無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無人機控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無人機定點環(huán)繞飛行的控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機因其具有費效比低、部署迅速和零傷亡等特點，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用 領(lǐng)域。無人機通過執(zhí)行事先設(shè)定的特技飛行動作，可在災(zāi)難場景監(jiān)測、航拍、搜救、基礎(chǔ)設(shè)施 監(jiān)察等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
[0003]傳統(tǒng)的無人機操作是指地面控制人員通過遙控器將控制指令上傳至飛行控制器， 或者通過地面站在GPS衛(wèi)星導(dǎo)航地圖上設(shè)定飛行路徑點以完成定點巡航控制。若要實現(xiàn)對 感興趣區(qū)域有針對性的巡航，也只有通過以上兩種方式來實現(xiàn)。一方面，由操作人員手動控 制飛行器的飛行動作執(zhí)行定點環(huán)繞飛行，因為飛行器的航向變化頻繁并且變化速度快，極 易造成操作失誤導(dǎo)致無人機墜毀；另一方面，通過地面站在GPS衛(wèi)星導(dǎo)航地圖上設(shè)定對感 興趣區(qū)域的巡航，又因地圖范圍過大或定位信息不準(zhǔn)確而無法實現(xiàn)精細(xì)化的監(jiān)察和監(jiān)視。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在至少解決上述的技術(shù)缺陷之一。
[0005]為此，本發(fā)明的目的在于提出一種無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法。該方法可以 簡化無人機的操作，提升用戶體驗。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，包括以 下步驟：無人機開機自檢，以確定無人機載GPS接收器正常；通過地面站設(shè)置好無人機定點 環(huán)繞飛行的參數(shù)；遙控飛行器起飛并切換至定點環(huán)繞模式后，機載飛行控制器使用PID控 制算法，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)控制無人機進行定點環(huán)繞飛行；以及在無人機定點環(huán)繞飛行 的過程中，無人機操作員通過遙控器或地面站實時調(diào)整定點環(huán)繞飛行的參數(shù)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明實施例的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，可以實現(xiàn)無人機對感興趣 區(qū)域的智能環(huán)繞飛行，大大簡化無人機的操作，并極大的擴展無人機的應(yīng)用場景。
[0008]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法還可以具有如下 附加的技術(shù)特征：
[0009]在一些示例中，在無人機定點環(huán)繞飛行模式中，通過GPS提供無人機的定位信息。
[0010] 在一些示例中，通過以下方式調(diào)整無人機環(huán)繞飛行參數(shù)：給定參數(shù)調(diào)整，其中，給 定參數(shù)調(diào)整由地面站完成；或連續(xù)可操作調(diào)整，連續(xù)可操作調(diào)整由遙控器控制輸入完成。
[0011] 在一些示例中，無人機起飛前，由地面站給定環(huán)繞飛行參數(shù)，環(huán)繞飛行參數(shù)包括環(huán) 繞目標(biāo)點、飛行高度、環(huán)繞半徑、環(huán)繞切向速度、環(huán)繞法向速度和環(huán)繞方向。
[0012] 在一些示例中，所述環(huán)繞目標(biāo)點指無人機定點環(huán)繞飛行的環(huán)繞中心位置，以其經(jīng) 緯度表示，無人機進行定點環(huán)繞飛行時機頭始終指向環(huán)繞目標(biāo)點。
[0013]在一些示例中，所述飛行高度指無人機定點環(huán)繞飛行時所處的高度，由無人機載 的氣壓計給出。
[0014] 在一些示例中，在地面站設(shè)定或調(diào)整環(huán)繞半徑時，通過如下方式實現(xiàn)：直接給出半 徑大小；或直接在地圖上點選環(huán)繞目標(biāo)點和環(huán)繞圓弧上的任意一點后，通過計算二者之間 的歐氏距離以得到半徑。
[0015] 在一些示例中，如果通過計算環(huán)繞目標(biāo)點和環(huán)繞圓弧上的任意一點之間的歐式距 離以得到半徑，需要將二者的GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成北東地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。設(shè)起飛點北東地坐 標(biāo)系下的坐標(biāo)為（、％)，GPS的緯度坐標(biāo)為lab，經(jīng)度坐標(biāo)為lorv則環(huán)繞目標(biāo)點在北東 地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（Xc;，y。）為： k的取值方式為：
【主權(quán)項】
1. 一種無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 無人機開機自檢，以確定無人機載GPS接收器正常； 通過地面站設(shè)置好無人機定點環(huán)繞飛行的參數(shù)； 遙控飛行器起飛并切換至定點環(huán)繞模式后，機載飛行控制器使用PID控制算法，根據(jù) 預(yù)先設(shè)定的參數(shù)控制無人機進行定點環(huán)繞飛行；以及 在無人機定點環(huán)繞飛行的過程中，無人機操作員通過遙控器或地面站實時調(diào)整定點環(huán) 繞飛行的參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，在無人機定 點環(huán)繞飛行模式中，通過GPS提供無人機的定位信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，通過以下方 式調(diào)整無人機環(huán)繞飛行參數(shù)： 給定參數(shù)調(diào)整，其中，給定參數(shù)調(diào)整由地面站完成；或 連續(xù)可操作調(diào)整，連續(xù)可操作調(diào)整由遙控器控制輸入完成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，無人機起飛 前，由地面站給定環(huán)繞飛行參數(shù)，環(huán)繞飛行參數(shù)包括環(huán)繞目標(biāo)點、飛行高度、環(huán)繞半徑、環(huán)繞 切向速度、環(huán)繞法向速度和環(huán)繞方向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，所述環(huán)繞目 標(biāo)點指無人機定點環(huán)繞飛行的環(huán)繞中心位置，以其經(jīng)緯度表示，無人機進行定點環(huán)繞飛行 時機頭始終指向環(huán)繞目標(biāo)點。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，所述飛行高 度指無人機定點環(huán)繞飛行時所處的高度，由無人機載的氣壓計給出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，在地面站設(shè) 定或調(diào)整環(huán)繞半徑時，通過如下方式實現(xiàn)： 直接給出半徑大?。换? 直接在地圖上點選環(huán)繞目標(biāo)點和環(huán)繞圓弧上的任意一點后，通過計算二者之間的歐氏 距離以得到半徑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，如果通過計 算環(huán)繞目標(biāo)點和環(huán)繞圓弧上的任意一點之間的歐式距離以得到半徑，需要將二者的GPS坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換成北東地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。設(shè)起飛點北東地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（?L)，GPS的緯度 坐標(biāo)為Iatci，經(jīng)度坐標(biāo)為Iorv貝U環(huán)繞目標(biāo)點在北東地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（Xc;，y。）為：
取值方式為： if(fabs(c) < 6 )k=I.O elsek=c/sin(c)， 其中，環(huán)繞目標(biāo)點為GPS的緯度坐標(biāo)lat。，經(jīng)度坐標(biāo)lon。，環(huán)繞圓弧上的任意一點為GPS的緯度坐標(biāo)Iat1，經(jīng)度坐標(biāo)Ior^ 應(yīng)用上述方法得到環(huán)繞圓弧上的任意一點在北東地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（Xl，yi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，當(dāng)已知環(huán)繞 目標(biāo)點和環(huán)繞圓弧上的任意一點在北東地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（?%)和（X1J1)后，環(huán)繞半徑
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，無人機圍繞 目標(biāo)點環(huán)繞飛行時的環(huán)繞角速度：
其中，ut為無人機的環(huán)繞切向速度，R為環(huán)繞半徑。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，環(huán)繞方向 指無人機圍繞環(huán)繞目標(biāo)點的飛行方向，分為順時針和逆時針。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，無人機在定 點環(huán)繞飛行過程中，通過遙控器俯仰通道控制輸入改變環(huán)繞法向速度對飛行器的環(huán)繞半徑 進行連續(xù)可操作調(diào)整。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，通過遙控器 控制輸入改變環(huán)繞法向速度調(diào)整飛行器環(huán)繞半徑時，其環(huán)繞法向速度的控制方法為：在每 個控制周期內(nèi)，存在 ：
其中，Rs6t為遙控器俯仰通道輸入后變化的環(huán)繞半徑，RiS當(dāng)前飛行器與環(huán)繞目標(biāo)點的 距離，unset是遙控器俯仰通道輸入的環(huán)繞法向速度；PK、IjPD!^表示法向速度的PID控制 參數(shù)，E"K為誤差積分，unsp是實際PID控制算法產(chǎn)生的速度控制量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，無人機在 定點環(huán)繞飛行過程中，通過遙控器橫滾通道控制輸入對環(huán)繞切向速度進行連續(xù)可操作調(diào)整 時，其環(huán)繞切向速度的控制方法為：在每個控制周期內(nèi)，有：
其中，U 當(dāng)前環(huán)繞切向速度，acc "為遙控器橫滾通道輸入的切向加速度，U tsrt是橫 滾通道輸入后的切向速度；P"、1"和D "表示切向速度的PID控制參數(shù)，E ""為誤差積分， u tsp是實際PID控制算法產(chǎn)生的切向速度控制量。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，其特征在于，無人機在定 點環(huán)繞飛行過程中，通過地面站或遙控器俯仰通道輸入修改環(huán)繞半徑，設(shè)此時飛行器北東 地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（Xi， yi)，環(huán)繞目標(biāo)點北東地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（?,%),則此時相對于 環(huán)繞目標(biāo)點的偏航角為esrt=-atan2( yi-yci，Xi-X(l)，針對0^和0 ,進行PID控制得到角 速度補償為： ?C=P.X(0^-0,)+1^ 0err, 其中，定點環(huán)繞飛行過程中，此時相對于環(huán)繞目標(biāo)點的偏航角為9 i， 其中P"、I"表示角速度的PI控制參數(shù)，9 m為偏航角誤差積分，則環(huán)繞半徑變化后無 人機的環(huán)繞偏航角速度為： wSet= W ff+Wc°
【專利摘要】本發(fā)明提供一種無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，包括：無人機開機自檢，確保無人機載GPS接收器正常工作；通過地面站設(shè)置好無人機定點環(huán)繞飛行的參數(shù)；遙控飛行器起飛并切換至定點環(huán)繞模式后，機載飛行控制器使用PID控制算法按照事先設(shè)定好的參數(shù)控制無人機進行定點環(huán)繞飛行；在無人機定點環(huán)繞飛行的過程中，無人機操作員可以通過遙控器或地面站實時調(diào)整定點環(huán)繞飛行的參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明實施例的無人機定點環(huán)繞飛行的控制方法，可以實現(xiàn)無人機對感興趣區(qū)域的智能環(huán)繞飛行，大大簡化無人機的操作，并極大的擴展無人機的應(yīng)用場景。
【IPC分類】G05D1-10
【公開號】CN104714557
【申請?zhí)枴緾N201510134949
【發(fā)明人】戴瓊海, 李一鵬, 李修, 施澤南
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月26日