CN114020011A - 一种无人机定距的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及无人机定距领域，尤其是涉及一种无人机定距的方法和系统，其方法包括如下步骤：采集无人机与被测物的距离信息,计算距离信息与目标距离的差值，作为距离差,根据距离差计算作用力,依据作用力调整无人机的位置。本申请提供的一种无人机的定距的方法和系统，具有可以使无人机迅速的做出反应，自动测量与被测物之间的距离，自动调整与被测物的距离，调整更及时，精度更高。使得无人机与被测物之间保持固定的距离，方便了日常的使用，且降低了人工操作的难度，提高了准确度。

Description

一种无人机定距的方法和系统

技术领域

本申请涉及无人机控制的技术领域，尤其是涉及一种无人机定距的方法和系统。

背景技术

在当今的生产和生活中，无人机的普及程度及适用范围越来越广，它集智能控制、远程通信、探测和排障等多种功能于一体，特别是在一些复杂和高危作业环境中，无人机的作业优势越来越明显。而如何使用无人机拍摄到清晰画面与操作人员的使用熟练度息息相关。

现在的无人机一般配备一个遥控器或控制箱，通过手机或其他智能终端上的操作界面，可控制机器人的前进后退，左转右转，上升下降等操作，或通过操作手动拨杆来调节与被测物的距离，类似玩具汽车的遥控控制。

针对上述中的相关技术，发明人认为无人机在工作时，由于受到水流和气流等不利因素的影响，无法让无人机保持与被测物之间的距离，若靠人为操作来调节与被测物之间的距离，难度较大，对操控员的熟练度要求很高。

发明内容

为了解决无人机在工作时，防止受到水流和气流等不利因素的影响，无法让无人机保持与被测物之间的距离若靠人为操作来调节与被测物之间的距离，难度较大，对操控员的熟练度要求很高，本申请提供一种无人机定距的方法和系统。

为实现上述目的，本申请一方面提供一种无人机定距的方法采用如下的技术方案：

一种无人机定距的方法，包括如下步骤：

采集无人机与被测物的距离信息；

对所述距离信息进行处理，并作距离差；

根据所述距离差计算作用力；

依据所述作用力调整无人机的位置。

通过采用上述技术方案，无人机通过采集与被测面之间的距离，通过采集回来的数据与预定距离数据进行对比，作出距离差，根据计算出来的距离差，通过算法程序计算出调整无人机的位置距离所需要的作用力大小，计算出来的作用力作用在无人机上，达到调整距离的目的，通过无人机的自动采集与分析来调整位置距离，避免了人为的参与，减少了人为控制的难度，并且还能够增加控制的精准度，达到更可观的目的。

可选的，对所述距离信息进行处理，并作距离差的步骤包括：

对所述距离信息进行滤波处理：

计算滤波处理后的所述距离信息与所述目标距离的差值，作为距离差值。

通过采用上述技术方案，无人机通过传感装置采集无人机与被测物之间的实际距离信息，因为无人机受到不利因素的影响，距离信息时刻在波动，所以将采集到的距离信息进行滤波处理，进行滤波处理后，取平均值，这样获得的数据结果更加的准确。然后将滤波处理后的距离信息与目标距离进行比较，计算出两者之间的差值，得到距离差。通过作出距离差，更好地知道无人机与被测物之间的距离关系，方便无人机对位置作出适当的调整。

可选的，所述根据所述距离差计算作用力的步骤包括：

根据所述距离差，计算出目标速度；

根据所述目标速度，计算目标加速度；

根据所述目标加速度计算所需的作用力。

通过采用上述技术方案，将上面过程得到的距离差信息，通过算法分析计算出改变距离差所需要的目标速度的大小，再将计算出来的目标速度与当前速度对比，计算出速度差，将速度差带入算法程序计算出目标加速度的大小。然后再将求出来的目标加速带入算法，计算得到作用力的大小，这样可以根据距离差通过转化得到改变无人机位置所需要作用力的大小，这样计算出来的作用力更准确，不会出现偏大或者偏小的情况。

可选的，所述依据作用力调整无人机的位置步骤包括：

分解所述作用力，形成多个分解作用力；

根据各个所述分解作用力，对应的动力装置调整无人机的位置。

通过采用上述技术方案，将算法计算出来的作用力进行分解，形成多个分解力，然后将分解的作用力作用到无人机上，来调整无人机的位置。因为无人机的偏移有可能是多个方向上的偏移，所以将力进行分解，分解到需要作用方向上的力，可以更好的对无人机各个位置的调整，使无人机始终处于同一点的位置。

可选的，所述通过对所述距离信息进行滤波处理的步骤包括：

根据所述距离信息计算出距离滑动均值；

通过所述距离滑动均值计算出当前距离变化率；

将所述当前距离的变化率与取值范围进行比较；

若所述当前距离变化率大于所述取值范围，则将当前距离的权重进行衰减；

若当前距离变化率小于或者等于所述取值范围，则将当前距离的权重置为权重系数。

通过采用上述技术方案，将采集到的距离信息计算出均值，平均值的计算可以减少计算中的误差，使计算出来的结果更加的准确。再通过滑动均值计算出当前距离变化百分比，然后再将当前距离变化百分比进行比较来获得当前距离的权重，这样得到的距离信息的数据结果更接近于正确值，能让无人机更加准确的调整自己的位置。

可选的，所述根据所述距离差，计算出目标速度的步骤包括：

计算线性距离；

再将所述距离差与所述线性距离进行对比；

根据比较结果选择不同的计算方法，计算得到对应的所述目标速度。

通过采用上述技术方案，将计算出来的距离差代入算法程序，计算出改变无人机位置所需要的目标速度的大小，根据距离还有时间能求出速度的大小。求出速度才能够求出所需要的作用力的大小，然后用来调整无人机的位置。

可选的，所述根据所述目标速度计算出目标加速度的步骤包括：

根据所述目标速度与当前速度，计算得到速度差；

将所述速度差与时间的倒数相乘，计算得到所述目标加速度。

通过采用上述技术方案，将计算出来的速度转换为目标加速度，加速度能够计算出作用力，加速度作为一个中间值，对距离和作用力之间起到一个承接作用，通过计算出加速度，能够直接的计算出作用力的大小。

可选的，所述根据目标加速度来计算出所需的作用力的步骤包括：

根据所述目标加速度，计算出作用力数值；

分析作用力的方向；

若为反向作用力，则输出反向控制信号；

若为正向作用力，则输出正向控制信号。

将所述作用力数值和所述作用力方法合并，作为计算的所述作用力。

通过采用上述技术方案，根据F=ma,利用加速度计算出作用力的大小，这样计算出来作用力的大小和方向更加准确，然后分析作用力的方向，如果反向作用力，输出的为方向控制信号；正向作用力，则输出的为正向控制信号。将计算出来的作用力通过分析方向后输出来对无人机进行调整，这样更好的通过计算出来力控制无人机与被测物之间的距离，还能够使无人机知道在哪个方向上对无人机进行调整。

可选的，计算所述目标速度、所述目标加速度、所述作用力的具体方式为通过采用串级PID控制算法计算获得。

通过采用上述技术方案，采用串级的PID的控制算法，可以分别对距离、速度、加速度进行控制，这样可以更加精准的控制无人机与被测物之间的距离，避免了误差，增加了使用价值，提高经济效益。

为实现上述目的，本申请另一方面提供一种无人机定距的系统采用如下的技术方案：

一种无人机定距的系统，包括：

传感器数据采集单元（1），用于采集无人机与被测物的距离信息；

滤波处理单元（2），用于计算所述距离信息与目标距离的差值，作为距离差；

距离控制器单元（3），用于根据所述距离差计算作用力；

执行单元（4），用于依据所述作用力调整无人机的位置。通过采用上述技术方案，通过传感器采集单元，采集无人机与被测物之间的距离信息。将采集到的距离信息通过滤波处理单元，进行滤波处理。然后将滤波处理后的距离信息作距离差，再将距离差代入距离控制器单元，将距离差信息转化成作用力。将作用力输出给执行单元，执行单元将力进行分解，作用给无人机，来进行无人机与被测物之间的距离控制。这样可以使无人机能够在无人操作的情况下，自我的进行位置的调控，并且自动测量与被测物之间的距离，然后调整，减少了人工作业量，且测量数据更准确。

综上所述，本申请提供的无人机定距的方法，可以达到如下有益效果：

无人机利用传感器对所在位置与被测物之间的距离进行测量，因为距离的波动很大，所以将测量出来的距离信息进行滤波处理，这样距离信息就比较的准确。然后将滤波处理后的距离信息与预设的距离信息进行作差，计算出两者之间的距离差，通过作出距离差，可以知道无人机的偏离的距离。将距离差带入算法程序，计算出调整距离差，所需要的作用力的大小。将作用力进行分解，作用给无人机，用来调整无人机的位置状态。可以使无人机在无人操作的情况下自己快速地对位置进行调整，使其与被测物之间保持一个固定的距离。减少了无人机通过手动调节位置的难度。

附图说明

图1是本申请实施例中一种无人机定距方法的流程示意图；

图2是本申请实施例距离数据处理和距离差计算子流程图；

图3是本申请实施例中计算作用力和力作用无人机子流程图；

图4是本申请实施例中一种无人机定距的系统结构示意图。

附图标记：1、传感器数据采集单元；2、滤波处理单元；3、距离控制器单元；4、执行单元。

具体实施方式

以下结合附图1至4对本申请作进一步详细说明。

参照图1本实施例公开申请一种芯片烧录流水码管理方法，包括：

S100采集无人机与被测物的距离信息；

通过上述步无人机利用自身携带的传感器进行当前无人机未知的测量，测量出来的距离信息作为当前距离信息。

本实施例中的传感器采用红外线传感器。传感器还可以采用其他的传感器，如：声波传感器、电磁波传感器、雷达传感器等，具体的根据实际的需要进行选择。

本实施例传感器的采样频率要大于18Hz,当然也可以采用其他采样频率,具体的根据实际需求来进行选择。

S200计算距离信息与目标距离的差值，作为距离差；

无人机通过传感装置采集无人机与被测物之间的实际距离信息，因为无人机受到不利因素的影响，距离信息时刻在波动，所以将采集到的距离信息进行滤波处理，进行滤波处理后，这里的滤波处理采用滑动均值滤波，取平均值，这样获得的数据结果更加的准确。然后将滤波处理后的距离信息与目标距离进行比较，将两者相减，计算出两者之间的差值，得到距离差。通过作出距离差，更好地知道无人机与被测物之间的距离关系，方便无人机对位置作出适当的调整。

S300,根据距离差计算作用力；

将计算出来的距离差代入，通过算法分析计算出改变距离差所需要的目标速度的大小，通过对目标速度的计算，可以知道要保持固定的距离，需要多大的速度。再将计算出来的目标速度与当前速度对比，计算出速度差，将速度差带入算法程序计算出目标加速度的大小，求出目标加速度可以计算出作用力的大小，所以要想求出作用力的大小，就得求出加速度的大小。

然后再将求出来的目标加速带入算法，计算得到作用力的大小，改变无人机的位置，必须要力的参与，通过加速度求出作用力的大小，可以用力来调整无人机的位置，使无人机保持与被测物之间的距离。

本实施例采用的算法为串级PID控制算法，还可以为其他的算法程序，具体的根据计算的实际需要进行算法程序的选择。

本实施例中，因为串级PID控制可以分别对距离、速度、加速度进行控制，这样可以更加精准的控制无人机与被测物之间的距离，避免了误差。

S400,依据作用力调整无人机的位置；

分解计算出来的作用力，形成多个分解作用力，根据各个分解作用力，对应的动力装置调整无人机的位置。因为无人机有可能不止在一个方向上位置发生了改变，所以将计算出来的作用力进行分级，然后作用到各个方向上，用来调整无人机位置，这样，无人机可以始终保持在固定位置。

采用此技术方案，无人机采用传感器测量出来与被测物之间的距离信息，将测量出来的距离信息进行滑动滤波处理，然后与预设的距离进行作差的计算出来距离差，再利用距离差计算出改变无人机位置所需要的作用力的大小，将作用力进行分解，分解到各个方向上的力，用来在各个方向上对无人机位置进行调整。采用此步骤，可以使无人机进行自我的调整，并且反应迅速，无人机能在短时间进行调整，保证了无人机与被测物之间始终保持固定的距离。

参照图，对距离信息进行处理，并作距离差；还包括：

S201,对距离信息进行滤波处理;

根据距离信息计算出距离滑动均值,通过距离滑动均值计算出当前距离变化率,将所述当前距离的变化率与取值范围进行比较,若当前距离变化率大于取值范围，则将当前距离的权重进行衰减,若当前距离变化率小于或者等于取值范围，则将当前距离的权重置为权重系数。

因为无人机受到不利因素的影响，距离信息时刻在波动，所以将采集到的距离信息进行滤波处理，进行滤波处理后，取平均值，这样获得的数据结果更加的准确。

无人机度距离信息进行滤波处理的算法具体为:

mean_distance = mean_distance * (1 - t) + distance * t；

d = fabs(mean_distance - distance) *200 / (mean_distance + distance)；

当d > range，对t进行衰减，t /= d * k；当d<= range，t=0.1。

其中，Distance为当前距离，mean_distance为距离滑动均值，t为当前距离的权重，d为当前距离变化百分比，range的取值为0%-100%，k为权重衰减系数。

S202，计算滤波处理后的距离信息与目标距离的差值，作为距离差值。

将滤波处理后的距离信息与目标距离进行比较，这里的目标距离为人为给定的一个固定距离。用滤波处理后的距离信息减去目标距离，可以得到距离差。

通过求出距离差，可以知道无人机与目标距离相差多远距离。判断无人机是否与被测物之间保持在固定距离的位置。

采用此技术方案，因为无人机受到不利因素的影响，距离信息时刻在波动，所以将采集到的距离信息进行滤波处理，进行滤波处理后，这样获得的数据结果更加的准确。然后将滤波处理后的距离信息与目标距离进行比较，计算出两者之间的差值，得到距离差。通过作出距离差，更好地知道无人机与被测物之间的距离关系，方便无人机对位置作出适当的调整。

参照图3，利用距离差计算出作用力大小还包括：

S301,根据距离差，计算出目标速度；

考虑到电机的推力是有限的，当到达一定的距离差后电机会出现饱和，而且输出的推力和转速并不是成线性关系，为了适配电机输出曲线，这里采用线性关系和开平方曲线结合的方式对距离差进行转换将计算出来的距离差代入算法程序，这里采用的算法程序为串级PID控制算法。

先计算出线性距离，然后将距离差与计算出来的线性距离进行比较，比较的结果不一样，对应计算目标速度的算法程序不一样。具体的算法程序如下：

linear_dist = accel_max / sq(p)；

当error >linear_dist，vel = sqrt(2.0 * accel_max * (error - (linear_dist / 2.0)))；

当error < -linear_dist，vel = -sqrt(2.0 * accel_max * (-error -(linear_dist / 2.0)))；

当error >= -linear_dist&&error <= linear_dist，vel = error * p1。

其中error为距离差，单位为cm，accel_max为允许最大加速度，单位为cm/s²，p1为线性段比例系数，p1越小越趋于线性，反之则反，vel为目标速度，单位为cm/s。

S302,根据目标速度计算出目标加速度；

上述过程计算出目标速度的大小，然后将目标速度与当前无人机的速度进行计算，计算出速度差的大小，然后再将速度差代入到算法程序，这里的算同样采用的是PID控制计算法，具体的算法程序如下：

acc = p2 * verror

其中verror为速度差，单位为cm/s，acc为目标加速度，单位为cm/s²。

此算法中的P2为周期的倒数。周期通过传感器的频率可以计算得出。周期由传感器的频率决定。

S303,根据目标加速度来计算出所需的作用力；

将上面过程计算出来的加速度带入算法程序与当前加速度进行计算，计算出当前加速度误差，然后代入算法计算出作用力的大小，计算出来的作用力进行分析，如果为反向作用力，输出反向控制信号；如果为正向作用力，输出的为正向控制信号，反向作用力即计算出来的结果为负值，正向作用力即为正值。本实施例中的正反向为：向被测物移动为正向，远离被测物移动为反向。此过程中就算作用力的大小的算法依旧采用串级PID控制算法，具体的算法程序如下：

F = kp * error_now + ki * error_sum + kd * (error_now – error_last)

其中Kp为pid比例项系数，Ki为pid积分项系数，Kd为pid微分项系数，error_now为当前加速度误差，error_sum为累积加速度误差，error_last为上一次加速度误差。

采用此技术方案，采用串级PID控制算法先利用距离差计算出目标速度的大小，然后将目标速度与当前速度进行计算，计算出速度差的大小，然后将计算出来速度差继续带入算法，计算出来目标加速度大小，然后再将目标加速度与当前加速度计算出目标加速度的误差，根据目标加速度误差计算出作用力的大小。然后将计算出来的作用力进行分析，如果为负值则为反向作用力，输出反向作用信号，如果为正值为正向作用力。然后将作用力输出用来调整人机位置。

根据距离差计算输出合适的力给电机，为了精准的控制机器与测距面的距离，这里采用了串级PID控制算法，分别对距离，速度，加速度进行控制。这样计算出来的力的大小和方向都比较准确，减小了计算的误差。并且计算的速度非常的快，这样可以使无人机更快的做出调整。

参照图4本申请实施例公开一种无人机定距的系统，该系统包括：

传感器采集单元1、滤波处理单元2、距离控制器单元3、执行单元4。其中传感器采集单元1，传感器采用红外线传感器，包括光源发射器件，用来发射红外线的光源，信息处理元件，用来接收返回的红外线并进行数据分析。传感器的频率采用18Hz以上的传感器。传感器采集单元1用来采集无人机与被测物之间的距离信息。

滤波处理单元2，将传感器测量的距离信息进行接收，然后将距离进行滤波处理，因为无人机受到不利因素的影响，位置变化比较剧烈，所以进行滤波处理，这样的数据更加的准确。

距离控制器单元3包括数据处理元件，用来将滤波处理过的距离信息与当前距离进行作差，得出距离差。然后将距离差进行串级PID控制算法，计算出调整距离所需要的作用力的大小，然后再将作用力进行分析，判断作用力的方向。输出器件，将计算的出的作用力的大小和方向进行输出。

执行单元4包括接收器件，将计算出来的包含大小和方向的作用力进行接收。电机，将作用力分到电机上，电机根据转动的转速用来调整无人机的位置关系。

采用此技术方案，无人机通过出传感器采集单元1将无人机与被测物之间的距离信息进行采集，然后将采集到的距离信息通过滤波处理单元2将距离信息滤波处理。然后将滤波处理后的距离信息与目标距离进行相减，得到距离差，将距离差代入距离控制器单元3，先将距离差通过串级PID控制算法转化为目标速度，再将目标速度与当前速度进行相减得到速度差，再将速度差通过串级PID控制算法转化成目标加速度，再将目标加速度代入算法得到所需要的推力。再将推力进行分析，判断推力的方向性和大小，并将分析过后的推力输送给执行单元4。执行单元4将推力作用到电机上，使无人机自我的对位置距离进行调整。

无人机采用此系统，可以迅速的做出反应，自动测量与被测物之间的距离，自动调整与被测物的距离，调整更及时，精度更高。使得无人机与被测物之间保持固定的距离，方便了日常的使用，且降低了人工操作的难度，提高了准确度。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机定距的方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集无人机与被测物的距离信息；

对所述距离信息进行处理，并作距离差；

根据所述距离差计算出作用力；

依据所述作用力调整无人机的位置。

2.根据权利要求1所述的无人机定距的方法，其特征在于，所述对所述距离信息进行处理，并作距离差的步骤包括：

对所述距离信息进行滤波处理：

计算滤波处理后的所述距离信息与所述目标距离的差值，作为距离差值。

3.根据权利要求1所述的无人机定距的方法，其特征在于，所述根据所述距离差计算作用力的步骤包括：

根据所述距离差，计算出目标速度；

根据所述目标速度，计算目标加速度；

根据所述目标加速度计算所需的作用力。

4.根据权利要求1所述的无人机定距的方法，其特征在于，所述依据作用力调整无人机的位置步骤包括：

分解所述作用力，形成多个分解作用力；

根据各个所述分解作用力，对应的动力装置调整无人机的位置。

5.根据权利要求2所述的无人机定距的方法，其特征在于，所述通过对所述距离信息进行滤波处理的步骤包括：

根据所述距离信息计算出距离滑动均值；

通过所述距离滑动均值计算出当前距离变化率；

将所述当前距离的变化率与取值范围进行比较；

若所述当前距离变化率大于所述取值范围，则将当前距离的权重进行衰减；

若当前距离变化率小于或者等于所述取值范围，则将当前距离的权重置为权重系数。

6.根据权利要求3所述的无人机定距的方法，其特征在于，所述根据所述距离差，计算出目标速度的步骤包括：

计算线性距离；

再将所述距离差与所述线性距离进行对比；

根据比较结果选择不同的计算方法，计算得到对应的所述目标速度。

7.根据权利要求3所述的无人机定距的方法，其特征在于，所述根据所述目标速度计算出目标加速度的步骤包括：

根据所述目标速度与当前速度，计算得到速度差；

将所述速度差与时间的倒数相乘，计算得到所述目标加速度。

8.根据权利要求3所述的无人机定距的方法，其特征在于，所述根据目标加速度来计算出所需的作用力的步骤包括：

根据所述目标加速度，计算出作用力数值；

分析作用力的方向；

若为反向作用力，则输出反向控制信号；

若为正向作用力，则输出正向控制信号；

将所述作用力数值和所述作用力方法合并，作为计算的所述作用力。

9.根据权利要求3所述的无人机定距的方法，其特征在于：计算所述目标速度、所述目标加速度、所述作用力的具体方式为通过采用串级PID控制算法计算获得。

10.一种无人机定距的系统，其特征在于，包括：

传感器数据采集单元（1），用于采集无人机与被测物的距离信息；

滤波处理单元（2），用于计算所述距离信息与目标距离的差值，作为距离差；

距离控制器单元（3），用于根据所述距离差计算出作用力；

执行单元（4），用于依据所述作用力调整无人机的位置。

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