CN112595317B - 无人机起飞控制方法、系统、介质、计算机设备、无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机控制技术领域，公开了一种无人机起飞控制方法、系统、介质、计算机设备、无人机，通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量，通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计。在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。本发明起飞前利用配置的固定航向角进行航向解算，在起飞脱离磁干扰环境后，切换回利用磁罗盘数据进行航向解算。有效解决外部环境存在磁场干扰情况下的起飞稳定性问题。既解决了起飞时的稳定问题，又保证了脱离干扰环境后的解算精度。
Description
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，尤其涉及一种无人机起飞控制方法、系统、介质、计算机设备、无人机。
背景技术
目前，使用磁罗盘进行导航的无人机，在摆放环境存在磁场干扰的情况下，起飞时可能出现位置漂移和姿态不稳定的情况，严重时将导致飞机失控甚至炸机。大部分的无人机都会使用磁罗盘来进行航向角的解算，或利用磁罗盘和惯性传感器的融合来进行姿态的解算。磁罗盘通过检测地磁场来指示方向，由于地磁场强度非常微弱，极易受到金属物体或电磁设备的干扰。利用磁罗盘进行航向解算的无人机，当摆放的外部环境存在金属物体或电磁设备时，由于微弱的地磁场受到了周围磁场环境的干扰，导致无人机的航向解算存在很大的偏差，从而引起姿态和速度解算的偏差，导致无人机位置漂移。当无人机的摆放环境存在磁场干扰时，航向角的解算存在较大的误差，影响姿态和速度的估计也出现较大的误差，从而引起无人机位置的漂移。因此，设计一种无人机在磁干扰环境下的起飞方法是本领域亟待解决的问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：当无人机的摆放环境存在磁场干扰时，航向角的解算存在较大的误差，影响姿态和速度的估计也出现较大的误差，从而引起无人机位置的漂移。
解决以上问题及缺陷的难度为：基于体积、成本等多方面因素，大部分无人机有且仅有磁罗盘来作为获取航向信息的传感器。由于地球磁场强度非常微弱，磁罗盘极易受到地面金属物体或电磁设备的干扰，导致无人机无法正常起飞。而一旦无人机起飞到达空旷环境后，磁场干扰减弱，使用磁罗盘作为获取航向信息的传感器仍然是最优的选择。所以，一种可以有效保证无人机在地表磁场干扰环境中稳定起飞的低成本方案是一个亟待解决的问题。
解决以上问题及缺陷的意义为：当无人机仅有磁罗盘作为航向信息的传感器时，通过软件方案解决无人机起飞环境中存在强磁场干扰的情况，使无人机在干扰条件下能够稳定起飞，可以在不增加任何额外成本的情况下有效解决磁干扰问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机起飞控制方法、系统、介质、计算机设备、无人机。
本发明是这样实现的，一种无人机起飞控制方法，所述无人机起飞控制方法通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量，通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计；在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。
进一步，所述无人机起飞控制方法包括以下步骤：
步骤一：利用世界地磁场模型(WMM)对无人机摆放的外部磁场环境进行检测。根据全球卫星定位系统提供的飞机所处位置的经纬度和海拔高度等信息，通过世界地磁场模型对飞机所处地区的磁场强度和磁倾角进行查询。当无人机的磁罗盘采集到的数据与世界地磁场模型显示的磁场强度和磁倾角之间的偏差超过阈值，则认为无人机摆放的外部磁场环境存在较大的干扰。当检测到存在磁场干扰时进行以下步骤；
步骤二：对无人机进行固定朝向的摆放，同时利用指南针或其他可指示方向的设备，在远离干扰源的地方对无人机的航向角进行测量；该步骤是对无人机机头的朝向进行测量。如用手机指南针等，测出飞机机头朝北或朝南，偏多少度。
步骤三：通过通信链路对无人机进行参数配置，将无人机起飞模式配置为磁干扰环境起飞模式，将测量的无人机航向角作为参数输入给无人机飞控；
步骤四：无人机根据配置参数，对航向解算和融合滤波的相关参数进行重置。本发明采用卡尔曼滤波算法对无人机的航向角进行估计，当无人机起飞莫斯配置为磁感染环境起飞模式时，将卡尔曼滤波模型中的航向角状态量，重置为步骤三中测量得到的实际航向角，将卡尔曼滤波模型中的状态协方差矩阵中航向角状态量对应的对角线元素，配置为步骤三中测量航向角的仪器的测量方差；
卡尔曼滤波(Kalman filtering)是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。卡尔曼滤波算法分为预测和更新两步：
其中预测过程是根据上一时刻的后验估计值来估计当前时刻的状态。数学表达式为
Pk＝APk-1AT+Q
其中，为估计的当前时刻的状态矩阵，航向角是其中的一个元素。Pk为估计的状态向量的协方差矩阵。
当无人机被配置为磁干扰环境起飞模式时，将卡尔曼滤波预测的航向角状态量及协方差矩阵中对应对角线元素重置为步骤三中测得的参数。
步骤五：飞控软件利用配置的固定航向角进行状态滤波和融合。本发明采用卡尔曼滤波算法对飞机的航向角进行状态滤波和融合。
卡尔曼滤波的更新过程是使用当前时刻的测量值来更正预测阶段估计值，得到当前时刻的后验估计值，数学表达式为
Pk＝(I-KkH)Pk
其中，zk为观测向量，被配置的固定航向角参数将作为其中的一个元素进行运算，实现对预测状态的更新，得到准确的状态向量后验估计值。
步骤六：对无人机的起飞状态和磁场干扰进行持续判断，当检测到无人机起飞，同时磁场干扰减弱至一定阈值以下，则切换航向角解算模式，通过磁罗盘的观测数据进行无人机状态的滤波和融合。
进一步，所述无人机起飞控制方法对无人机摆放的外部磁场环境进行检测，当检测到外部环境存在磁场干扰时，反馈错误信息给操作者进行处理。
进一步，所述无人机起飞控制方法通过测量无人机的实际航向角，对无人机飞控进行参数配置。经过参数配置的无人机飞控，需要对航向角相关的估计参数进行重置，以使无人机估计出正确的航向角。
进一步，所述无人机起飞控制方法利用无人机的真实航向角作为无人机状态滤波和融合的观测量，对无人机航向角相关的参数进行估计和解算。
进一步，所述无人机起飞控制方法当无人机起飞后检测到来自环境的磁场干扰减弱到一定阈值时，切换为利用磁罗盘的观测量对航向角相关的参数进行估计和解算。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量，通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计；在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量，通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计；在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述无人机起飞控制方法的无人机起飞控制系统，所述无人机起飞控制系统包括：
飞控配置模块，用于通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；
航向角参数设定模块，用于在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量；
无人机状态估计模块，用于通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计；
航向解算切换模块，用于在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。
本发明的另一目的在于提供一种无人机控制终端，所述无人机控制终端用于实现所述无人机起飞控制方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置。在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量，通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计。在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。既解决了起飞时的稳定问题，又保证了脱离干扰环境后的解算精度。该方法可以有效解决了当无人机起飞时的地面环境存在磁场干扰时，可能导致的位置漂移情况。
本发明起飞前利用配置的固定航线进行航向解算，在起飞脱离磁干扰环境后，切换回利用磁罗盘数据进行航向解算。有效解决外部环境存在磁场干扰情况下的起飞稳定性问题。
飞机在地表存在强磁场干扰情况下起飞的效果，原方案由于磁罗盘数据在地面受到较强的磁场干扰，起飞后位置漂移严重，X轴位置在1m的范围内持续画圈，难以稳定。使用本技术方案后，无人机在起飞阶段能够保持较好的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的无人机起飞控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的无人机起飞控制系统的结构示意图；
图2中：1、飞控配置模块；2、航向角参数设定模块；3、无人机状态估计模块；4、航向解算切换模块。
图3是本发明实施例提供的无人机起飞控制方法的实现流程图。
图4是本发明实施例提供的无人机在起飞阶段能够保持较好的稳定性效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机起飞控制方法、系统、介质、计算机设备、无人机，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的无人机起飞控制方法包括以下步骤：
S101：通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；
S102：在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量；
S103：通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计；
S104：在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。
本发明提供的无人机起飞控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的无人机起飞控制方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的无人机起飞控制系统包括：
飞控配置模块1，用于通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；
航向角参数设定模块2，用于在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量；
无人机状态估计模块3，用于通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计；
航向解算切换模块4，用于在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3所示，本发明提供的无人机起飞控制方法包括以下步骤：
步骤一：对无人机摆放的外部磁场环境进行检测，当检测到存在磁场干扰时进行以下步骤；
步骤二：对无人机进行固定航向的摆放，同时利用其他手段对无人机的航向角进行测量；
步骤三：通过通信链路对无人机进行参数配置，将无人机起飞模式配置为磁干扰环境起飞模式，将测量的无人机航向角作为参数输入给无人机飞控；
步骤四：无人机根据配置参数，对航向解算和融合滤波的相关参数进行重置；
步骤五：飞控软件利用配置的固定航向角进行状态滤波和融合。
步骤六：对无人机的起飞状态和磁场干扰进行持续判断。当检测到无人机起飞，同时磁场干扰减弱至一定阈值以下，则切换航向角解算模式，通过磁罗盘的观测数据进行无人机状态的滤波和融合。
本发明对无人机摆放的外部磁场环境进行检测，当检测到外部环境存在磁场干扰时，反馈错误信息给操作者进行处理。
本发明通过测量无人机的实际航向角，对无人机飞控进行参数配置。经过参数配置的无人机飞控，需要对航向角相关的估计参数进行重置，以使无人机估计出正确的航向角。
本发明利用无人机的真实航向角作为无人机状态滤波和融合的观测量，对无人机航向角相关的参数进行估计和解算。
本发明当无人机起飞后检测到来自环境的磁场干扰减弱到一定阈值时，切换为利用磁罗盘的观测量对航向角相关的参数进行估计和解算。
本发明能够保证飞机在地面环境存在磁场干扰的情况下的起飞稳定性。能够解决飞机在地面存在磁场干扰情况时，使用定点飞行模式出现位置漂移的问题。
图4是本发明实施例提供的无人机在起飞阶段能够保持较好的稳定性效果图。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无人机起飞控制方法，其特征在于，所述无人机起飞控制方法包括：
利用测得的摆放时的真实航向角参数对无人机飞控进行配置；
利用配置的固定参数作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量；并通过融合滤波算法，对无人机处于磁干扰环境的状态进行估计；
脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算；
所述无人机起飞控制方法具体包括：
步骤一：对无人机摆放的外部磁场环境进行检测，当检测到存在磁场干扰时进行以下步骤二；
步骤二：对无人机进行固定航向的摆放，同时对无人机的航向角进行测量；
步骤三：通过通信链路对无人机进行参数配置，将无人机起飞模式配置为磁干扰环境起飞模式，将测量的无人机航向角作为参数输入给无人机飞控；
步骤四：无人机根据配置参数，对航向解算和融合滤波的相关参数进行重置；
步骤五：飞控软件利用配置的固定航向角进行状态滤波和融合；
步骤六：对无人机的起飞状态和磁场干扰进行持续判断，当检测到无人机起飞，同时磁场干扰减弱至一定阈值以下，则切换航向角解算模式，通过磁罗盘的观测数据进行无人机状态的滤波和融合；
通过测量无人机的实际航向角，对无人机飞控进行参数配置；经过参数配置的无人机飞控，需要对航向角相关的估计参数进行重置，以使无人机估计出正确的航向角；
利用无人机的真实航向角作为无人机状态滤波和融合的观测量，对无人机航向角相关的参数进行估计和解算；
采用卡尔曼滤波算法对飞机的航向角进行状态滤波和融合；
使用当前时刻的测量值更正预测阶段估计值，得到当前时刻的后验估计值，表达式为
Pk＝(I-KkH)Rk
其中，Zk为观测向量，被配置的固定航向角参数将作为其中的一个元素进行运算，实现对预测状态的更新，得到准确的状态向量后验估计值。
2.如权利要求1所述的无人机起飞控制方法，其特征在于，所述对无人机摆放的外部磁场环境进行检测中，当检测到外部环境存在磁场干扰时，反馈错误信息给操作者进行处理。
3.如权利要求1所述的无人机起飞控制方法，其特征在于，所述无人机起飞后检测到来自环境的磁场干扰减弱到一定阈值时，切换为利用磁罗盘的观测量对航向角相关的参数进行估计和解算。
4.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～3任意一项所述的无人机起飞控制方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～3任意一项所述的无人机起飞控制方法的步骤。
6.一种实施权利要求1～3任意一项所述无人机起飞控制方法的无人机起飞控制系统，其特征在于，所述无人机起飞控制系统包括：
飞控配置模块，用于通过预先测得无人机在摆放时的真实航向角，作为参数对无人机飞控进行配置；
航向角参数设定模块，用于在无人机起飞离开磁干扰环境前，利用配置的固定参数，作为无人机的航向角参数，或作为航向观测量；
无人机状态估计模块，用于通过融合滤波算法，对无人机的状态进行估计；
航向解算切换模块，用于在起飞脱离磁场干扰环境后，再切换回磁罗盘数据进行航向解算。
7.一种无人机控制终端，其特征在于，所述无人机控制终端用于实现权利要求1～3任意一项所述无人机起飞控制方法。
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