绘设备校准的影响；在执行测绘任务时，也是按照圆弧转弯方式飞行，一是提升了作业效率，二是保证了速度的平缓过度，否则在航点处由于速度太慢甚至需要停下来，会在这些位置采集过多的测绘数据，不利于测绘数据的处理。在23号航点处，由于角度过小，航线距离不够完成圆弧转弯，自动转换成到点转弯飞行。从上述实例可以看出，这种转弯方式有效提升了无人机的作业效率。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、通过三维地图对无人机的航线任务进行规划，并且设定航点的转弯半径；
步骤2、无人机自动计算圆弧转弯的圆心坐标；
步骤3、无人机根据实时位置与圆心坐标的位置偏差，控制偏差始终保持转弯半径的距离，进行无人机圆弧转弯。
2.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，其特征在于：所述步骤2计算圆弧转弯时至少需要三个航点，并且将无人机的航线任务拆分成多个三航点任务。
3.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：
定义三维空间中的三个航点A、B、C的坐标分别为wpA、wpB、wpC，转弯半径为r；
按下式计算B航点到A航点的向量和B航点到C航点的向量：
Figure FDA0003314218860000011
计算
Figure FDA0003314218860000012
和
Figure FDA0003314218860000013
向量的夹角
Figure FDA0003314218860000014
转弯所走圆弧对应的角度的
Figure FDA0003314218860000015
为
Figure FDA0003314218860000016
开始圆弧转弯点D和结束圆弧转弯点E距离B航点的距离d＝tan(α)·r；
开始圆弧转弯点
Figure FDA0003314218860000017
结束圆弧转弯点
Figure FDA0003314218860000018
三个航点A、B、C所在的平面为pA·x+pB·y+pC·z+pD＝0，
其中，
Figure FDA0003314218860000019
式中，1表示x方向，2表示y方向，3表示z方向；
设圆心坐标为[Ox,Oy,Oz]，求解下述方程组，得到圆弧转弯的圆心坐标：
Figure FDA0003314218860000021
4.根据权利要求3所述的一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，其特征在于：所述求解方程组是按照克拉默法则求得。
5.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法，其特征在于：所述步骤3采用PID控制方式控制偏差始终保持转弯半径的距离。
CN202111225707.9A 2021-10-21 2021-10-21 一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法 Pending CN113885565A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111225707.9A CN113885565A (zh) 2021-10-21 2021-10-21 一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111225707.9A CN113885565A (zh) 2021-10-21 2021-10-21 一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113885565A true CN113885565A (zh) 2022-01-04

Family

ID=79004014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111225707.9A Pending CN113885565A (zh) 2021-10-21 2021-10-21 一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113885565A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115202405A (zh) * 2022-09-15 2022-10-18 成都翼比特自动化设备有限公司 一种基于无人机的飞行路径规划方法
WO2023178492A1 (zh) * 2022-03-21 2023-09-28 深圳市大疆创新科技有限公司 无人机航线的规划方法、规划装置、遥控装置及无人机

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108592925A (zh) * 2018-07-26 2018-09-28 中国人民解放军陆军工程大学 基于最小转弯半径的无人机转弯航迹规划算法
CN110617818A (zh) * 2019-10-15 2019-12-27 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种无人机航迹生成方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108592925A (zh) * 2018-07-26 2018-09-28 中国人民解放军陆军工程大学 基于最小转弯半径的无人机转弯航迹规划算法
CN110617818A (zh) * 2019-10-15 2019-12-27 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种无人机航迹生成方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
庆鹏展: "面向运动控制的EtherCAT主站研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》, pages 140 - 862 *
李彦妮: "基于角速率陀螺的无人机简化配置控制技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》, pages 031 - 99 *
王康: "固定翼无人机自抗扰控制与自主避障算法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》, pages 031 - 485 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023178492A1 (zh) * 2022-03-21 2023-09-28 深圳市大疆创新科技有限公司 无人机航线的规划方法、规划装置、遥控装置及无人机
CN115202405A (zh) * 2022-09-15 2022-10-18 成都翼比特自动化设备有限公司 一种基于无人机的飞行路径规划方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11860633B2 (en) Methods and systems for determining flight plans for vertical take-off and landing (VTOL) aerial vehicles
How et al. Real-time indoor autonomous vehicle test environment
CN111650958B (zh) 一种固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法
Quigley et al. Target acquisition, localization, and surveillance using a fixed-wing mini-UAV and gimbaled camera
CN102582826B (zh) 一种四旋翼无人飞行器的驾驶方法和系统
WO2016197986A1 (zh) 一种无人机高精度自主避障飞行方法
WO2020143357A1 (zh) 飞行器作业路径规划方法以及控制装置和控制设备
US8682505B2 (en) Flight control laws for constant vector flat turns
CN104407586A (zh) 一种驱动解耦植保无人机的控制系统及控制方法
CN113885565A (zh) 一种多旋翼无人机圆弧转弯的控制方法
CN105892487B (zh) 一种无人机8字形航迹控制方法
WO2020191647A1 (zh) 一种无人机的降落控制方法、飞行控制设备及无人机
CN106114853A (zh) 一种无人驾驶航空器
CN111699451A (zh) 垂直起降无人机的飞行控制方法、设备及垂直起降无人机
WO2020258066A1 (zh) 无人机的控制方法、设备、无人机及存储介质
CN112050812B (zh) 车载无人机自动接力巡航系统及方法
WO2020237529A1 (zh) 一种无人机的飞行控制方法、设备及无人机
CN113093801B (zh) 一种多无人机协同编队的航路文件制作方法
AU2020364319B2 (en) Contingent use of commanded speed in lieu of sensed airspeed to inform flight control decisions
CN112346482B (zh) 飞行航线管理方法
CN113552896A (zh) 一种基于无人机中继通信的无人平台远程遥控系统及方法
Ruangwiset Path generation for ground target tracking of airplane-typed UAV
JP2004025971A (ja) 移動体制御システム
CN111474959A (zh) 一种大型货运无人机远程导航实现方法
KR102581021B1 (ko) 드론의 지상 표적 접근방법 및 이를 이용한 드론

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination