坐标系转换方法、其装置、飞行器航向控制方法及飞行器制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种坐标系转换方法、其装置、飞行器航向控制方法及飞行器。所述坐标系转换方法包括：分别获取机身坐标系的X轴和Y轴在当地水平坐标系的水平面上的投影的X轴单位向量和Y轴单位向量，所述机身坐标系为以飞行器为坐标原点的坐标系；计算所述X轴单位向量和Y轴单位向量的向量和；通过所述向量和表示倾斜角；使用所述倾斜角进行所述当地水平坐标系和控制坐标系之间的转换。该转换方法使用了新的方式来表示倾斜角，从而使得进行当地水平坐标系与控制坐标系之间的旋转转换时具有对称性。

Coordinate System Conversion Method, Its Device, Vehicle Heading Control Method and Vehicle

【技术实现步骤摘要】
坐标系转换方法、其装置、飞行器航向控制方法及飞行器
本专利技术涉及飞行器航向控制
，尤其涉及坐标系转换方法、其装置、飞行器航向控制方法及飞行器。
技术介绍
在传统的飞行器航向控制过程中，存在着多个不同的坐标系，需要使用欧拉角旋转转换等的刚体转动表示方法来进行坐标系之间的转换。通过构建相应的坐标系，采用速度向量控制的方式可以方便的实现飞行器对于控制信号的响应，实现飞行器航向的改变。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术至少存在以下问题：在采用传统的欧拉角表示或者定义不同坐标系之间的转换关系时，存在着不对称性。因此，在基于上述的转换关系或者数学表示方法进行控制时，对于飞行器的控制行为也是不对称的，对于人类感觉而言是不直观的。另外，也限制了飞行器航向物理控制的精确度。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种具有对称性和直观表达的坐标系转换方法、其装置、飞行器航向控制方法及飞行器。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供以下技术方案：一种飞行器的坐标系转换方法。所述坐标系转换方法包括如下步骤：分别获取机身坐标系的X轴和Y轴在当地水平坐标系的水平面上的投影的X轴单位向量和Y轴单位向量，所述机身坐标系为以飞行器为坐标原点的坐标系；计算所述X轴单位向量和Y轴单位向量的向量和；通过所述向量和表示倾斜角；使用所述倾斜角进行所述当地水平坐标系和控制坐标系之间的转换。在一些实施例中，所述机身坐标系与所述当地水平坐标系之间通过欧拉角旋转矩阵进行转换；所述欧拉角旋转矩阵的旋转顺序为依次绕飞行器自身的横滚轴、航向轴以及俯仰轴旋转。在一些实施例中，分别通过如下算式计算所述X轴单位向量和Y轴单位向量；其中，T为一个取自所述欧拉角旋转矩阵的2×2矩阵，kx为X轴单位向量，ky为Y轴单位向量，为矩阵乘积的范数。在一些实施例中，T为从所述欧拉角旋转矩阵中前两行和前两列中取出的数据构成的2×2矩阵。在一些实施例中，所述倾斜角通过如下算式表示：其中，Ψ为倾斜角，所述向量和为二维向量，k(2)和k(1)分别为所述向量和在Y轴和X轴上投影的长度。为解决上述技术问题，本专利技术实施例还提供以下技术方案：一种飞行器的坐标系转换装置。所述飞行器的坐标系转换装置包括：单位向量获取模块，用于获取机身坐标系的X轴和Y轴在当地水平坐标系的水平面上的投影的X轴单位向量和Y轴单位向量，所述机身坐标系为以飞行器为坐标原点的坐标系；向量和计算模块，用于计算所述X轴单位向量和Y轴单位向量的向量和；倾斜角表示模块，通过所述向量和表示倾斜角，以及坐标系转换模块，用于使用所述倾斜角进行所述当地水平坐标系和控制坐标系之间的转换。在一些实施例中，所述机身坐标系与所述当地水平坐标系之间通过欧拉角旋转矩阵进行转换；所述欧拉角旋转矩阵的旋转顺序为依次绕飞行器自身的横滚轴、航向轴以及俯仰轴旋转。在一些实施例中，所述单位向量获取模块通过如下算式计算所述X轴单位向量和Y轴单位向量；其中，T为一个取自所述欧拉角旋转矩阵的2×2矩阵，kx为X轴单位向量，ky为Y轴单位向量，为矩阵乘积的范数。在一些实施例中，T为从所述欧拉角旋转矩阵中前两行和前两列中取出的数据构成的2×2矩阵。在一些实施例中，所述倾斜角表示模块通过如下算式表示所述倾斜角：其中，Ψ为倾斜角，所述向量和为二维向量，k(2)和k(1)分别为所述向量和在Y轴和X轴上投影的长度。为解决上述技术问题，本专利技术实施例还提供以下技术方案：一种飞行器航向控制方法。所述飞行器航向控制方法包括如下步骤：接收来自控制器的控制指令，该控制指令包含至少一个速度向量；通过如上所述的坐标系转换方法，将所述控制坐标系中的速度向量转换为当地水平坐标系中的第一速度向量；通过欧拉角旋转矩阵，将所述当地水平坐标系中的第一速度向量转换为机身坐标系的目标加速度；根据所述目标加速度控制所述飞行器的电机运转。为解决上述技术问题，本专利技术实施例还提供以下技术方案：一种无人飞行器。该无人飞行器包括机身、旋翼、用于驱动所述旋翼旋转的电机以及控制器。其中，所述旋翼在所述机身中对称设置；所述控制器应用如上所述的飞行器航向控制方法，控制所述电机的运行。在一些实施例中，所述无人飞行器为四旋翼飞行器；四个旋翼之间沿机身两两对称设置。与现有技术相比较，本专利技术实施例提供的坐标系转换方法使用了新的方式来表示倾斜角，从而使得进行当地水平坐标系与控制坐标系之间的旋转转换时具有对称性，可以有效的提高在飞行器航向控制过程中的精确性，并且控制行为较为直观。【附图说明】一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。图1为本专利技术实施例的应用环境示意图；图2为当地水平坐标系与控制坐标系的几何关系示意图；图3为Φ＝20°时，俯仰角速度与倾斜角之间的相关关系；图4为Θ＝20°时，翻滚角速度与倾斜角之间的相关关系；图5为本专利技术实施例提供的飞行器的坐标系转换方法的示意图；图6为本专利技术实施例提供的当地水平坐标系与机身坐标系的几何关系示意图；图7为本专利技术实施例提供的坐标系转换方法在Φ＝20°时，俯仰角速度与倾斜角之间的相关关系；图8为本专利技术实施例提供的坐标系转换方法在Θ＝20°的前提下，翻滚角速度与倾斜角之间的相关关系；图9为本专利技术实施例提供的坐标系转换装置的功能框图；图10为本专利技术实施例提供的无人飞行器控制系统的结构示意图。【具体实施方式】为了便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本专利技术。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，下面所描述的本专利技术不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。图1为本专利技术实施例提供的应用环境。如图1所示，所述应用环境包括无人飞行器10、遥控器20以及用户30。无人飞行器10可以是任何类型的无人飞行器，例如四轴无人飞行器。其具体可以由机身、旋翼、用于驱动所述旋翼旋转的电机以及控制器等几个部分组成。一个或者多个电机在控制器的控制下运行，通过传动机构驱动旋翼旋转从而为无人飞行器提供相应方向上的加速度，使无人飞行器完成多种不同的动作，例如转向、加速、上升或者下降。具体的，如图1所示，该无人飞行器可以是四旋翼飞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器的坐标系转换方法，其特征在于，所述方法包括：分别获取机身坐标系的X轴和Y轴在当地水平坐标系的水平面上的投影的X轴单位向量和Y轴单位向量，所述机身坐标系为以飞行器为坐标原点的坐标系；计算所述X轴单位向量kx和Y轴单位向量ky的向量和；通过所述向量和表示倾斜角；使用所述倾斜角进行所述当地水平坐标系和控制坐标系之间的转换。

【技术特征摘要】
2018.07.03 EP 18181402.11.一种飞行器的坐标系转换方法，其特征在于，所述方法包括：分别获取机身坐标系的X轴和Y轴在当地水平坐标系的水平面上的投影的X轴单位向量和Y轴单位向量，所述机身坐标系为以飞行器为坐标原点的坐标系；计算所述X轴单位向量kx和Y轴单位向量ky的向量和；通过所述向量和表示倾斜角；使用所述倾斜角进行所述当地水平坐标系和控制坐标系之间的转换。2.根据权利要求1所述的坐标系转换方法，其特征在于，所述机身坐标系与所述当地水平坐标系之间通过欧拉角旋转矩阵进行转换；所述欧拉角旋转矩阵的旋转顺序为依次绕飞行器自身的横滚轴、航向轴以及俯仰轴旋转。3.根据权利要求2所述的坐标系转换方法，其特征在于，分别通过如下算式计算所述X轴单位向量和Y轴单位向量；其中，T为一个取自所述欧拉角旋转矩阵的2×2矩阵，kx为X轴单位向量，ky为Y轴单位向量，为矩阵乘积的范数。4.根据权利要求3所述的坐标系转换方法，其特征在于，T为从所述欧拉角旋转矩阵中前两行和前两列中取出的数据构成的2×2矩阵。5.根据权利要求3所述的坐标系转换方法，其特征在于，所述倾斜角通过如下算式表示：其中，Ψ为倾斜角，所述向量和为二维向量，k(2)和k(1)分别为所述向量和在Y轴和X轴上投影的长度。6.一种飞行器的坐标系转换装置，其特征在于，所述装置包括：单位向量获取模块，用于获取机身坐标系的X轴和Y轴在当地水平坐标系的水平面上的投影的X轴单位向量和Y轴单位向量，所述机身坐标系为以飞行器为坐标原点的坐标系；向量和计算模块，用于计算所述X轴单位向量和Y轴单位向量的向量和；倾斜角表示模块，通过所述向量和表示倾斜角；坐标系转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，托马斯·拉斐勒，
申请(专利权)人：深圳市道通智能航空技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44