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CN106843245B - 一种无人机姿态控制方法、装置及无人机 - Google Patents

一种无人机姿态控制方法、装置及无人机 Download PDF

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CN106843245B CN201611088682.1A CN201611088682A CN106843245B CN 106843245 B CN106843245 B CN 106843245B CN 201611088682 A CN201611088682 A CN 201611088682A CN 106843245 B CN106843245 B CN 106843245B
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    • G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种无人机姿态控制方法、装置及无人机，涉及无人机技术领域，其中的方法包括：确定需要调整的姿态角偏差，将姿态角偏差的调整区间划分为N个角速度控制区间，在调整中根据与N个角速度控制区间相对应的对应关系对姿态调整角速率进行控制。本发明的无人机姿态控制方法、装置及无人机，将姿态角偏差的调整区间划分为多个角速度控制区间，可以在姿态调整初期使用快速比例控制，加快响应速度，快速消除误差，在姿态调整后期采用反抛物线控制算法，可以减小超调量，能够提高无人机姿态调整以及飞行的稳定性，提高飞行的安全系数，能够提高用户体验。

Description

一种无人机姿态控制方法、装置及无人机
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机姿态控制方法、装置及无人机。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。操控者利用遥控终端的控制杆调节无人机的俯仰角、滚转角姿态以及旋翼的倾斜角度，使无人机获得加速度，也可以通过调节无人机的旋翼的角度，使得无人机在俯仰或滚转姿态不变的情况下实现纵向和横侧向飞行。目前，在对无人机的姿态进行控制时，无人机的姿态控制回路计算期望的姿态角与通过航姿参考系统解算得到的无人机的姿态角的差值，将此差值作为地面坐标系下姿态角偏差，并经过比例控制器得到地面坐标系下期望的姿态调整角速率，采用此姿态调整角速率调整姿态角度。在使用比例控制器对姿态调整角速率进行控制时，如果比例参数过大，则姿态调整角速率过高，使得姿态调整的响应速度快但易超调引起低频振荡，如果比例参数过小，则姿态调整角速率过小，可以减小超调量但姿态调整的响应速度慢，影响无人机的性能并降低用户体验。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种无人机姿态控制方法、装置及无人机。
根据本发明的一个方面，提供一种无人机姿态控制方法，包括：根据无人机需要调整的目标姿态角度，以及无人机当前的实际姿态角度确定需要调整的姿态角偏差；
将所述姿态角偏差的调整区间划分为N个角速度控制区间，并确定在每个角速度控制区间中的姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系；其中，所述N大于等于2；将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度，其中，在调整中根据与所述N个角速度控制区间相对应的对应关系对所述姿态调整角速率进行控制。
可选地，所述对应关系包括：比例函数关系、反抛物线函数关系。
可选地，所述将所述姿态角偏差的调整区间划分为N个角速度控制区间包括：将所述姿态角偏差的数值区间划分为连续的第一角速度控制区间和第二角速度控制区间，其中，所述第一角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值小于所述第二角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值；所述确定在每个角速度控制区间中的姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系包括：在所述第一角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为比例函数关系；在所述第二角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为反抛物线函数关系。
可选地，所述在调整中根据与所述N个角速度控制区间相对应的对应关系对所述姿态调整角速率进行控制包括：在所述第一角速度控制区间中，基于所述姿态角偏差值、并根据所述比例函数关系对所述姿态调整角速率进行控制；实时获取所述姿态角偏差值，当确定所述姿态角偏差值增大至所述第一角速度控制区间与所述第二角速度控制区间的区间界限值时，基于所述姿态角偏差值、并切换为所述反抛物线函数关系对所述姿态调整角速率进行控制。
可选地，确定所述比例函数关系
Ratedes＝kp·Atterror；
其中，Ratedes为所述姿态调整角速率，kp为比例控制参数，kp＞0，Atterror为所述姿态角偏差值；确定所述反抛物线函数关系为：
Figure BDA0001168229290000031
其中，a为旋转加速度的最大阈值。
可选地，确定所述区间界限值
Figure BDA0001168229290000032
可选地，所述目标姿态角度与所述实际姿态角度为俯仰角度、偏航角度、滚转角度中的一个或多个。
根据本发明的另一方面，提供一种无人机姿态控制装置，包括：调整数据获取模块，用于获取无人机需要调整的目标姿态角度；姿态数据获取模块，用于获取无人机当前的实际姿态角度；控制参数设定模块，用于根据所述目标姿态角度与所述实际姿态角度确定需要调整的姿态角偏差，将所述姿态角偏差的调整区间划分为N个角速度控制区间，并确定在每个角速度控制区间中的姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系；其中，所述N大于等于2；姿态角度控制模块，用于将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度，其中，在调整中根据与所述N个角速度控制区间相对应的对应关系对所述姿态调整角速率进行控制。
可选地，所述对应关系包括：比例函数关系、反抛物线函数关系。
可选地，所述控制参数设定模块，包括：区间划分单元，用于将所述姿态角偏差的数值区间划分为连续的第一角速度控制区间和第二角速度控制区间，其中，所述第一角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值小于所述第二角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值；控制函数确定单元，用于在所述第一角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为比例函数关系；在所述第二角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为反抛物线函数关系。
可选地，所述姿态角度控制模块，包括：第一调整单元，用于在所述第一角速度控制区间中，基于所述姿态角偏差值、并根据所述比例函数关系对所述姿态调整角速率进行控制；第二调整单元，用于通过所述姿态数据获取模块实时获取所述姿态角偏差值，当确定所述姿态角偏差值增大至所述第一角速度控制区间与所述第二角速度控制区间的区间界限值时，基于所述姿态角偏差值、并切换为所述反抛物线函数关系对所述姿态调整角速率进行控制。
可选地，所述控制函数确定单元确定所述比例函数关系
Ratedes＝kp·Atterror；
其中，Ratedes为所述姿态调整角速率，kp为比例控制参数，kp＞0，Atterror为所述姿态角偏差值；所述控制函数确定单元确定所述反抛物线函数关系
Figure BDA0001168229290000041
其中，a为旋转加速度的最大阈值。
可选地，所述控制函数确定单元确定所述区间界限值
Figure BDA0001168229290000042
可选地，所述目标姿态角度与所述实际姿态角度为俯仰角度、偏航角度、滚转角度中的一个或多个。
根据本发明的又一方面，提供一种无人机，包括：如上所述的无人机姿态控制装置
根据本发明的再一方面，提供一种无人机姿态控制装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如上所述的无人机姿态控制。
本发明的无人机姿态控制方法、装置及无人机，将姿态角偏差的调整区间划分为多个角速度控制区间，在调整中根据与角速度控制区间相对应的对应关系对姿态调整角速率进行控制，可以在姿态调整初期使用快速比例控制，使用较大的比例参数，加快响应速度，快速消除误差，在姿态调整后期采用反抛物线控制算法，能够限制调整中的角加速度，可以减小超调量，得到期望的姿态角速率，能够提高无人机姿态调整以及飞行的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的无人机姿态控制方法的一个实施例的流程示意图；
图2为根据本发明的无人机姿态控制方法的一个实施例的控制逻辑示意图；
图3为根据本发明的无人机姿态控制装置的一个实施例的模块示意图；
图4为根据本发明的无人机姿态控制装置的一个实施例中的控制参数设定模块的模块示意图；
图5为根据本发明的无人机姿态控制装置的一个实施例中的姿态角度控制模块的模块示意图；
图6为根据本发明的无人机姿态控制装置的另一个实施例的模块示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。下面结合各个图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。
下文中的“第一”、“第二”等仅用于描述上相区别，并没有其它特殊的含义。
图1为根据本发明的无人机姿态控制方法的一个实施例的流程示意图，如图1所示：
步骤101，获取无人机需要调整的目标姿态角度，以及无人机当前的实际姿态角度。
目标姿态角度与实际姿态角度为三通道的姿态角，即俯仰角度、偏航角度、滚转角度中的一个或多个。无人机的实际姿态角度可以通过分析处理加速度计、陀螺仪以及磁罗盘等传感器采集的数据获得，无人机的位置、速度可以通过分析处理GP、超声波传感器、视觉传感器等传感器获得的数据获得。
步骤102，根据目标姿态角度与实际姿态角度确定需要调整的姿态角偏差。
根据需要调整的目标姿态角度与通过航姿参考系统解算得到的当前姿态角计算姿态角偏差Atterror＝Attdes-Attrel，例如，在航姿参考系统的坐标系中，可以获取无人机在X轴、Y轴与Z轴的俯仰角度、偏航角度、滚转角度的姿态角偏差。Attdes为需要调整的目标姿态角度，为根据遥控器操作杆的输入按比例得到的期望姿态角或由无人机的期望位置计算得到的目标姿态角度，Attrel为实际姿态角度。本发明不限制航姿参考系统的坐标系的设置方式。
步骤103，将姿态角偏差的调整区间划分为N个角速度控制区间，N大于等于2，并确定在每个角速度控制区间中的姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系。
基于航姿参考系统的坐标系，姿态角偏差可以为正数或负数。姿态角偏差的调整区间为将无人机的姿态角度调整到目标姿态角度的过程中姿态角偏差的数值区间。例如，姿态角偏差为正20度，则[0，20]为姿态角偏差的调整区间。将姿态角偏差的调整区间[0，20]划分为3个角速度控制区间，分别为[0,5]、[0,10]、[10,20]，确定在角速度控制区间[0,5]、[0,10]、[10,20]中的姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系。对应关系可以为多种函数关系，例如比例函数关系、反抛物线函数关系等。
步骤104，在调整中根据与N个角速度控制区间相对应的对应关系对姿态调整角速率进行控制，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角度。
在无人机的飞行过程中，通过控制无人机的油门舵量、副翼舵量、升降舵量与方向舵量等实现对无人机的姿态角度调整，通过调整俯仰角、偏航角和滚转角，将无人机的姿态角度调整到目标姿态角度，以使得无人机符合当前需要执行的飞行动作。
在一个实施例中，将姿态角偏差的数值区间划分为连续的第一角速度控制区间和第二角速度控制区间，第一角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值小于第二角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值。在第一角速度控制区间中，确定姿态调整角速率与姿态角偏差值为比例函数关系。例如，确定的比例函数关系为：
Ratedes＝kp·Atterror；
Ratedes为姿态调整角速率，kp为比例控制参数，kp＞0，Atterror为姿态角偏差值。可以根据飞机动力系统、飞机起飞质量等选择kp的值，以六轴的无人机为例，飞机起飞重量32kg，单桨拉力5.4kg，则可取kp＝4.0。
在第二角速度控制区间中，确定姿态调整角速率与姿态角偏差值为反抛物线函数关系。例如，确定的反抛物线函数关系为：
Figure BDA0001168229290000071
a为旋转加速度的最大阈值，单位为m/s2，a＞0，a与飞机的质量有关，例如，对于六轴无人机，可取a＝1000deg/s2。
在第一角速度控制区间中，基于姿态角偏差值、并根据比例函数关系对姿态调整角速率进行控制。实时获取姿态角偏差值，当确定姿态角偏差值增大至第一角速度控制区间与第二角速度控制区间的区间界限值时，基于姿态角偏差值、并切换为反抛物线函数关系对姿态调整角速率进行控制。
可以分别获取俯仰角度、偏航角度、滚转角度需要调整的姿态角偏差，将3个姿态角偏差的调整区间分别划分出角速度控制区间，并确定在每个角速度控制区间中的姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系。在调整中分别根据与俯仰角度、偏航角度、滚转角度的角速度控制区间相对应的对应关系对俯仰角度、偏航角度、滚转角度的姿态调整角速率进行控制。
如图2所示，以对姿态角度中的俯仰角的调整为例，图中的横坐标Att_err为姿态角偏差，即俯仰角的偏差，俯仰角的偏差大于0，纵坐标Rate_des为姿态调整角速率，即俯仰角的姿态调整角速率。设置2个角速度控制区间，确定区间界限值为：
Figure BDA0001168229290000081
对无人机的俯仰角调整的角速度控制区间，以及姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系为：
Figure BDA0001168229290000082
由上可知，直线函数的斜率为kp，即为设计的比例控制参数，kp>0，kp越大，直线越抖，其物理意义为姿态调整角速率(纵坐标)的响应也越快，但过快了随之会带来较大的超调量。当达到与反抛物的交点时，切换至反抛物线控制方式，平缓地达到期望的姿态调整角速率，而不会有超调量。
上述实施例提供的无人机姿态控制方法，将姿态角偏差的调整区间划分为多个角速度控制区间，在调整中根据与角速度控制区间相对应的对应关系对姿态调整角速率进行控制，可以在姿态调整初期使用快速比例控制，使用较大的比例参数，加快响应速度，快速消除误差，在姿态调整后期采用反抛物线控制算法，能够限制调整中的角加速度，可以减小超调量，得到期望的姿态角速率。
在一个实施例中，如图3所示，本发明提供一种无人机姿态控制装置30，包括：调整数据获取模块31、姿态数据获取模块32、控制参数设定模块33和姿态角度控制模块34等。调整数据获取模块31获取无人机需要调整的目标姿态角度。姿态数据获取模块32获取无人机当前的实际姿态角度。
控制参数设定模块33根据目标姿态角度与实际姿态角度确定需要调整的姿态角偏差，将姿态角偏差的调整区间划分为N个角速度控制区间，并确定在每个角速度控制区间中的姿态调整角速率与姿态角偏差值的对应关系，其中，N大于等于2。姿态角度控制模块34将无人机的姿态角度调整到目标姿态角度，其中，在调整中根据与N个角速度控制区间相对应的对应关系对姿态调整角速率进行控制。对应关系包括：比例函数关系、反抛物线函数关系等。目标姿态角度与实际姿态角度为俯仰角度、偏航角度、滚转角度中的一个或多个。
如图4所示，控制参数设定模块33包括：区间划分单元331和控制函数确定单元332。区间划分单元331将姿态角偏差的数值区间划分为连续的第一角速度控制区间和第二角速度控制区间，其中，第一角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值小于第二角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值。控制函数确定单元332在第一角速度控制区间中，确定姿态调整角速率与姿态角偏差值为比例函数关系。在第二角速度控制区间中，确定姿态调整角速率与姿态角偏差值为反抛物线函数关系。
控制函数确定单元332确定比例函数关系为：
Ratedes＝kp·Atterror；
Ratedes为姿态调整角速率，kp为比例控制参数，kp＞0，Atterror为姿态角偏差值。
控制函数确定单元332确定反抛物线函数关系为：
Figure BDA0001168229290000101
其中，a为旋转加速度的最大阈值。
控制函数确定332单元确定区间界限值为：
Figure BDA0001168229290000102
如图5所示，姿态角度控制模块34包括：第一调整单元341和第二调整单元342。第一调整单元341在第一角速度控制区间中，基于姿态角偏差值、并根据比例函数关系对姿态调整角速率进行控制。第二调整单元342通过姿态数据获取模块实时获取姿态角偏差值，当确定姿态角偏差值增大至第一角速度控制区间与第二角速度控制区间的区间界限值时，基于姿态角偏差值、并切换为反抛物线函数关系对姿态调整角速率进行控制。
在一个实施例中，本发明提供一种无人机，包括：如上的无人机姿态控制装置。
图6为根据本发明的无人机姿态控制装置的另一个实施例的模块示意图。如图6所示，该装置可包括存储器61、处理器62、通信接口63以及总线64。存储器61用于存储指令，处理器62耦合到存储器61，处理器62被配置为基于存储器61存储的指令执行实现上述的无人机姿态控制方法。
存储器61可以为高速RAM存储器、非易失性存储器(non-volatile memory)等，存储器61也可以是存储器阵列。存储器61还可能被分块，并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。处理器62可以为中央处理器CPU，或专用集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明的无人机姿态控制方法的一个或多个集成电路。
上述实施例提供的无人机姿态控制方法、装置及无人机，将姿态角偏差的调整区间划分为多个角速度控制区间，在调整中根据与角速度控制区间相对应的对应关系对姿态调整角速率进行控制，可以在姿态调整初期使用快速比例控制，使用较大的比例参数，加快响应速度，快速消除误差，在姿态调整后期采用反抛物线控制算法，能够限制调整中的角加速度，可以减小超调量，得到期望的姿态角速率，能够提高无人机姿态调整以及飞行的稳定性，提高飞行的安全系数，能够提高用户体验。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种无人机姿态控制方法，其特征在于，包括：
根据无人机需要调整的目标姿态角度，以及无人机当前的实际姿态角度确定需要调整的姿态角偏差；
将所述姿态角偏差的数值区间划分为连续的第一角速度控制区间和第二角速度控制区间，在所述第一角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为比例函数关系，在所述第二角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为反抛物线函数关系；
其中，确定所述反抛物线函数关系
Figure FDF0000008927590000011
kp为比例控制参数，kp>0，Atterror为所述姿态角偏差值，a为旋转加速度的最大阈值；
确定所述比例函数关系
Ratedes＝kp·Atterror；
Ratedes为所述姿态调整角速率；
确定所述区间界限值
Figure FDF0000008927590000012
将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度，其中，在调整中根据与两个角速度控制区间相对应的函数关系对所述姿态调整角速率进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值小于所述第二角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在调整中根据与所述两个角速度控制区间相对应的对应关系对所述姿态调整角速率进行控制包括：
在所述第一角速度控制区间中，基于所述姿态角偏差值、并根据所述比例函数关系对所述姿态调整角速率进行控制；
实时获取所述姿态角偏差值，当确定所述姿态角偏差值增大至所述第一角速度控制区间与所述第二角速度控制区间的区间界限值时，基于所述姿态角偏差值、并切换为所述反抛物线函数关系对所述姿态调整角速率进行控制。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述目标姿态角度与所述实际姿态角度为俯仰角度、偏航角度、滚转角度中的一个或多个。
5.一种无人机姿态控制装置，其特征在于，包括：
调整数据获取模块，用于获取无人机需要调整的目标姿态角度；
姿态数据获取模块，用于获取无人机当前的实际姿态角度；
控制参数设定模块，包括：
区间划分单元，用于将所述姿态角偏差的数值区间划分为连续的第一角速度控制区间和第二角速度控制区间；
控制函数确定单元，用于在所述第一角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为比例函数关系；在所述第二角速度控制区间中，确定所述姿态调整角速率与所述姿态角偏差值为反抛物线函数关系；
其中，确定所述反抛物线函数关系
Figure FDF0000008927590000031
kp为比例控制参数，kp>0，Atterror为所述姿态角偏差值，a为旋转加速度的最大阈值；
确定单元确定所述比例函数关系
Ratedes＝kp·Atterror；
Ratedes为所述姿态调整角速率；
确定所述区间界限值
Figure FDF0000008927590000032
姿态角度控制模块，用于将无人机的姿态角度调整到所述目标姿态角度，其中，在调整中根据与两个角速度控制区间相对应的函数关系对所述姿态调整角速率进行控制。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述第一角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值小于所述第二角速度控制区间中的姿态角偏差值的绝对值。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述姿态角度控制模块，包括：
第一调整单元，用于在所述第一角速度控制区间中，基于所述姿态角偏差值、并根据所述比例函数关系对所述姿态调整角速率进行控制；
第二调整单元，用于通过所述姿态数据获取模块实时获取所述姿态角偏差值，当确定所述姿态角偏差值增大至所述第一角速度控制区间与所述第二角速度控制区间的区间界限值时，基于所述姿态角偏差值、并切换为所述反抛物线函数关系对所述姿态调整角速率进行控制。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述目标姿态角度与所述实际姿态角度为俯仰角度、偏航角度、滚转角度中的一个或多个。
9.一种无人机，其特征在于，包括：
如权利要求5至8任一项所述的无人机姿态控制装置。
10.一种无人机姿态控制装置，其特征在于，包括：
存储器；以及
耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1至4中任一项所述的无人机姿态控制。
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