TW202223339A - 位移補償方法和設備及速度補償方法和設備 - Google Patents

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Abstract

提供了一種位移補償方法和設備及速度補償方法和設備。該位移補償方法包括：利用光流感測器獲取多旋翼無人機在每個單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移，並利用多旋翼無人機在每個單位時間內相對於被感測平面的實時高度對多旋翼無人機在相應單位時間內的第一和第二實時位移進行高度補償；利用多旋翼無人機在每個單位時間內的經過高度補償的第一和第二實時位移，獲取多旋翼無人機在預定時刻的第一和第二相對位移；以及利用多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面的相對高度、第一歐拉角、以及第二歐拉角，對第一和第二相對位移進行角度補償。

Description

位移補償方法和設備及速度補償方法和設備
本發明涉及無人機領域，尤其涉及一種用於多旋翼無人機的位移補償方法和設備及速度補償方法和設備。
隨著多旋翼無人機技術的發展，多旋翼無人機的使用範圍更加廣泛，多旋翼無人機的飛行及懸停穩定性需求也更加強烈。當前，在室外的全球定位系統(Global Positioning System，GPS)訊號較弱或室內沒有GPS訊號的情況下，光流感測器可用於實現多旋翼無人機的懸停。
光流感測器可以感測多旋翼無人機相對於被感測平面上的起始位置(即，多旋翼無人機在起飛時刻所在的位置)的位移(下面簡稱為多旋翼無人機的相對位移)和移動速度(下面簡稱為多旋翼無人機的相對移動速度)。但是，由於光流感測器為固定在多旋翼無人機底部的感測器，由其測得的多旋翼無人機的相對位移和相對移動速度容易受多旋翼無人機的姿態的影響。另外，由於光流感測器屬於單目攝像頭感測器，具有無法感知高度的缺點，由其測得的多旋翼無人機的相對位移和相對移動速度存在一定程度的失真。
同時，光流感測器存在距離被感測平面越遠針對被感測平面的解析度越低的情況，該情況會導致隨著光流感測器相對於被感測平面的距離的增加，由其測得的多旋翼無人機的相對位移和相對移動速度的準確度降低。
鑒於以上所述的一個或多個問題，本發明提供了一種用於多旋翼無人機的位移補償方法和設備及速度補償方法和設備。
根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償方法， 包括：從多旋翼無人機從被感測平面上的起始位置的起飛時刻開始，利用光流感測器獲取多旋翼無人機在每個單位時間內相對於起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移，並且利用多旋翼無人機在每個單位時間內相對於被感測平面的實時高度，對多旋翼無人機在相應單位時間內的第一實時位移和第二實時位移進行高度補償；利用多旋翼無人機從起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第一實時位移和經過高度補償的第二實時位移，獲取多旋翼無人機在預定時刻相對於起始位置在第一方向上的第一相對位移和在第二方向上的第二相對位移；以及利用多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面的相對高度以及多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角和第二歐拉角，對第一相對位移和第二相對位移進行角度補償。
根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償設備，包括：高度補償裝置，被配置為從多旋翼無人機從被感測平面上的起始位置的起飛時刻開始，利用光流感測器獲取多旋翼無人機在每個單位時間內相對於起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移，並且利用多旋翼無人機在每個單位時間內相對於被感測平面的實時高度，對多旋翼無人機在相應單位時間內的第一實時位移和第二實時位移進行高度補償；位移獲取單元，被配置為利用多旋翼無人機從起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第一實時位移和經過高度補償的第二實時位移，獲取多旋翼無人機在預定時刻相對於起始位置在第一方向上的第一相對位移和在第二方向上的第二相對位移；以及角度補償裝置，被配置為利用多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面的相對高度以及多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角和第二歐拉角，對第一相對位移和第二相對位移進行角度補償。
根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償方法和設備，通過利用多旋翼無人機在每個單位時間內的實時高度對光流感測器在相應單位時間內測得的多旋翼無人機的第一和第二實時位移進行高度補償，利用多旋翼無人機從起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的 經過高度補償的第一和第二實時位移獲取多旋翼無人機在預定時刻的第一和第二相對位移，並利用多旋翼無人機在預定時刻的相對高度、第一歐拉角、和第二歐拉角對多旋翼無人機在預定時刻的第一和第二相對位移進行角度補償，可以得到多旋翼無人機在預定時刻在第一和第二方向的更為準確的第一和第二實際相對位移。
根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償方法，包括：利用光流感測器獲取多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移；利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第一旋轉軸的第一轉動角速度對第一實時位移進行角速度補償，並利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第二旋轉軸的第二轉動角速度對第二實時位移進行角速度補償；以及利用多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面的相對高度，對經過角速度補償的第一實時位移和經過角速度補償的第二實時位移進行高度補償，其中將經過角速度和高度補償的第一實時位移作為多旋翼無人機在預定時刻相對於起始位置在第一方向上的第一相對移動速度，並將經過角速度和高度補償的第二實時位移作為多旋翼無人機在預定時刻相對於起始位置在第二方向上的第二相對移動速度。
根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償設備，包括：速度獲取裝置，被配置為利用光流感測器獲取多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移；角速度補償裝置，被配置為利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第一旋轉軸的第一轉動角速度對第一實時位移進行角速度補償，並利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第二旋轉軸的第二轉動角速度對第二實時位移進行角速度補償；以及高度補償裝置，利用多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面的相對高度，對經過角速度補償的第一實時位移和經過角速度補償的第二實時位移進行高度 補償，其中經過角速度和高度補償的第一實時位移被作為多旋翼無人機在預定時刻相對於起始位置在第一方向上的第一相對移動速度，經過角速度和高度補償的第二實時位移被作為多旋翼無人機在預定時刻相對於起始位置在第二方向上的第二相對移動速度。
根據本發明實施例的速度補償方法和設備，通過利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第一和第二旋轉軸的第一和第二轉動角速度分別對光流感測器在該單位時間內測得的多旋翼無人機的第一實時位移和第二實時位移進行角速度補償，並利用多旋翼無人機在預定時刻的相對高度對經過角速度補償的第一和第二實時位移進行高度補償，可以得到多旋翼無人機在預定時刻在第一和第二方向的更為準確的第一和第二實際相對移動速度。
100:位移補償設備
102:第一高度補償裝置
104:位移獲取裝置
106:角度補償裝置
108:第一低通濾波裝置
200:位移補償方法
300:速度補償設備
302:速度獲取裝置
304:角速度補償裝置
306:第二高度補償裝置
308:第二低通濾波裝置
400:速度補償方法
600:電腦系統
601:處理裝置
602:唯讀記憶體(ROM)
603:隨機存取記憶體(RAM)
604:匯流排
605:輸入/輸出(I/O)介面
606:輸入裝置
607:輸出裝置
608:存儲裝置
609:通訊裝置
S202,S204,S206,S208,S402,S404,S406,S408:步驟
A:角速度限幅
Angle roll :橫滾角
f c :截止頻率
H rela :相對高度
h rela :實時高度
K 1 ,K 2 ,K 3 ,K 4 ,λ:係數
opt x :第一實時位移
opt y :第二實時位移
P:低通濾波係數
R cpi :解析度
S offseth_x :第一相對位移
S offseth_y :第二相對位移
S opt_x :第一實際相對位移
S opt_y :第二實際相對位移
S(n),S(n-1),S opt (n):第一或第二實際相對位移
T:採樣週期
V opt_x :第一相對移動速度
V opt_y :第二相對移動速度
V(n),V(n-1),V opt (n):第一或第二相對移動速度
α,β:解析度特性參數
ω roll :橫滾軸的轉動角速度
ω pitch :俯仰軸的轉動角速度
從下面結合圖式對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：
圖1示出了示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償設備的框圖；
圖2示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償方法的流程圖；
圖3示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償設備的框圖；
圖4示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償方法的流程圖；
圖5示出了光流感測器相對於被感測平面的相對高度與光流感測器針對被感測平面的解析度之間的關係的曲線圖；以及
圖6示出了可以實現根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償方法和裝置的電腦系統的示意圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明絕不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在圖式和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
鑒於使用光流感測器測得的多旋翼無人機相對於被感測平面上的起始位置(即，多旋翼無人機在起飛時刻所在的位置)的位移和移動速度存在的上述問題，本發明提出了一種用於多旋翼無人機的位移補償方法和設備及速度補償方法和設備，其中，由於考慮了多旋翼無人機的姿態及其相對於被感測平面的高度的影響，可以得到多旋翼無人機的更為準確的相對位移和相對移動速度。
這裡，需要說明的是，多旋翼無人機的實時位移是指多旋翼無人機在某個單位時間內相對於被感測平面上的起始位置的實時位移；多旋翼無人機的相對位移是指多旋翼無人機在某個時刻相對於被感測平面上的起始位置的位移；多旋翼無人機的實時高度是指多旋翼無人機在某個單位時間內相對於被感測平面的平均高度；多旋翼無人機的相對高度是指多旋翼無人機在某個時刻相對於被感測平面的高度；多旋翼無人機的相對移動速度是指多旋翼無人機在某個時刻相對於被感測平面上的起始位置的移動速度。
圖1示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償設備100的框圖。圖2示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償方法200的流程圖。下面，結合圖1和圖2，詳細描述根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償設備100和方法200。
如圖1所示，根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償設備100包括第一高度補償裝置102、位移獲取裝置104、以及角度補償裝置106，其中：第一高度補償裝置102被配置為從多旋翼無人機從被感測平面上的起始位置的起飛時刻開始，利用光流感測器獲取多旋翼無人機在每個單位時間內相對於起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移，並且利用多旋翼無人機在每個單位時間內相對於被感測平面的實時高度，對多旋翼無人機在相應單位時間內的第一實時位移和第二實時位移進行高度補償(即，執行步驟S202)。位移獲取裝置104被配置為利用多旋翼無人機從起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第一實時位移和經過高度補償的第二實時位移，獲取多旋翼無人機在預定時刻相對於起始位置在第一方向上的第一相對位移和在第二方向上的第二相對位移(即，執行步驟S204)。角度補償裝置106被配置為利用多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面的相對高度以及多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角和第二歐拉角，對多旋翼無人機在預定時刻的第一相對位移和第二相對位移進行角度補償(即，執行步驟S206)。
根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償方法和設備，通過利用多旋翼無人機在每個單位時間內的實時高度對光流感測器在相應單位時間內測得的多旋翼無人機的第一和第二實時位移進行高度補償，利用多旋翼無人機從起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第一和第二實時位移獲取多旋翼無人機在預定時刻的第一和第二相對位移，並利用多旋翼無人機在預定時刻的相對高度、第一歐拉角、和第二歐拉角對多旋翼無人機在預定時刻的第一和第二相對位移進行角度補償，可以得到多旋翼無人機在預定時刻在第一和第二方向的更為準確的第一和第二實際相對位移。
在一些實施例中，可以定義多旋翼無人機的機頭指向為多旋翼無人機的機體坐標系的橫滾軸方向，定義在水平方向垂直於多旋翼無人機的機頭指向的方向為多旋翼無人機的機體坐標系的俯仰軸方向。多 旋翼無人機的橫滾角為多旋翼無人機的橫滾軸與水平面之間的夾角，多旋翼無人機的俯仰角為多旋翼無人機的俯仰軸與水平面之間的夾角。可以將多旋翼無人機的橫滾角和俯仰角統稱為多旋翼無人機的歐拉角，並且可以將多旋翼無人機的橫滾軸方向和俯仰軸方向分別作為第一方向和第二方向。
這裡，為了簡單，將多旋翼無人機在第一方向的實時位移、相對位移、以及相對移動速度稱為多旋翼無人機的第一實時位移、第一相對位移、以及第一相對移動速度，並且將多旋翼無人機多旋翼無人機在第二方向的實時位移、相對位移、以及相對移動速度稱為多旋翼無人機的第二實時位移、第二相對位移、以及第二相對移動速度。
在一些實施例中，第一高度補償裝置102可以進一步被配置為通過將多旋翼無人機在每個單位時間內的實時高度與多旋翼無人機在相應單位時間內的第一實時位移相乘來對該第一實時位移進行高度補償，並且通過將多旋翼無人機在每個單位時間內的實時高度與多旋翼無人機在相應單位時間內的第二實時位移相乘來對該第二實時位移進行高度補償。
例如，光流感測器測得的多旋翼無人機在某個單位時間內的第一實時位移和第二實時位移分別為opt x 和opt y ，並且多旋翼無人機在該單位時間內的實時高度為h rela ，則多旋翼無人機在該單位時間內的經過高度補償的第一實時位移和經過高度補償的第二實時位移分別為opt x ×h rela 和opt y ×h rela 。這裡，可以將opt x 看作光流感測器測得的多旋翼無人機在該單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一平均移動速度，並且將opt y 看作光流感測器測得的多旋翼無人機在該單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第二方向上的第二平均移動速度。
在一些實施例中，位移獲取裝置104可以進一步被配置為通過將多旋翼無人機從起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第一實時位移進行累加來獲取多旋翼無人機在預定時刻的第一相對位移，並且通過將多旋翼無人機從起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第二實時位移進行累加來獲取多旋翼無人機在預定時刻的第二相對位移。
例如，可以根據以下等式(1)計算多旋翼無人機在預定時刻的第一相對位移和第二相對位移：
Figure 110101837-A0101-12-0008-1
其中，S offseth_x 表示多旋翼無人機在預定時刻的第一相對位移，S offseth_y 表示多旋翼無人機在預定時刻的第二相對位移，opt x 表示多旋翼無人機在每個單位時間內的第一實時位移，opt y 表示多旋翼無人機在每個單位時間內的第二實時位移，h rela 表示多旋翼無人機在每個單位時間內的實時高度，K 1 為將位移規範化到標準單位(例如，釐米)的係數。
在一些實施例中，角度補償裝置106可以進一步被配置為通過以下處理對多旋翼無人機在預定時刻的第一相對位移進行角度補償：利用多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角和相對高度通過乘法運算獲取第一角度補償值，並利用第一角度補償值對多旋翼無人機在預定時刻的第一相對位移進行角度補償。
在一些實施例中，角度補償裝置106可以進一步被配置為通過以下處理對多旋翼無人機在預定時刻的第二相對位移進行角度補償：利用多旋翼無人機在預定時刻的第二歐拉角和相對高度通過乘法運算獲取第二角度補償值，並利用第二角度補償值對多旋翼無人機在預定時刻的第二相對位移進行角度補償。
這裡，可以將多旋翼無人機在預定時刻的經過角度補償的第一相對位移和第二相對位移分別稱為多旋翼無人機在預定時刻的第一實際相對位移和第二實際相對位移。
在一些實施例中，多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角可以是多旋翼無人機在預定時刻的橫滾角，多旋翼無人機在預定時刻的第二歐拉角可以是多旋翼無人機在預定時刻的俯仰角。在這種情況下，可以根據以下等式(2)計算多旋翼無人機在預定時刻的第一實際相對位移 和第二實際相對位移：
Figure 110101837-A0101-12-0009-2
在一些實施例中，多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角可以是多旋翼無人機在預定時刻的俯仰角，多旋翼無人機在預定時刻的第二歐拉角可以是多旋翼無人機在預定時刻的橫滾角。在這種情況下，可以根據以下等式(3)計算多旋翼無人機在預定時刻的第一實際相對位移和第二實際相對位移：
Figure 110101837-A0101-12-0009-3
在等式(2)和等式(3)中，S opt_x 表示多旋翼無人機在預定時刻的第一實際相對位移，S opt_y 表示多旋翼無人機在預定時刻的第二實際相對位移，S offseth_x 表示多旋翼無人機在預定時刻的第一相對位移，S offseth_y 表示多旋翼無人機在預定時刻的第二相對位移，Angle roll 表示多旋翼無人機在預定時刻的橫滾角，H rela 表示多旋翼無人機在預定時刻的相對高度，K 2 為將多旋翼無人機的歐拉角變化導致的位移規範化到標準單位(例如，釐米)的係數。
圖3示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償設備300的框圖。圖4示出了根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償方法400的流程圖。下面，結合圖3和圖4，詳細描述根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償設備300和方法400。
如圖3所示，根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償設備300可以包括速度獲取裝置302、角速度補償裝置304、以及第二高度補償裝置306，其中：速度獲取裝置302被配置為利用光流感測器獲取多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實 時位移(即，執行步驟S402)。角速度補償裝置304被配置為利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第一旋轉軸的第一轉動角速度對多旋翼無人機在該單位時間內的第一實時位移進行角速度補償，並利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第二旋轉軸的第二轉動角速度對多旋翼無人機在該單位時間內的第二實時位移進行角速度補償(即，執行步驟S404)。第二高度補償裝置306被配置為利用多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面的相對高度，對多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的經過角速度補償的第一實時位移和經過角速度補償的第二實時位移進行高度補償(即，執行步驟S406)。
這裡，多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的經過角速度和高度補償的第一實時位移被作為多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一相對移動速度，多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的經過角速度和高度補償的第二實時位移被作為多旋翼無人機在預定時刻相對於被感測平面上的起始位置在第二方向上的第二相對移動速度。
根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償方法和設備，通過利用多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第一和第二旋轉軸的第一和第二轉動角速度分別對光流感測器在該單位時間內測得的多旋翼無人機的第一實時位移和第二實時位移進行角速度補償，並利用多旋翼無人機在預定時刻的相對高度對經過角速度補償的第一和第二實時位移進行高度補償，可以得到多旋翼無人機在預定時刻在第一和第二方向的更為準確的第一和第二實際相對移動速度。
在一些實施例中，第二高度補償裝置306可以進一步被配置為通過將多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的經過角速度補償的第一實時位移與多旋翼無人機在預定時刻的相對高度相乘，來對該經過角速度補償的第一實時位移進行高度補償，並且通過將多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的經過角速度補償的第二實時位 移與多旋翼無人機在預定時刻的相對高度相乘，來對該經過角速度補償的第二實時位移進行高度補償。
在一些實施例中，在多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角和第二歐拉角分別是多旋翼無人機在預定時刻的橫滾角和俯仰角的情況下，可以根據以下等式(4)計算多旋翼無人機在預定時刻的第一相對移動速度和第二相對移動速度：
Figure 110101837-A0101-12-0011-4
在一些實施例中，在多旋翼無人機在預定時刻的第一歐拉角和第二歐拉角分別是多旋翼無人機在預定時刻的俯仰角和橫滾角的情況下，可以根據以下等式(5)計算多旋翼無人機在預定時刻的第一相對移動速度和第二相對移動速度：
Figure 110101837-A0101-12-0011-5
在等式(4)和等式(5)中，V opt_x 表示多旋翼無人機在預定時刻的第一相對移動速度，V opt_y 表示多旋翼無人機在預定時刻的第二相對移動速度，opt x 表示多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的第一實時位移，opt y 表示多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的第二實時位移，ω roll 表示多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其橫滾軸的轉動角速度，ω pitch 表示多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於其俯仰軸的轉動角速度，H rela 表示多旋翼無人機在預定時刻的相對高度，K 3 為將轉動角速度變化帶來的位移規範化到與轉動角速度相對應的標準單位(例如，rad/s)的係數，K 4 為將多旋翼無人機的經過角速度補償的移動速度規範化到標準單位(例如，cm/s)的係數，A為用於角速度補償的橫滾軸及俯仰軸上的角速度限幅，該角速度限幅取決於光流感測器的最大感測角速度。
在一些實施例中，可以利用多旋翼無人機搭載的慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)感測器來獲取多旋翼無人機在 預定時刻的第一和第二歐拉角及多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內的第一和第二轉動角速度，並且可以利用高度感測器來獲取多旋翼無人機在每個單位時間內的實時高度及多旋翼無人機在預定時刻的相對高度。
在一些實施例中，高度感測器可以採用飛行時間(Time of flight，TOF)紅外測距感測器或超聲波感測器等能夠精確測量多旋翼無人機的相對高度的感測器。由於氣壓計感測器存在不定漂移特性，其測量結果會受外界大氣壓強的變化的影響而產生漂移，所以由氣壓計感測器測得的多旋翼無人機的相對高度存在失真。利用多旋翼無人機的存在失真的相對高度對多旋翼無人機在每個單位時間內的實時位移進行補償會導致經過高度補償的實時位移存在失真，這最終會影響多旋翼無人機的飛行及懸停穩定性，甚至會導致多旋翼無人機無法實現懸停。因此，不使用氣壓計感測器作為高度感測器來測量多旋翼無人機的相對高度。
通過根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償設備和方法，可以較高精度地還原多旋翼無人機在懸停及飛行狀態下的相對位移及相對移動速度。例如，在多旋翼無人機處於懸停狀態的情況下，可增加多旋翼無人機的懸停穩定性，降低因多旋翼無人機的姿態調節帶來的控制誤差引入，同時增加後續控制環路中控制參數對不同高度的適應性。在多旋翼無人機處於飛行狀態的情況下，可準確得到多旋翼無人機在飛行過程中的實際位移及移動速度，對後續導航控制及自主飛行路線規劃提供較高精度的位移及移動速度資訊。
通常，光流感測器針對被感測平面的解析度會隨光流感測器與被感測平面的距離的減小而增高，並且隨光流感測器與被感測平面的距離的增大而降低。這裡，光流感測器的解析度單位用每英寸測量點數(Counts per Inch，CPI)表示。由光流感測器測得的多旋翼無人機在每個單位時間內的實時位移及移動速度會受此特性的影響，直觀體現為多旋翼無人機離被感測平面越遠，單位位移內的測量點數越少，即位移及速度資訊的齒感越強，雜訊越多。
因此，在一些實施例中，考慮到光流感測器的上述解析度特性，根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償設備100還可以包括第一低通濾波裝置108，被配置為對多旋翼無人機在預定時刻的第一實際相對位移(即，經過角度補償的第一相對位移)和第二實際相對位移(即，經過角度補償的第二相對位移)進行低通濾波(即，執行步驟S208)。
例如，可以根據以下等式(6)對多旋翼無人機在預定時刻的第一或第二實際相對位移進行低通濾波：
S(n)=S(n-1)+P．(S opt (n)-S(n-1)) (6)
其中，S(n)表示多旋翼無人機在預定時刻的經過低通濾波的第一或第二實際相對位移，S(n-1)表示多旋翼無人機在預定時刻之前的另一時刻的經過低通濾波的第一或第二實際相對位移，S opt (n)為多旋翼無人機在預定時刻的第一或第二實際相對位移。
在一些實施例中，考慮到光流感測器的上述解析度特性，根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的速度補償設備300還可以包括第二低通濾波裝置308，被配置為對多旋翼無人機在預定時刻的第一相對移動速度和第二相對移動速度進行低通濾波(即，執行步驟S408)。
例如，可以根據以下等式(7)對多旋翼無人機在預定時刻的第一或第二相對移動速度進行低通濾波：
V(n)=V(n-1)+P．(V opt (n)-V(n-1)) (7)
其中，V(n)表示多旋翼無人機在預定時刻的經過低通濾波的第一或第二相對移動速度，V(n-1)表示多旋翼無人機在預定時刻之前的另一時刻的經過低通濾波的第一或第二相對移動速度，V opt (n)表示多旋翼無人機在預定時刻的第一或第二相對移動速度。
在一些實施例中，第一低通濾波裝置108和第二低通濾波裝置308可以進一步被配置為：利用光流感測器的解析度特性參數和多 旋翼無人機在預定時刻的相對高度(即，光流感測器在預定時刻的相對高度)，獲取光流感測器在該相對高度針對被感測平面的光流解析度；利用光流解析度獲取用於低通濾波的截止頻率；以及利用用於低通濾波的截止頻率獲取低通濾波係數。
在一些實施例中，可以根據以下等式(8)計算等式(6)和等式(7)中的低通濾波係數P：
Figure 110101837-A0101-12-0014-8
其中，T表示用於低通濾波的採樣週期，f c 表示用於低通濾波的截止頻率。
光流感測器在預定時刻的解析度R cpi 與光流感測器在預定時刻相對於被感測平面的相對高度(即，多旋翼無人機在預定時刻的相對高度H rela )的關係如下：
R cpi =α．(H rela )-β (9)
其中，α，β為光流感測器的解析度特性參數(不同光流感測器的解析度特性參數不同)，可通過光流相關技術手冊或者直接測試得出。圖5示出了光流感測器相對於被感測平面的相對高度與光流感測器針對被感測平面的解析度之間的關係的曲線圖。
在一些實施例中，可以根據以下等式(10)計算用於低通濾波的截止頻率f c ：
f c =λ．R cpi (10)
其中，λ是用於將光流感測器在預定時刻的解析度R cpi 規範到合適的截止頻率範圍內的係數。
這裡，通過將基於光流感測器在預定時刻的解析度得到的截止頻率f c 帶入P即可實現對於多旋翼無人機在預定時刻的第一和第二實際相對位移及第一和第二相對移動速度的低通濾波，從而可以在保證多 旋翼無人機在預定時刻的相對位移和相對移動速度的真實性和實時性前提下，使得多旋翼無人機在預定時刻的相對位移和相對移動速度更加平滑且降低雜訊，以此來增加多旋翼無人機在後續飛行及懸停控制過程中的平滑性和穩定性。
圖6示出了可以實現根據本發明實施例的用於多旋翼無人機的位移補償方法和裝置的電腦系統的示意圖。下面結合圖6，描述適於用來實現本發明的實施例的電腦系統600。應該明白的是，圖6示出的電腦系統600僅是一個示例，不應對本發明的實施例的功能和使用範圍帶來任何限制。
如圖6所示，電腦系統600可以包括處理裝置(例如，中央處理器、圖形處理器等)601，其可以根據存儲在唯讀記憶體(Read Only Memory，ROM)602中的程式或者從存儲裝置608載入到隨機存取記憶體(Random Access Memory，RAM)603中的程式而執行各種適當的動作和處理。在RAM 603中，還存儲有電腦系統600操作所需的各種程式和資料。處理裝置601、ROM 602、以及RAM 603通過匯流排604彼此相連。輸入/輸出(Input/Output，I/O)介面605也連接至匯流排604。
通常，以下裝置可以連接至I/O介面605：包括例如觸控式螢幕、觸控板、攝像頭、加速度計、陀螺儀、感測器等的輸入裝置606；包括例如液晶顯示器(LCD，Liquid Crystal Display)、揚聲器、振動器、電機、電子調速器等的輸出裝置607；包括例如快閃記憶體(Flash Card)等的存儲裝置608；以及通訊裝置609。通訊裝置609可以允許電腦系統600與其他設備進行無線或有線通訊以交換資料。雖然圖6示出了具有各種裝置的電腦系統600，但是應理解的是，並不要求實施或具備所有示出的裝置。可以替代地實施或具備更多或更少的裝置。圖6中示出的每個方框可以代表一個裝置，也可以根據需要代表多個裝置。
特別地，根據本發明的實施例，上文參考流程圖描述的過程可以被實現為電腦軟體程式。例如，本發明的實施例提供一種電腦可讀存儲介質，其存儲電腦程式，該電腦程式包含用於執行圖1所示的位移 補償設備100的程式碼。在這樣的實施例中，該電腦程式可以通過通訊裝置609從網路上被下載和安裝，或者從存儲裝置608被安裝，或者從ROM 602被安裝。在該電腦程式被處理裝置601執行時，實現根據本發明實施例的裝置中限定的上述功能。
需要說明的是，根據本發明實施例的電腦可讀介質可以是電腦可讀訊號介質或者電腦可讀存儲介質或者是上述兩者的任意組合。電腦可讀存儲介質例如可以是──但不限於──電、磁、光、電磁、紅外線、或半導體的系統、裝置或器件，或者任意以上的組合。電腦可讀存儲介質的更具體的例子可以包括但不限於：具有一個或多個導線的電連接、可擕式電腦磁片、硬碟、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除可程式化唯讀記憶體((Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)或快閃記憶體)、光纖、可擕式緊湊光碟唯讀記憶體(Compact Disc Read Only Memory，CD-ROM)、光記憶體件、磁記憶體件、或者上述的任意合適的組合。根據本發明實施例的電腦可讀存儲介質可以是任何包含或存儲程式的有形介質，該程式可以被指令執行系統、裝置或者器件使用或者與其結合使用。另外，根據本發明實施例的電腦可讀訊號介質可以包括在基帶中或者作為載波一部分傳播的資料訊號，其中承載了電腦可讀的程式碼。這種傳播的資料訊號可以採用多種形式，包括但不限於電磁訊號、光訊號或上述的任意合適的組合。電腦可讀訊號介質還可以是電腦可讀存儲介質以外的任何電腦可讀介質，該電腦可讀訊號介質可以發送、傳播或者傳輸用於由指令執行系統、裝置或者器件使用或者與其結合使用的程式。電腦可讀介質上包含的程式碼可以用任何適當的介質傳輸，包括但不限於：電線、光纜、射頻(Radio Frequency，RF)等等，或者上述的任意合適的組合。
可以以一種或多種程式設計語言或其組合來編寫用於執行根據本發明實施例的操作的電腦程式碼，所述程式設計語言包括物件導向的程式設計語言──諸如Java、Smalltalk、C++，還包括常規的過程式程式設計語言──諸如“C”語言或類似的程式設計語言。程式碼可以完全 地在使用者電腦上執行、部分地在使用者電腦上執行、作為一個獨立的套裝軟體執行、部分在使用者電腦上部分在遠端電腦上執行、或者完全在遠端電腦或伺服器上執行。在涉及遠端電腦的情形中，遠端電腦可以通過任意種類的網路──包括區域網路(Local Area Network，LAN)或廣域網路(Wide Area Network，WAN)──連接到使用者電腦，或者，可以連接到外部電腦(例如利用網際網路服務提供者來通過網際網路連接)。
圖式中的流程圖和框圖，圖示了按照本發明的各種實施例的系統、方法和電腦程式產品的可能實現的體系架構、功能、和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模組、程式段、或程式碼的一部分，該模組、程式段、或程式碼的一部分包含一個或多個用於實現規定的邏輯功能的可執行指令。也應當注意，在有些作為替換的實現中，方框中所標注的功能也可以以不同於圖式中所標注的順序發生。例如，兩個接連地表示的方框實際上可以基本並行地執行，它們有時也可以按相反的循序執行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執行規定的功能或操作的專用的基於硬體的系統來實現，或者可以用專用硬體與電腦指令的組合來實現。
描述於本發明的實施例中所涉及到的裝置可以通過軟體的方式實現，也可以通過硬體的方式來實現。所描述的裝置也可以設置在處理器中，例如，可以描述為：一種處理器，包括第一和第二高度補償裝置、位移獲取裝置、角度補償裝置、速度獲取裝置、角速度補償裝置、以及第一和第二低通濾波裝置。其中，這些裝置的名稱在某種情況下並不構成對該裝置本身的限定。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變 從而都被包括在本發明的範圍之中。
200:位移補償方法
S202,S204,S206,S208:步驟

Claims (25)

  1. 一種用於多旋翼無人機的位移補償方法，包括：
    從所述多旋翼無人機從被感測平面上的起始位置的起飛時刻開始，
    利用光流感測器獲取所述多旋翼無人機在每個單位時間內相對於所述起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移，並且
    利用所述多旋翼無人機在每個單位時間內相對於所述被感測平面的實時高度，對所述多旋翼無人機在相應單位時間內的所述第一實時位移和所述第二實時位移進行高度補償；
    利用所述多旋翼無人機從所述起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第一實時位移和經過高度補償的第二實時位移，獲取所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述起始位置在所述第一方向上的第一相對位移和在所述第二方向上的第二相對位移；以及
    利用所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述被感測平面的相對高度以及所述多旋翼無人機在所述預定時刻的第一歐拉角和第二歐拉角，對所述第一相對位移和所述第二相對位移進行角度補償。
  2. 如請求項1所述的位移補償方法，還包括：
    對經過角度補償的第一相對位移和經過角度補償的第二相對位移進行低通濾波。
  3. 如請求項1所述的位移補償方法，其中，通過將所述多旋翼無人機在每個單位時間內的所述實時高度與所述多旋翼無人機在相應單位時間內的所述第一實時位移相乘，來對所述第一實時位移進行高度補償，並且
    通過將所述多旋翼無人機在每個單位時間內的所述實時高度與所述多旋翼無人機在相應單位時間內的所述第二實時位移相乘，來對所述第二實時位移進行高度補償。
  4. 如請求項1所述的位移補償方法，其中，對所述第一相對位移進行角度補償包括：利用所述第一歐拉角和所述相對高度通過乘法運算獲取第 一角度補償值，並利用所述第一角度補償值對所述第一相對位移進行角度補償，並且
    對所述第二相對位移進行角度補償包括：利用所述第二歐拉角和所述相對高度通過乘法運算獲取第二角度補償值，並利用所述第二角度補償值對所述第二相對位移進行角度補償。
  5. 如請求項2所述的位移補償方法，還包括：
    利用所述光流感測器的解析度特性參數和所述相對高度，獲取所述光流感測器在所述相對高度針對所述被感測平面的光流解析度；
    利用所述光流解析度獲取用於低通濾波的截止頻率；以及
    利用所述用於低通濾波的截止頻率獲取低通濾波係數。
  6. 如請求項1所述的位移補償方法，其中，所述第一歐拉角是所述多旋翼無人機的橫滾角，所述第二歐拉角是所述多旋翼無人機的俯仰角，或者
    所述第一歐拉角是所述多旋翼無人機的俯仰角，所述第二歐拉角是所述多旋翼無人機的橫滾角。
  7. 一種用於多旋翼無人機的速度補償方法，包括：
    利用光流感測器獲取所述多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移；
    利用所述多旋翼無人機在最接近所述預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第一旋轉軸的第一轉動角速度對所述第一實時位移進行角速度補償，並利用所述多旋翼無人機在最接近所述預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第二旋轉軸的第二轉動角速度對所述第二實時位移進行角速度補償；以及
    利用所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述被感測平面的相對高度，對經過角速度補償的第一實時位移和經過角速度補償的第二實時位移進行高度補償，其中
    將經過角速度和高度補償的第一實時位移作為所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述起始位置在所述第一方向上的第一相對移動速度，並將經過角速度和高度補償的第二實時位移作為所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述起始位置在所述第二方向上的第二相對移動速度。
  8. 如請求項7所述的速度補償方法，還包括：
    對所述第一相對移動速度和所述第二相對移動速度進行低通濾波。
  9. 如請求項8所述的速度補償方法，還包括：
    利用所述光流感測器的解析度特性參數和所述相對高度，獲取所述光流感測器在所述相對高度針對所述被感測平面的光流解析度；
    利用所述光流解析度獲取用於低通濾波的截止頻率；以及
    利用所述用於低通濾波的截止頻率獲取低通濾波係數。
  10. 如請求項7所述的速度補償方法，其中，通過將所述經過角速度補償的第一實時位移與所述相對高度相乘，來對所述經過角速度補償的第一實時位移進行高度補償，並且
    通過將所述經過角速度補償的第二實時位移與所述相對高度相乘，來對所述經過角速度補償的第二實時位移進行高度補償。
  11. 如請求項7所述的速度補償方法，其中，所述第一旋轉軸是所述多旋翼無人機的橫滾軸，所述第二旋轉軸是所述多旋翼無人機的俯仰軸，或者
    所述第一旋轉軸是所述多旋翼無人機的俯仰軸，所述第二旋轉軸是所述多旋翼無人機的橫滾軸。
  12. 一種用於多旋翼無人機的位移補償設備，包括：
    高度補償裝置，被配置為從所述多旋翼無人機從被感測平面上的起始位置的起飛時刻開始，
    利用光流感測器獲取所述多旋翼無人機在每個單位時間內相對於所述起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移，並且
    利用所述多旋翼無人機在每個單位時間內相對於所述被感測平面的實時高度，對所述多旋翼無人機在相應單位時間內的所述第一實時位移和所述第二實時位移進行高度補償；
    位移獲取裝置，被配置為利用所述多旋翼無人機從所述起飛時刻到預定時刻之間的每個單位時間內的經過高度補償的第一實時位移和經過高度補償的第二實時位移，獲取所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述起始位置在所述第一方向上的第一相對位移和在所述第二方向上的第二相對位移；以及
    角度補償裝置，被配置為利用所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述被感測平面的相對高度以及所述多旋翼無人機在所述預定時刻的第一歐拉角和第二歐拉角，對所述第一相對位移和所述第二相對位移進行角度補償。
  13. 如請求項12所述的位移補償設備，還包括：
    低通濾波裝置，被配置為對經過角度補償的第一相對位移和經過角度補償的第二相對位移進行低通濾波。
  14. 如請求項12所述的位移補償設備，其中，所述高度補償裝置進一步被配置為：
    通過將所述多旋翼無人機在每個單位時間內的所述實時高度與所述多旋翼無人機在相應單位時間內的所述第一實時位移相乘，來對所述第一實時位移進行高度補償，並且
    通過將所述多旋翼無人機在每個單位時間內的所述實時高度與所述多旋翼無人機在相應單位時間內的所述第二實時位移相乘，來對所述第二實時位移進行高度補償。
  15. 如請求項12所述的位移補償設備，其中，所述角度補償裝置進一步被配置為：
    利用所述第一歐拉角和所述相對高度通過乘法運算獲取第一角度補償值，並利用所述第一角度補償值對所述第一相對位移進行角度補償，並且
    利用所述第二歐拉角和所述相對高度通過乘法運算獲取第二角度補償值，並利用所述第二角度補償值對所述第二相對位移進行角度補償。
  16. 如請求項13所述的位移補償設備，其中，所述低通濾波裝置進一步被配置為：
    利用所述光流感測器的解析度特性參數和所述相對高度，獲取所述光流感測器在所述相對高度針對所述被感測平面的光流解析度；
    利用所述光流解析度獲取用於低通濾波的截止頻率；以及
    利用所述用於低通濾波的截止頻率獲取低通濾波係數。
  17. 如請求項12所述的位移補償設備，其中，所述第一歐拉角是所述多旋翼無人機的橫滾角，所述第二歐拉角是所述多旋翼無人機的俯仰角，或者
    所述第一歐拉角是所述多旋翼無人機的俯仰角，所述第二歐拉角是所述多旋翼無人機的橫滾角。
  18. 一種用於多旋翼無人機的速度補償設備，包括：
    速度獲取裝置，被配置為利用光流感測器獲取所述多旋翼無人機在最接近預定時刻的一個單位時間內相對於被感測平面上的起始位置在第一方向上的第一實時位移和在第二方向上的第二實時位移；
    角速度補償裝置，被配置為利用所述多旋翼無人機在最接近所述預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第一旋轉軸的第一轉動角速度對所述第一實時位移進行角速度補償，並利用所述多旋翼無人機在最接近所述預定時刻的一個單位時間內相對於其自身的第二旋轉軸的第二轉動角速度對所述第二實時位移進行角速度補償；以及
    高度補償裝置，被配置為利用所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述被感測平面的相對高度，對經過角速度補償的第一實時位移和經過角速度補償的第二實時位移進行高度補償，其中
    經過角速度和高度補償的第一實時位移被作為所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述起始位置在所述第一方向上的第一相對移動速度， 經過角速度和高度補償的第二實時位移被作為所述多旋翼無人機在所述預定時刻相對於所述起始位置在所述第二方向上的第二相對移動速度。
  19. 如請求項18所述的速度補償設備，還包括：
    低通濾波裝置，被配置為對所述第一相對移動速度和所述第二相對移動速度進行低通濾波。
  20. 如請求項19所述的速度補償設備，所述低通濾波裝置進一步被配置為：
    利用所述光流感測器的解析度特性參數和所述相對高度，獲取所述光流感測器在所述相對高度針對所述被感測平面的光流解析度；
    利用所述光流解析度獲取用於低通濾波的截止頻率；以及
    利用所述用於低通濾波的截止頻率獲取低通濾波係數。
  21. 如請求項18所述的速度補償設備，其中，所述高度補償裝置進一步被配置為：
    通過將經過角速度補償的第一實時位移與所述相對高度相乘，來對所述經過角速度補償的第一實時位移進行高度補償，並且
    通過將經過角速度補償的第二實時位移與所述相對高度相乘，來對所述經過角速度補償的第二實時位移進行高度補償。
  22. 如請求項18所述的速度補償設備，其中，所述第一旋轉軸是所述多旋翼無人機的橫滾軸，所述第二旋轉軸是所述多旋翼無人機的俯仰軸，或者
    所述第一旋轉軸是所述多旋翼無人機的俯仰軸，所述第二旋轉軸是所述多旋翼無人機的橫滾軸。
  23. 一種用於多旋翼無人機的位移補償設備，包括：
    記憶體，其上存儲有電腦可執行指令；以及
    一個或多個處理器，被配置為執行所述電腦可執行指令以實現如請求項1至6中任一項所述的位移補償方法。
  24. 一種用於多旋翼無人機的速度補償設備，包括：
    記憶體，其上存儲有電腦可執行指令；以及
    一個或多個處理器，被配置為執行所述電腦可執行指令以實現如請求項7至11中任一項所述的速度補償方法。
  25. 一種電腦可讀存儲介質，其上存儲有電腦可讀指令，所述電腦可讀指令在被一個或多個處理器執行時，使得所述一個或多個處理器執行如請求項1至6中任一項所述的位移補償方法或如請求項7至11中任一項所述的速度補償方法。
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