一种无人机高度控制方法及系统技术方案

本发明专利技术适用于无人机技术领域，提供了一种无人机高度控制方法及系统。本发明专利技术使用多个窄波束单点测量传感器进行距离测量，将多个传感器的测量结果进行加权处理，使测量结果更加精确。本发明专利技术在计算时，还融合了无人机的姿态数据，以及，对测量结果进行了动态姿态测量补偿处理。相较于现有技术，本发明专利技术中的无人机可以实现对地形的快速跟随，高度保持，并对来自无人机上方的障碍物进行有效地规避，本发明专利技术的成本低、功耗小、适用场景多、飞行效果好，产品粘性得到提高。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机高度控制方法及系统
本专利技术属于无人机
，尤其涉及一种无人机高度控制方法及系统。
技术介绍
当前对无人机技术的研究主要集中在如何提高无人机的飞行能力，使其能应对不同的飞行环境，并且在复杂的环境中能够进行自适应飞行，安全稳定的完成目标任务。近些年，随着各种新技术的不断应用，无人机系统的复杂性及功能的自动化程度日益增加。但是，由于飞行环境的高度动态化、不确定性以及飞行任务的复杂性，无人机在规划与决策方面面临着新的技术挑战，现有的基于程序化的自动控制策略已经不能满足未来先进多功能无人机对复杂飞行环境下的多任务的需求，自主飞行控制能力的提高将是未来无人机飞行控制系统发展的主要目标。无人机的纵向控制方法是无人机自主飞行研究领域的一个重要课题。无人机的飞行环境具有复杂性和不确定性，在自主飞行过程中会遇到来自上侧和下侧的障碍或地形的起伏变化，因此无人机在垂直方向上必须有一定的自主控制能力，以确保飞行过程的安全和稳定。无人机在水平方向的控制方法研究起步较早，技术也相对成熟。在纵向控制方面，现阶段无论在学校还是商业应用都缺乏相应研究。现今无人机在纵向的控制研究主要集中在利用气压计实现的高度保持功能，以及融合了超声波传感器数据的简单地形跟随。这种简单的纵向控制策略，既不能满足快速地形跟随中对障碍物的预判，也无法对来自上侧的障碍物进行有效规避。现有无人机高度控制的方法主要有超声波法、激光/红外法以及视觉法等，这些方法都存在缺陷和不足。超声波法是利用超声波测距传感器来探测物体的位置，超声波测距使用时间差测距法。超声波测距的成本低，实现方法简单，技术成熟，是无人机测距的常用方法。但是超声波传感器的采样频率低，受吸音材质影响较大。另一方面，单超声波传感器避障存在由于超声波的方向性不好造成对障碍物的定位不精确，存在探测盲区等缺点，而多个超声波传感器同时使用会产生串扰。激光/红外法是利用电磁波来探测物体的位置。激光传感器使用时间法或相位法来测量距离。激光传感器的光束高度集中，方向性好，因此可得到障碍物的准确位置，弥补了超声波测距在方向性上的不足。激光测距的精确度很高，但是激光传感器成本高，设备体积大，功耗高，而且一些激光传感器发射的激光，对人的眼睛有伤害。现有的红外传感器的测距原理与激光传感器类似，采用与激光传感器不同频率的红外光进行测距，不同的是现有的红外传感器采用测量反射光强度的变化来测量距离。由于被测物体表面材质的反射率不同，所以红外测距的精度较差，距离也有限。视觉法是利用单目或者双目摄像头来探测物体的位置。无人机通过摄像头采集周围环境的图像信息，并通过图像算法得到自身与被测物体之间的距离，然后实施控制策略。视觉测距法具有探测范围广，同时可以获得物体的形状、速度等信息的优势。但是图像数据在后期处理中，由于边缘锐化、特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差，对中央处理器要求高。而且视觉测距法不能检测到玻璃等透明障碍物的存在，另外受视场光线强弱、烟雾的影响很大，成本也较高。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于提供一种无人机高度控制方法及系统，旨在解决现有技术中的无人机的纵向控制不精确的问题。本专利技术实施例第一方面提供了一种无人机高度控制方法，所述方法包括：将目标高度与测量高度做差，得到高度误差，通过气压计测得的高度数据对所述高度误差进行数据修正，将经数据修正后的高度误差输入比例控制器，并结合预估速度，得到目标速度；将所述目标速度与测量速度做差，得到速度误差，并将所述速度误差输入所述比例控制器，并结合预估加速度，得到目标加速度；将所述目标加速度输入比例积分微分控制器，并结合预置的控制器初始值，得到油门输出量，以控制无人机的高度；其中，所述测量高度为下向传感器当前时刻测得的距离数据，所述下向传感器包括多个与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器，所述下向传感器测得的距离数据，具体为各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器测得的距离数据与各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器的权重的乘积之和。本专利技术实施例第二方面提供了一种无人机高度控制系统，所述系统包括：目标速度获取模块，用于将目标高度与测量高度做差，得到高度误差，通过气压计测得的高度数据对所述高度误差进行数据修正，将经数据修正后的高度误差输入比例控制器，并结合预估速度，得到目标速度；目标加速度获取模块，用于将所述目标速度与测量速度做差，得到速度误差，并将所述速度误差输入所述比例控制器，并结合预估加速度，得到目标加速度；油门输出量获取模块，用于将所述目标加速度输入比例积分微分控制器，并结合预置的控制器初始值，得到油门输出量，以控制无人机的高度；其中，所述测量高度为下向传感器当前时刻测得的距离数据，所述下向传感器包括多个与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器，所述下向传感器测得的距离数据，具体为各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器测得的距离数据与各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器的权重的乘积之和。从上述本专利技术实施例可知，本专利技术通过将目标高度与测量高度做差，得到高度误差，通过气压计测得的高度数据对高度误差进行数据修正，将经数据修正后的高度误差输入比例控制器，并结合预估速度，得到目标速度，将目标速度与测量速度做差，得到速度误差，并将速度误差输入比例控制器，并结合预估加速度，得到目标加速度，将目标加速度输入比例积分微分控制器，并结合预置的控制器初始值，得到油门输出量，以控制无人机的高度，其中，测量高度为下向传感器当前时刻测得的距离数据，下向传感器包括多个与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器，下向传感器测得的距离数据，具体为各与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器测得的距离数据与各与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器的权重的乘积之和。相较于现有技术，本专利技术中的无人机可以实现对地形的快速跟随，高度保持，并对来自无人机上方的障碍物进行有效地规避，本专利技术的成本低、功耗小、适用场景多、飞行效果好，产品粘性得到提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。附图1是本专利技术第一实施例提供的无人机高度控制方法的实现流程示意图；附图2是本专利技术第二实施例提供的无人机高度控制系统的结构示意图；附图3是本专利技术中TOF距离传感器测量原理框图；附图4是本专利技术中PID控制器的数学模型。具体实施方式为使得本专利技术实施例的专利技术目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而非全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域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，都属于本专利技术保护的范围。请参阅附图1，附图1为本专利技术第一实施例提供的无人机高度控制方法的实现流程示意图。本实施例中的上向传感器和下向传感器均可使用窄波束单点测量传感器，即飞行时间(TimeofFlight，TOF)距离传感器，其具有测量距离远(10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机高度控制方法，其特征在于，所述方法包括：将目标高度与测量高度做差，得到高度误差，通过气压计测得的高度数据对所述高度误差进行数据修正，将经数据修正后的高度误差输入比例控制器，并结合预估速度，得到目标速度；将所述目标速度与测量速度做差，得到速度误差，并将所述速度误差输入所述比例控制器，并结合预估加速度，得到目标加速度；将所述目标加速度输入比例积分微分控制器，并结合预置的控制器初始值，得到油门输出量，以控制无人机的高度；其中，所述测量高度为下向传感器当前时刻测得的距离数据，所述下向传感器包括多个与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器，所述下向传感器测得的距离数据，具体为各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器测得的距离数据与各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器的权重的乘积之和。

【技术特征摘要】
1.一种无人机高度控制方法，其特征在于，所述方法包括：将目标高度与测量高度做差，得到高度误差，通过气压计测得的高度数据对所述高度误差进行数据修正，将经数据修正后的高度误差输入比例控制器，并结合预估速度，得到目标速度；将所述目标速度与测量速度做差，得到速度误差，并将所述速度误差输入所述比例控制器，并结合预估加速度，得到目标加速度；将所述目标加速度输入比例积分微分控制器，并结合预置的控制器初始值，得到油门输出量，以控制无人机的高度；其中，所述测量高度为下向传感器当前时刻测得的距离数据，所述下向传感器包括多个与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器，所述下向传感器测得的距离数据，具体为各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器测得的距离数据与各所述与无人机平面呈预置角度且方向向下的传感器的权重的乘积之和。2.如权利要求1所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述将目标高度与测量高度做差，得到高度误差之前，包括：当上向传感器当前时刻测得的距离数据大于或等于预置安全距离时，将无人机油门杆处于死区时，下向传感器测得的距离数据作为所述目标高度，所述上向传感器为与无人机平面垂直且方向向上的传感器；当上向传感器当前时刻测得的距离数据小于预置安全距离时，将所述下向传感器当前时刻测得的距离数据与目标距离的差作为所述目标高度，所述目标距离为所述预置安全距离与所述上向传感器当前时刻测得的距离数据的差；将所述下向传感器当前时刻测得的距离数据作为所述测量高度。3.如权利要求2所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述将所述下向传感器当前时刻测得的距离数据作为所述测量高度，包括：获取当前时刻所述下向传感器测得的距离数据；通过陀螺仪测得的角度数据对当前时刻所述下向传感器测得的距离数据进行数据修正，将数据修正后的距离数据作为所述测量高度。4.如权利要求2或3所述的无人机高度控制方法，其特征在于，所述上向传感器与所述下向传感器均为窄波束单点测量传感器。5.一种无人机高度控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙山，牛渊，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44