用于双旋翼无人机的控制方法、装置、无人机和存储介质

摘要

本发明实施例提供一种用于双旋翼无人机的控制方法、装置、无人机和存储介质，属于无人机技术领域。包括：获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，其中，桨平面角度为桨平面与水平面的夹角；确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差；根据偏差对当前舵夹角进行修正，以获得目标舵夹角，其中，目标舵夹角为桨平面与机身的目标夹角；根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。采用本方案可以提高双旋翼无人机的控制效果。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体地涉及一种用于双旋翼无人机的控制方法、装置、无人机和存储介质。

背景技术

现有的双旋翼无人机通常和多旋翼无人机采用相同的控制方式，即把飞机的姿态角作为控制目标来控制飞机的运动，通过控制飞机的姿态角来实现飞机的悬停、平移等操作。然而多旋翼无人机可以作为一个刚体，旋翼的姿态角变化必然代表桨平面角度发生变化，通过改变旋翼的桨平面角度来改变旋翼的受力方向，即可实现多旋翼的操纵控制，而双旋翼的桨平面与机体并不是刚性连接，采用多旋翼无人机的控制方法控制双旋翼无人机则存在控制效果不佳的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于双旋翼无人机的控制方法、装置、无人机和存储介质，可以解决现有的用于无人机的控制方法存在控制效果不佳的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于双旋翼无人机的控制方法，包括：

获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，其中，桨平面角度为桨平面与水平面的夹角；

确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差；

根据偏差对当前舵夹角进行修正，以获得目标舵夹角，其中，目标舵夹角为桨平面与机身的目标夹角；

根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。

在本发明实施例中，获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，包括：获取双旋翼无人机的当前舵夹角和当前机体姿态角，其中，当前机体姿态角为机身与水平面之间的当前夹角；根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在当前飞行过程中实际的桨平面角度。

在本发明实施例中，根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，包括：根据当前舵夹角和当前机体姿态角之和，确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度。

在本发明实施例中，确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差包括：确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的差值为偏差，或者差值与预设系数的乘积为偏差。

在本发明实施例中，根据偏差对当前舵夹角进行修正，以获得目标舵夹角，包括：通过PID控制算法基于当前舵夹角和偏差获得目标舵夹角。

在本发明实施例中，根据偏差对当前舵夹角进行修正，以获得目标舵夹角，包括：将桨平面角度和目标桨平面角度之间的偏差和当前舵夹角之和作为目标舵夹角。

在本发明实施例中，获取双旋翼无人机的当前舵夹角和当前机体姿态角，包括：通过双旋翼无人机上的第一传感器获取当前舵夹角；通过双旋翼无人机上的第二传感器获取当前机体姿态角。

本发明第二方面提供一种用于双旋翼无人机的控制装置，包括：获取模块，用于获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，其中，桨平面角度为桨平面与水平面的夹角；第一确定模块，用于确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差；第二确定模块，用于根据偏差对当前舵夹角进行修正，以获得目标舵夹角，其中，目标舵夹角为桨平面与机身的目标夹角；控制模块，用于根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。

本发明第三方面提供一种双旋翼无人机，包括无人机本体、及安装于无人机本体的第一传感器、第二传感器和控制器；第一传感器和第二传感器分别与控制器连接；第一传感器，用于检测舵夹角，舵夹角为双旋翼无人机的桨平面与机身的夹角；第二传感器，用于检测机体姿态角，机体姿态角为双旋翼无人机的机身与水平面之间的夹角；控制器，用于执行程序时控制第一传感器和第二传感器工作，并实现上述任意一项的用于双旋翼无人机的控制方法。

本发明第四方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令在被处理器执行时使得处理器执行根据上述任意一项的用于双旋翼无人机的控制方法。

上述技术方案，通过获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差，根据偏差得到目标舵夹角，以根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。上述方法考虑了舵夹角对双旋翼无人机飞行过程的影响，不再是基于控制机体姿态角控制双旋翼无人机，将控制量更换成了舵夹角，通过控制桨平面与机身的夹角来控制桨平面角度，以抵消外部干扰，达到稳定跟随给定角度的效果，提高了双旋翼无人机的控制效果，使得双旋翼无人机可以实现稳定飞行，确保了双旋翼无人机飞行过程中的安全性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1示意性示出了根据本发明一实施例的用于双旋翼无人机的控制方法的流程示意图；

图2示意性示出了根据本发明另一实施例的用于双旋翼无人机的控制方法的流程示意图；

图3示意性示出了根据本发明一实施例的用于双旋翼无人机的控制装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

把飞机的姿态角作为控制目标来控制飞机的运动在常规布局的多旋翼飞机上是非常常见的，因为多旋翼可以作为一个刚体，旋翼的姿态角变化必然代表桨平面角度发生变化，通过改变旋翼的桨平面角度来改变旋翼的受力方向，即可实现多旋翼的操纵控制。但双旋翼的桨平面与机体并不是刚性连接，桨平面由两个舵机控制转动，飞机在运动的时候桨平面角度和机体角度都会分别产生变化，如果控制的是机体的姿态角并无法有效保证机体稳定。在这里举两个例子：

在一个示例中，机体的重心靠前，在不打杆的情况下，操纵者希望飞机不会产生横向运动，飞控给定角度为0度，飞控为了让机身姿态角回到0度，控制桨平面往后转动，此时姿态角稳定在0度，但螺旋桨产生了水平向后的分力，飞机就会一直朝后飞行，与操纵逻辑相背。

在另一个示例中，操纵者控制飞机朝前飞行，如果按照原本多旋翼的控制逻辑就是给定飞机一个目标俯仰角使其低头，以使螺旋桨产生向前的分力控制飞机向前飞行，但是双旋翼在朝前飞行时由于舵机的反扭距等因素飞机并不会发生低头运动，也就是飞机的实际姿态角和与给定姿态角直接始终存在一个误差，这点也是有悖于我们的控制逻辑，如果在控制算法中带有积分则可能发生积分饱和，非常容易引发机体振荡导致炸机。

图1示意性示出了根据本发明一实施例的用于双旋翼无人机的控制方法的流程示意图。如图1所示，在本发明实施例中，提供一种用于双旋翼无人机的控制方法，以该方法应用于处理器为例进行说明，该方法可以包括以下步骤：

步骤S110，获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，其中，桨平面角度为桨平面与水平面的夹角。

可以理解，由于双旋翼无人机的桨平面与机体并非是刚性连接，因此在实际的飞行过程中，桨平面与机身可能存在一定的夹角，此处的实际的桨平面角度为桨平面与水平面的夹角。

具体地，处理器可以通过传感器获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，也就是桨平面与水平面的夹角。

在一个实施例中，获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度包括：获取双旋翼无人机的当前舵夹角和当前机体姿态角，其中，当前机体姿态角为机身与水平面之间的当前夹角；根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在当前飞行过程中的实际的桨平面角度。

可以理解，双旋翼无人机具有四个可控机构，具体包括两个舵机和两个电机，两个电机用来提供升力，两个舵机用来改变电机力的方向，第一传感器安装在舵机上，用来检测桨平面与机身的夹角，即舵夹角。机身可以是机头或者机翼等部位。

在一个实施例中，处理器可以通过双旋翼无人机上的第一传感器获取当前舵夹角，第一传感器用于检测当前舵夹角，也就是桨平面与机身的夹角，进一步通过双旋翼无人机上的第二传感器获取当前机体姿态角，第二传感器用来检测当前机体姿态角，也就是机身与水平面之间的夹角，进而根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，例如可以根据舵夹角和机体姿态角的映射关系确定实际的桨平面角度。

在一个实施例中，第一传感器为磁编码器。

可以理解，磁编码器可以检测得到桨平面与机身的夹角，即舵夹角。

在一个实施例中，根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，包括：根据当前舵夹角和当前机体姿态角之和，确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度。

具体地，处理器可以将当前舵夹角和当前机体姿态角作相加处理得到两者的和，从而将该值作为双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度。

在本实施例中，双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度确定为当前舵夹角和当前机体姿态角的和，同时考虑了舵夹角和机体姿态角两个因素，以便更准确地控制双旋翼无人机的飞行姿态。

步骤S120，确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差。

可以理解，目标桨平面角度为用户期望的给定的桨平面角度。

在一个实施例中，处理器在得到双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度后，将该桨平面角度与目标桨平面角度作差运算，得到两者之间的差值，将该差值作为桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差。

在另一个实施例中，处理器在得到桨平面角度与目标桨平面角度之间的差值后，可以将该差值与预设系数的乘积作为桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差。其中，预设系数可以根据实际情况设置。

步骤S130，根据偏差对当前舵夹角进行修正，以获得目标舵夹角，其中，目标舵夹角为桨平面与机身的目标夹角。

在一个实施例中，处理器通过PID控制算法基于当前舵夹角和偏差获得目标舵夹角。具体地，处理器可以将桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差和当前舵夹角输入PID控制器，得到PID控制器输出的目标舵夹角。

在另一个实施例中，处理器将桨平面角度和目标桨平面角度之间的偏差和当前舵夹角之和作为目标舵夹角。

本实施例中，直接将计算确定的偏差与当前舵夹角进行相加处理，不需要通过控制器获取目标舵夹角，可以简化目标舵夹角的计算方式，提高计算效率。

步骤S140，根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。

具体地，控制器在得到目标舵夹角之后，控制无人机的电机基于该目标舵夹角工作。

上述用于双旋翼无人机的控制方法，通过获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差，根据偏差得到目标舵夹角，以根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。上述方法考虑了舵夹角对双旋翼无人机飞行过程的影响，不再是基于控制机体姿态角控制双旋翼无人机，将控制量更换成了舵夹角，通过控制桨平面与机身的夹角来控制桨平面角度，以抵消外部干扰，达到稳定跟随给定角度的效果，提高了双旋翼无人机的控制效果，使得双旋翼无人机可以实现稳定飞行，确保了双旋翼无人机飞行过程中的安全性。

图2示意性示出了根据本发明另一实施例的用于双旋翼无人机的控制方法的流程示意图。如图2所示，在本发明实施例中，提供了一种用于双旋翼无人机的控制方法，以该方法应用于处理器为例进行说明，该方法可以包括以下步骤：

步骤S210，处理器获取第一传感器检测到的当前舵夹角。

可以理解，舵夹角为桨平面与机身的夹角。第一传感器例如可以是磁编码器。

步骤S220，处理器获取第二传感器检测得到的当前机体姿态角。

可以理解，机体姿态角为机身与水平面之间的夹角。

步骤S230，处理器根据当前舵夹角和当前机体姿态角之和，确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度。

可以理解，桨平面角度为桨平面与水平面的夹角。

步骤S240，处理器确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的差值为偏差。

步骤S250，处理器通过PID控制算法基于当前舵夹角和偏差获得目标舵夹角。

步骤S260，处理器根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。

具体地，在控制螺旋桨平面的两个舵机出轴的地方装置两个第一传感器(例如，磁编码器)，通过磁编码器获得桨平面与机身的夹角(即舵夹角)，再将这个夹角与机体姿态角相加即可获得桨平面与水平面的夹角，这个桨平面角度就是飞控的控制目标。在控制过程中无论机体姿态角怎么变化，飞控都通过调整飞机的舵夹角来保证桨平面角度跟随给定角度。

在一个示例中，假设飞控采用北东地的坐标系，则舵面角度向前为负向后为正，如果控制飞机向前加速，则给定桨平面角度为负，假设给定角度为-10度，理想情况下机身角度保持为0度，舵机只需超前打10度即可使桨平面角度达到给定角度，但现实情况中机身受到螺旋桨振动、舵机转子反扭距、风阻等因素而造成振荡，在开环系统的情况下无法使桨平面稳定跟随给定角度，故需要构建闭环控制系统，根据控制对象输出反馈来进行矫正控制。实际情况中机身的晃动会造成桨平面角度与给定角度之间存在误差，飞控中的控制算法将根据这个误差发出新的控制量，这个控制量直接作用在舵夹角上，以抵消外部干扰，达到稳定跟随给定角度的效果。假设飞机在向前匀速飞行的过程中执行刹车指令，给定桨平面角度为10度，舵机向后转动10度，因为钟摆效应机身会大幅度上扬，在实际测试中可能会达到40度之多，此时真实的桨平面角度反馈为50度，因为有闭环控制系统的介入舵机会不断朝前转动来修正角度误差。

在本实施例中，双旋翼无人机不会因为重心的改变而对飞行效果产生影响，同时双旋翼无人机在动态响应时也可以有效跟随给定目标。

图3示意性示出了根据本发明一实施例的用于双旋翼无人机的控制装置的结构框图。如图3所示，在本发明实施例中，提供了一种用于双旋翼无人机的控制装置300，包括：获取模块310、第一确定模块320、第二确定模块330以及控制模块340，其中：

获取模块310，用于获取双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，其中，桨平面角度为桨平面与水平面的夹角。

第一确定模块320，用于确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差。

第二确定模块330，用于根据偏差对当前舵夹角进行修正，以获得目标舵夹角，其中，目标舵夹角为桨平面与机身的目标夹角。

控制模块340，用于根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。

可以理解，由于双旋翼无人机的桨平面与机体并非是刚性连接，因此在实际的飞行过程中，桨平面与机身可能存在一定的夹角，此处的实际的桨平面角度为桨平面与水平面的夹角。双旋翼无人机具有四个可控机构，具体包括两个舵机和两个电机，两个电机用来提供升力，两个舵机用来改变电机力的方向，第一传感器安装在舵机上，用来检测桨平面与机身的夹角，即舵夹角。目标桨平面角度为用户期望的给定的桨平面角度。

具体地，处理器获取飞行过程中第一传感器检测到的双旋翼无人机的当前舵夹角，获取第二传感器检测到的当前机体姿态角，进而根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，例如可以根据舵夹角和机体姿态角的映射关系确定实际的桨平面角度。处理器在得到双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度后，将该桨平面角度与目标桨平面角度作差运算，得到两者之间的偏差。处理器可以将桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差输入控制器，得到控制器输出的目标舵夹角，以该目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。控制器(未示出)例如可以为PID控制器，控制器在输出舵夹角控制量之后，控制无人机的电机基于该舵夹角控制量工作。

上述用于双旋翼无人机的控制装置，通过第一传感器获取双旋翼无人机的当前舵夹角，通过第二传感器获取双旋翼无人机的当前机体姿态角，根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度，进而确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的偏差，根据偏差得到目标舵夹角，以根据目标舵夹角控制双旋翼无人机飞行。上述方法考虑了舵夹角对双旋翼无人机飞行过程的影响，不再是基于控制机体姿态角控制双旋翼无人机，将控制量更换成了舵夹角，通过控制桨平面与机身的夹角来控制桨平面角度，以抵消外部干扰，达到稳定跟随给定角度的效果，提高了双旋翼无人机的控制效果，使得双旋翼无人机可以实现稳定飞行，确保了双旋翼无人机飞行过程中的安全性。

在一个实施例中，获取模块310还用于获取双旋翼无人机的当前舵夹角和当前机体姿态角，其中，当前机体姿态角为机身与水平面之间的当前夹角；根据当前舵夹角和当前机体姿态角确定双旋翼无人机在当前飞行过程中实际的桨平面角度。

在一个实施例中，获取模块310还用于根据当前舵夹角和当前机体姿态角之和，确定双旋翼无人机在飞行过程中的实际的桨平面角度。

在一个实施例中，第一确定模块320还用于确定桨平面角度与目标桨平面角度之间的差值为偏差，或者差值与预设系数的乘积为偏差。

在一个实施例中，第二确定模块330还用于通过PID控制算法基于当前舵夹角和偏差获得目标舵夹角。

在一个实施例中，第二确定模块330还用于将桨平面角度和目标桨平面角度之间的偏差和当前舵夹角之和作为目标舵夹角。

在一个实施例中，获取模块310还用于通过双旋翼无人机上的第一传感器获取当前舵夹角；通过双旋翼无人机上的第二传感器获取当前机体姿态角。

本发明实施例提供了一种双旋翼无人机，包括无人机本体、及安装于无人机本体的第一传感器、第二传感器和控制器；第一传感器和第二传感器分别与控制器连接；第一传感器，用于检测舵夹角，舵夹角为双旋翼无人机的桨平面与机身的夹角；第二传感器，用于检测机体姿态角，机体姿态角为双旋翼无人机的机身与水平面之间的夹角；控制器，用于执行程序时控制第一传感器和第二传感器工作，并实现上述实施方式中的用于双旋翼无人机的控制方法。

本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令在被处理器执行时使得处理器执行根据上述实施方式中的用于双旋翼无人机的控制方法。

本申请还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现根据上述实施方式中的用于双旋翼无人机的控制方法。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

在一个典型的配置中，设备包括一个或多个处理器(CPU)、存储器和总线。设备还可以包括输入/输出接口、网络接口等。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。