CN115877872A - 一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法及系统，包括以下步骤：S1.无人机使用机载电机运行时，获取无人机的位姿信息传递给电机控制装置，位姿信息包括无人机的偏航角、经纬度和高度信息；S2.电机控制装置将无人机的位姿信息结合电机使用需求计算出电机所需抵达的目标角度值；S3.根据当前电机实际角度值和目标角度值确定电机的转动方向；电机的转动方向应使得目标角度值与当前实际角度值的变化范围在0°~180°之间；S4.确定初始转动速度，在角度差值逐渐减小的过程中，通过变速变向控制模块控制转动速度降低。本方法和系统能够在无人机载体中实现电机控制速度的高实时性要求，并有效降低控制误差。

Description

一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，尤其是涉及一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，无人机越来越广泛地应用于我们社会中的各行各业，在一定程度上降低了我们的生产生活成本，为我们的生产生活提供了极大的便利。随着对无人机使用要求的进一步提高，单纯依靠无人机实现的部分功能对无人机来说力不从心，因此需要开发以无人机为载体，通过在无人机上挂载小型云台，在云台上安装可实现不同功能或不同用途的设备，以实现对无人机使用功能的扩展，进一步提高无人机与科研生产等领域内特殊要求的匹配程度。

云台的动力来源为机载电机，通过完成对机载电机的控制以实现对云台的有效控制。在本应用场景中，在云台上安装天线构成天线云台，使用天线云台实现对特定方向的信号收发功能。基于该应用需求，调研了当前市场上存在的支持二次开发的机载电机控制设备，其主要存在一些问题如下：

1）无人机飞行速度快，对大角度电机控制速度有较高的实时性要求，当前产品存在因转动速度不匹配导致电机控制滞后或超调的情况；

2）对控制精度要求比较高，电机控制误差必须在非常小的误差范围内，但由此引发电机高频控制对硬件产生不良影响的问题；

3）针对无人机机载电机使用过程中，当无人机位姿数据发生暂时故障时，会导致因计算问题而导致电机转向错误方向的问题，应尽可能将其对电机控制产生的错误影响控制在最小范围内；

4）控制系统对电机进行单向控制，无法获知电机当前状态以及控制效果，进而控制失败。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提高无人机载体内的电机控制实时性，降低控制误差以及提高控制精度和控制效果。

为实现上述目的，本发明提供一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1.无人机使用机载电机运行时，获取无人机的位姿信息传递给电机控制装置，所述位姿信息包括无人机的偏航角、经纬度和高度信息；

S2.电机控制装置将无人机的位姿信息结合电机使用需求计算出电机所需抵达的目标角度值；

S3.根据当前电机实际角度值和目标角度值确定电机的转动方向；电机的转动方向应使得目标角度值与当前实际角度值的变化范围在0°~180°之间；

S4.确定初始转动速度，在角度差值逐渐减小的过程中，通过变速变向控制模块控制转动速度降低。

进一步，步骤S2中，获取位姿信息后首先应用卡尔曼滤波方式对控制角度进行修正以降低异常角度值的错误干扰。

进一步，卡尔曼滤波实现公式如下：

其中：n-1为上一时刻，n为当前时刻；k为中间系数，P为均方误差值，

为上一时刻的均方误差值，/>

为当前时刻的均方误差值，X为公式的输入值，/>

为上一时刻观测值；/>

为当前时刻的观测值，也是公式的输出值；/>

为系统噪声，/>

为量测噪声，/>

为均方误差初始值，/>

为观测初始值。

进一步，步骤S4中，控制速度的动态变化通过使用动态调整速度系数的方式进行控制；速度系数采用二次函数公式进行调整；公式为

，其中 x∈[0,180]。

进一步，步骤S4中，还包括设置起转条件和停止条件，单独适配起转和停转误差要求；

起转条件为：当目标角度值与当前电机的角度值差值在m°以上时，控制程序驱动电机向目标角度转动，当目标角度值与当前电机角度差值小于等于m°时，电机不转动；

停转条件为：在电机开始转动后，当电机当前的角度与目标角度值差值低于n°时，控制程序控制电机停止转动，视为当前对电机的控制结束。

进一步，所述m°为1°，所述n°为0.2°。

进一步，步骤S4中，为了保证对电机的全面控制，电机控制装置实行对电机的闭环控制，闭环控制中的负反馈环节，可自动对输出量进行调节补偿，对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动，均有抗干扰能力。

进一步，采用具备状态信息反馈功能的电机以实现闭环控制。

进一步，所述电机会实时向控制系统反馈当前电机的位置信息，控制装置获取了电机的位置信息后，结合目标角度值，向电机发送包含转向和速度信息在内的控制指令，通过变速变向控制模块实现对电机转动过程的控制。

另一方面，本发明提供一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制系统，包括电机控制装置和变速变向控制模块，用于实现上述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法。

本发明的有益效果在于，能够在无人机载体内控制电机转动的实时性，在小范围角度变化时采用较高的电机转速时，也能保证电机控制的精度。通过在电机控制程序中加入卡尔曼滤波算法对角度进行一定程度的修正以降低异常角度值对的错误干扰，提高控制的容错率。通过设置合适的起转条件和停止条件，来适当降低控制频率，能够提高顺滑度和延长部件寿命。采用闭环控制的方式对其进行精确操作，不仅实现电机准确指向要求的角度，也要求控制系统实时获取电机所处位置的状态信息，有效提高了电机控制精度。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例中基于无人机载体使用的天线云台综合控制系统中速度系数的坐标轴变化示意图；

图2示出了根据本发明实施例中基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法中的闭环控制流程示意图；

图3示出了根据本发明实施例中基于无人机载体使用的全流程天线云台控制示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合图1-图3对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

无人机具有重量小、机动性能强的优点，使得无人机具备可进行快速机动飞行的能力。当无人机进行高速度、小半径的飞行时，此时往往会对电机的角度控制有更高的要求，要求无人机在短时间内完成大范围的角度转动功能。当无人机进行低速度、大半径范围的飞行时，无人机对电机角度的控制范围会比较小。如果在大范围角度控制时依然采用较低的电机转速，那么将难以保证控制电机转动的实时性，如果在小范围角度变化时采用较高的电机转速时，将难以保证电机控制的精度。

因此根据本发明的基于无人机载体使用的天线云台综合控制系统中，为了解决上述技术问题，在控制系统中设置变速变向控制模块：大角度转动中使用变速变向控制模块，根据电机转动角度的实际值，来动态调整电机的实际转速，当电机的实际转动角度值超过设定阈值时，采用高速度的电机控制方式，随着电机角度值逐渐接近目标角度值，适当降低电机的实际转速，避免发生电机转动到达目标角度值时由于转速过高无法及时停在目标角度值处，使得实际转动角度值超过所需转动角度值，此时将会控制电机往反方向转动，这样将会使得电机实际转动时间延长，降低电机响应的实时性，影响控制效果。

根据本发明的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，包括以下步骤：

S1.无人机使用机载电机运行时，获取无人机的位姿信息传递给电机控制装置，所述位姿信息包括无人机的偏航角、经纬度和高度信息；

S2.电机控制装置将无人机的位姿信息结合电机使用需求计算出电机所需抵达的目标角度值；

S3.根据当前电机实际角度值和目标角度值确定电机的转动方向。

电机的转动方向应使得目标角度值与当前实际角度值的变化范围在0°~180°之间，选取一个电机转动角度少的方向驱动电机旋转，避免单一方向转动所产生的不必要的时间消耗。举例说明，在实际的电机应用场景中，在进行某次控制时，目标角度值为10°，当前电机实际角度值处于200°，电机向某一方向转动时，需要转动190°可以抵达目标角度，若电机向相反方向转动，需旋转170°抵达目标角度，由于170°比190°跨度小，所以控制电机沿170°方向进行旋转。因此在每一次的转动中，需使得转动角度值小于等于180°，使得目标角度值与当前实际角度值的变化范围在0°~180°之间。

S4.确定初始转动速度，在角度差值逐渐减小的过程中，变速变向控制模块控制转动速度快速降低。当角度差值在较大值时，例如在旋转170°才能抵达目标角度时，在角度差值为170°时确定初始转动速度，此时的转动速度为最高值，随着角度差值的变小，控制转动的速度也将快速降低，当接近目标角度值时，速度几乎降为0，使得电机准确停在目标角度值处，避免电机因转速过高而错过目标角度值，再往反方向转动进而产生更大耗时的情况发生。

控制速度的动态变化通过使用动态调整速度系数的方式进行控制。速度系数采用二次函数的公式进行调整。公式为

，其中x∈[0,180]，坐标轴的变化图如图1所示。其中的x为当前角度和目标角度差值的绝对值，取值范围为0~180度之间，随着电机转向目标角度值，该值会从最大180随之减小到0或者允许的误差范围内，y为速度系数，取值范围为0~1，实际使用时电机固定转速值乘以y即为当前所需转速。当y为1时，电机以最高速度旋转，随着x值的减小，y值进行动态调整，从最大值1减小到0，转动速度相应减小到0。

具体地，步骤S2中，获取位姿信息后首先计算出目标角度，随即对目标角度采用卡尔曼滤波的方式进行处理，应用卡尔曼滤波方式对目标角度进行矫正；

无人机在使用机载电机时，将无人机的位姿信息结合实际用途计算出当前电机所需的目标角度值，然后将目标角度转化为控制指令发送到电机进行控制。但是当无人机位姿数据中任何一个信息有错误时，都会导致错误的角度结果，当错误角度值发送给电机时，电机也会指向错误位置，影响使用的准确性。

通过在电机控制程序中加入卡尔曼滤波算法对角度进行一定程度的修正以降低异常角度值的错误干扰，提高控制的容错率。

数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术，卡尔曼滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态。由于它便于计算机编程实现，并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理，卡尔曼滤波是目前应用最为广泛的滤波方法，在通信，导航，制导与控制等多领域得到了较好的应用。比如，在雷达中，人们感兴趣的是跟踪目标，但目标的位置、速度、加速度的测量值往往在任何时候都有噪声。卡尔曼滤波利用目标的动态信息,设法去掉噪声的影响，得到一个关于目标位置的准确的估计。这个估计可以是对当前目标位置的估计(滤波)，也可以是对于将来位置的估计(预测)，也可以是对过去位置的估计(插值或平滑)。实现公式如下：

其中：n-1为上一时刻，n为当前时刻；k为中间系数，P为均方误差值，

为上一时刻的均方误差值，/>

为当前时刻的均方误差值，X为公式的输入值，/>

为上一时刻观测值；/>

为当前时刻的观测值，也是公式的输出值；/>

为系统噪声，/>

为量测噪声，/>

为均方误差初始值，/>

为观测初始值。

从卡尔曼滤波算法的整体来看，该算法的输入是一个当前计算所得的目标角度值X，输出为一个经卡尔曼滤波算法处理过后的目标角度值

。其中k值为中间系数，用于更新算法参数中的X值和P值，Q为系统噪声，本实施例中设置为0.01，R为量测噪声，本实施例中设置为0.25（其中Q、R值可以通过实际情况的仿真效果确定）,X为目标角度值，/>

为修正后的目标角度值，/>

为上一时刻的修正后目标角度值。

首先初始化

为0.01，/>

为0，当前输入目标角度值X为90，举例说明计算流程如下：

首先更新k值，进而依次更新X和P值。本次计算中输入目标角度值X为90，上一时刻的修正后目标角度值

为0，在一般的机载电机转动中不会有如此大的角度变化，经过滤波算法后输出修正后的目标角度值/>

为3.4615，通过滤波算法起到抑制异常值90对控制系统产生影响的作用。

步骤S4中，还包括设置起转条件和停止条件，单独适配起转和停转误差要求。

在电机实际的使用中，当电机的控制精度比较高时，会导致电机的频繁启停，这种过于高频的启停控制对电机的实际使用来说并不必要，所以通过设置合适的起转条件和停止条件，来适当降低控制频率对于顺滑度和部件的使用寿命均有好处。

起转条件为：当目标角度值与当前电机的角度值差值在第一阈值（本实施例中为1°）以上时，控制程序驱动电机向目标角度转动，当目标角度值与当前电机角度差值小于第一阈值（本实施例中为1°）时，电机不转动。

停转条件为：在电机开始转动后，当电机当前的角度与目标角度值差值低于第二阈值（本实施例中为0.2°）时，控制程序控制电机停止转动，视为当前对电机的控制结束。

在阈值设定方面，设定第一阈值大于第二阈值。

起转条件和停止条件可根据实际应用场景来进行调整以匹配实际的应用需求，通过合理配置该条件，目的是使电机在使用过程中更加顺畅，避免出现急停急启的情况。在本发明应用场景中，将定向天线安装在电机上，然后将安装了定向天线的电机挂载在无人机上进行应用，在无人机执行任务的过程中需要保证该定向天线时刻对准某一目标。当该定向天线位于正负1°的对准误差范围内时，即可保证任务的正常执行，因此将第一阈值设置为1°。在电机开始转动后，我们希望电机能够准确停在目标角度处，同时考虑到无人机在飞行过程中所产生的高频振动以及风向等外部因素的干扰，为保证任务的顺利执行，根据试验效果将第二阈值设置为0.2°。

此外，步骤S4中，为了保证对电机的全面控制，电机控制装置实行对电机的闭环控制；控制流程如图2所示。

在控制领域中，一般可根据被控对象是否对控制装置输出反馈消息，分为闭环控制和开环控制，开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，不具备自动修正的能力，在精确操作并不重要的情况下一般会使用开环控制。闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、参与控制的控制方式。若由于干扰的存在，使得系统实际输出偏离期望输出，系统自身便利用负反馈产生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系统输出量恢复到期望值上，体现了反馈工作原理。闭环控制系统中的负反馈环节，可自动对输出量进行调节补偿，对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动，均有一定的抗干扰能力。

在电机控制应用中，若采用开环控制方式，只由控制装置向被控对象单向发送控制指令，那么控制装置无法获知被控对象对控制指令的执行情况，也无法获知被控对象当前的位置信息，不利于对电机的控制，因此采用闭环控制的方式对其进行精确操作，不仅实现电机准确指向要求的角度，也要求控制系统实时获取电机所处位置的状态信息。因此本算法中需要采用具备状态信息反馈功能的电机以实现闭环控制。电机会实时向控制系统反馈当前电机的位置（角度）信息，控制系统获取了电机的位置信息后，结合目标角度值，向电机发送包含转动方向和转动速度信息在内的控制指令，通过变速变向控制模块实现对电机转动过程的控制。

如图3所示，完整的控制流程如下：

首先根据无人机的位姿信息计算出电机的目标角度，随后将计算得到的目标角度进行卡尔曼滤波处理，处理完后对获得的目标角度值进行判断处理。电机的反馈数据中包括电机当前所处的角度值，本例中电机反馈数据频率为1khz，我们可以在需要使用反馈数据的环节随时进行读取。

变速变向控制模块控制速度的动态变化中，对于电机当前时刻的转动速度控制方法包括如下步骤：

S41.将卡尔曼滤波处理后的目标角度值与当前电机所处的角度值进行比较，若两者差值的绝对值小于第一阈值m°（本例中使用的m°为1°），则不再进行后续操作，返回根据位姿数据计算新的目标角度值；若大于第一阈值，则判断目标角度值与当前角度值的相对位置关系，判断内容为目标角度值在当前电机角度值的顺时针方向还是逆时针方向（顺时针方向和逆时针方向是相对于电机实际安装位置确定）,由此确定电机转动方向；

S42.确定当前电机转动速度，本实施例中设定的最高转速为30rpm（转每分钟),转动速度确定方式如下：首先，根据目标角度值与当前电机角度值差值x计算速度系数y，速度系数y采用二次函数的公式进行计算；公式为

。其次，将速度系数y与最高转速（30rpm）相乘得到当前电机转动速度。

S43，将电机转动方向信息和转动速度信息转化为控制指令发送至电机端完成一次转动；

S44.完成一次转动后立即查询当前电机所处的位置，计算目标角度值与当前电机角度值差值的绝对值，当该值大于设定阈值n（本例中使用的n°为0.2°）时，继续判断转向和确定转速，如此循环进行。当该值小于等于设定阈值n时，表明当前电机已经转动到指定位置，此时向电机发送停止指令，本个控制周期全部控制结束。开始计算下一个目标角度值，并进入下一个控制周期。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下，将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。

上述内容虽然已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型等更新操作。

Claims (10)

1.一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1.无人机使用机载电机运行时，获取无人机的位姿信息传递给电机控制装置，所述位姿信息包括无人机的偏航角、经纬度和高度信息；

S2.电机控制装置将无人机的位姿信息结合电机使用需求计算出电机所需抵达的目标角度值；

S3.根据当前电机实际角度值和目标角度值确定电机的转动方向；电机的转动方向应使得目标角度值与当前实际角度值的变化范围在0°~180°之间；

S4.确定初始转动速度，在角度差值逐渐减小的过程中，通过变速变向控制模块控制转动速度降低。

2.根据权利要求1所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，步骤S2中，获取位姿信息后首先应用卡尔曼滤波方式对目标角度值进行修正以降低异常角度值的错误干扰。

3.根据权利要求2所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，卡尔曼滤波实现公式如下：

其中：n-1为上一时刻，n为当前时刻；k为中间系数，P为均方误差值，

为上一时刻的均方误差值，/>

为当前时刻的均方误差值，X为公式的输入值，/>

为上一时刻观测值；

为当前时刻的观测值，也是公式的输出值；/>

为系统噪声，/>

为量测噪声。

4.根据权利要求1任一项所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，步骤S4中，控制转动速度的动态变化通过使用动态调整速度系数的方式进行控制；速度系数采用二次函数的公式进行调整；公式为

，其中 x∈[0,180]。

5.根据权利要求4所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，步骤S4中，还包括设置起转条件和停止条件，单独适配起转和停转误差要求；

起转条件为：当目标角度值与当前电机的角度值差值在第一阈值以上时，控制程序驱动电机向目标角度转动，当目标角度值与当前电机角度差值小于等于第一阈值时，电机不转动；

停转条件为：在电机开始转动后，当电机当前的角度与目标角度值差值低于第二阈值时，控制程序控制电机停止转动，视为当前对电机的控制结束，所述第一阈值大于所述第二阈值。

6.根据权利要求5所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，所述第一阈值为1°，所述第二阈值为0.2°。

7.根据权利要求6所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，步骤S4中，为了保证对电机的全面控制，电机控制装置实行对电机的闭环控制，闭环控制中的负反馈环节，可自动对输出量进行调节补偿，对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动，均有抗干扰能力。

8.根据权利要求7所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，采用具备状态信息反馈功能的电机以实现闭环控制。

9.根据权利要求8所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法，其特征在于，所述电机实时向控制系统反馈当前电机的位置信息，控制装置获取了电机的位置信息后，结合目标角度值，向电机发送包含转动方向和转动速度信息在内的控制指令，通过变速变向控制模块实现对电机转动过程的控制。

10.一种基于无人机载体使用的天线云台综合控制系统，其特征在于，所述系统包括电机控制装置和变速变向控制模块，实现权利要求1-9任一项所述的基于无人机载体使用的天线云台综合控制方法。

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