JP2016043927A - 投げスタートにおける回転翼の無人機を動的に制御する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】予測フィルタ高度推定器を初期化し、モータの電源を切った状態で、ユーザによって空中に無人機が投げられ、自由落下状態を検出するステップ202と、モータの電源を投入し、高度制御手段の開ループ作動および姿勢制御手段の閉ループ作動を高速始動させるステップ204と、高度制御手段の閉ループ作動および姿勢制御手段の閉ループ作動によって無人機を安定化させるステップ206と、無人機の角速度全体が所定のしきい値より小さくなるように安定化状態を検出するステップと、安定化状態が検出されると、無人機が安定的なリフト状態にあり、ユーザによる操縦が可能な最終段階に切り替わるステップ208とを含む。
【選択図】図4
Description
無人機のモータの電源が切られているため、ロータが停止している初期状態と、
無人機がリフト状態、すなわち、無人機の水平速度および垂直速度がゼロまたはほぼゼロであるとともに、無人機の傾きも同様である最終状態と、
の間の移行を確保する無人機の自動制御に関する。
初期速度ゼロでの単純なリリース(release)または若干速い初期インパルス速度での未知の方向(やや上向き、やや水平等)に向けたスロー(throw)、
フラットスローまたは角速度成分を持たせた「スピン」スロー、
ユーザが無人機を放つまたは投げる地面からの高さ、
外部条件、例えば、風、地面効果または近傍の壁の効果等、
のように、初期状態の変動幅が非常に大きい場合があり、事前に予測不能であるため、このような安定化の確保は一層困難である。
a)予測フィルタ推定器を初期化するステップと、
b)モータの電源が切られた初期状態からユーザによって空中に無人機が投げられるステップと、
c)所定の最短時間の間に、無人機の加速度のノルムが所定のしきい値より低いような自由落下状態を検出するステップと、
d)前記自由落下状態を検出すると、
モータの電源投入、
高度制御手段の開ループ作動、及び
姿勢制御手段の閉ループ作動、
によって高速始動するステップと、
e)その後、少なくとも、モータの前記電源投入の応答時間に等しい期間後、
高度制御手段の閉ループ作動、
姿勢制御手段の閉ループ作動、及び
によって無人機を安定化させるステップと、
f)無人機の角速度全体のノルム(|Ω|)が所定のしきい値より小さいような安定化状態を検出するステップと、
g)安定化状態を検出すると、最終状態に切り替えるステップと、
を含む。
予測フィルタ推定器を初期化するステップa)は、1mから2mの範囲の高度変数で状態ベクトルを初期化し、正方向上向きで0から200cm/sの範囲の垂直速度変数で状態ベクトルを初期化し、および/または、100mm/sから2000mm/sの範囲の値で無人機の初期速度の信頼区間を初期化するステップを含み、
ステップd)において、開ループで作動された高度制御手段は、高度推定器の初期状態に対応する固定の高度設定値に基づいて動作し、
ステップe)において、閉ループで作動された高度制御手段は、予め定められた固定の高度設定値に基づいて動作し、
ステップd)およびステップe)において、閉ループで作動された姿勢制御手段は、ゼロ調整設定値とゼロ角速度設定値で向かう現在の機首方位(heading)に対応する機首方位設定値に基づいて動作する。
[無人機のモータの制御およびサーボ制御]
無人機のさまざまな制御およびサーボ制御要素のブロック図である図3を参照しながら、無人機のモータの操縦用設定値を緻密に調整する方法を概略的に説明する。
[無人機の高度の推定]
以下、高度推定回路124および推定高度値補正/補償回路132の動作方法について説明する。
超音波センサ(USセンサ)144によって受け渡される信号と、
気圧計センサ146によって受け渡される信号と、
148において、加速度計110によって受け渡される信号と、
を受信する。
一方では、加速度計信号、他方では、無人機の動的モデリングの手段によって瞬時に無人機の高度を予測することを含む、フィルタの反復毎に実行される予測段階と、
USセンサ144および気圧計センサ146によって受け渡される現在の測定値を用いて、予測を補正することを含む調節段階(以下にさらに説明するように、USセンサは常時利用できるわけではないため、このステップは反復毎に必ずしも実行されない)と、
で連続して動作する。
開始点(初期位置)に対する無人機の高度と、
垂直速度Vzと、
加速度計のバイアスと、
気圧計センサ146によって受け渡される圧力測定値のバイアスと、
を使用し推定する。
[投げスタートの制御]
図4は、モータの電源が切られた状態(ステップ200)の初期状態から、安定化されたホバリング飛行状態(ステップ208)の最終状態に無人機を切り替える異なるステップを詳述するフローチャートである。
ほぼ肩の高さの高度、すなわち、約1.50m(典型的には、1〜2m)、および
70cm/s(典型的には、0〜200cm/s)の正方向上向きの垂直速度、
を選択することによって修正される。
USセンサ144によって測定された高度(すなわち、高度推定器124が収束する方向の値)、
カルマンフィルタ142によって生成されるような高度推定値、および
ゼロに等しい一定の高度基準値、
が示されている。
Claims (7)
- 回転翼の無人機(10)を動的に制御する方法であって、姿勢、高度および速度において前記無人機を操縦するように異なるモータコマンドが適用されるモータ(18)それぞれによって駆動される複数のロータ(20)を有する方法であって、
この方法は、
前記無人機のモータの電源が切られている初期状態から、
前記無人機がリフト状態にある最終状態であって当該最終状態から無人機がユーザによって操縦可能になる最終状態への遷移の動作方法であり、
前記回転翼無人機は、
前記無人機の加速値を受け渡すようにされた加速度計手段(110)と、
前記無人機の角速度値を受け渡すようにされたジャイロメータ手段(102)と、
前記無人機の高度値を受け渡すようにされた高度計手段(124)と、
高度設定値に基づいて動作するサーボ制御ループを備える高度制御手段(132〜138)と、
姿勢設定値に基づいて動作するサーボ制御ループを備える姿勢制御手段(104、106、112)と、
を備え、
前記方法は、
前記モータが切られた状態の前記初期状態から前記無人機を空中に投げるステップと、
前記モータの電源を投入し、前記高度制御手段および前記姿勢制御手段を作動させるステップと、
前記最終状態でリフト条件で前記無人機を安定化させるステップと、
を有し、
前記方法は、
前記高度計手段が、前記無人機の動的モデルの表現を組み込み、高度および水平速度変数を含む状態ベクトルに基づいて動作する予測フィルタ推定器(142)を備え、
前記方法は、以下の連続するステップ、すなわち、
a)前記予測フィルタ推定器を初期化するステップ(202)と、
b)前記モータの電源を切った状態で、前記初期状態(LL)から前記ユーザによって空中に前記無人機を投げるステップと、
c)所定の最短時間の間に、前記無人機の加速度のノルム(|γ|)が所定のしきい値より低いような自由落下(FF)状態を検出するステップと、
d)前記自由落下状態を検出すると、
前記モータの電源の投入、
前記高度制御手段の開ループ作動、及び
前記姿勢制御手段の閉ループ作動によって、高速始動するステップ(204)と、
e)その後、少なくとも、前記モータの前記電源投入の応答時間に等しい期間期間後、
前記高度制御手段の閉ループ作動、及び
前記姿勢制御手段の閉ループ作動によって、前記無人機を安定化させるステップ(206)と、
f)前記無人機の角速度全体のノルム(|Ω|)が所定のしきい値(S)より小さいような安定化状態を検出するステップと、
g)前記安定化状態を検出すると、最終状態に切り替えるステップ(208)と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記予測フィルタ推定器を初期化する前記ステップa)は、1mから2mの範囲の高度変数で前記状態ベクトルを初期化するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記予測フィルタ推定器を初期化する前記ステップa)は、正方向上向きで0から200cm/sの範囲の垂直速度変数で状態ベクトルを初期化するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記予測フィルタ推定器を初期化する前記ステップa)は、100mm/sから2000mm/sの範囲の値で前記無人機の初期速度の信頼区間を初期化するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップd)において、開ループで作動された前記高度制御手段は、前記高度推定器の初期状態に対応する固定の高度設定値に基づいて動作する、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップe)において、閉ループで作動された前記高度制御手段は、予め定められた固定の高度設定値に基づいて動作する、請求項1に記載の方法。
- 前記ステップd)および前記ステップe)において、閉ループで作動された前記姿勢制御手段は、ゼロ調整設定値とゼロ角速度設定値で向かう現在の機首方位に対応する機首方位設定値に基づいて動作する、請求項1に記載の方法。
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