一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元；其中所述陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机的速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据检测结果进行计算并对电机进行调整。本发明专利技术通过对无人机的姿态、速度、位置进行实时更新，并采用多级PID控制方式对其进行调整，从而分别对无人机飞行姿态和飞行高度进行调整，实现无人机定姿和定高飞行，提高飞行稳定性。高飞行稳定性。高飞行稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法


[0001]本专利技术涉及无人机
，特别涉及一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法。

技术介绍

[0002]目前市场上无人机开始广泛应用，无人机具有体积小、重量轻、费用低、操作灵活、安全性高的特点，广泛应用于航拍、检测、资源勘查等领域。特别是煤矿行业，由于其工作环境的需求，有些区域存在危险，不适合工作人员下去探测，因此可采用无人机进行检测。
[0003]但煤矿内部的道路环境非常复杂，弯道多，内部气流的流动会导致无人机飞行的稳定性变差，特别是在煤矿巷道内GPS信号完全中断的情况下，工作人员无法及时调整，无人机就会发生碰撞，导致后续工作无法展开。

技术实现思路

[0004]针对现有技术无人机飞行稳定性较差的问题，本专利技术提出一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统和方法，通过对无人机的姿态、速度、位置进行实时更新和调整，从而实现无人机定姿和定高飞行，提高飞行稳定性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元，陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元分别和控制单元连接；其中，
[0007]所述陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机相对于大气的速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据陀螺仪、空速计、加速度计和位置检测单元的检测信息调整电机转动。
[0008]优选的，所述控制单元包括定姿控制单元和定高控制单元。
[0009]优选的，所述定姿控制单元包括外环角度比例控制和内环角速度PID，用于控制无人机的飞行角度；所述定高控制单元包括高度位置环、竖直速度环和竖直加速度环PID，用于控制无人机的飞行高度。
[0010]本专利技术还提供一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，包括以下步骤：
[0011]S1：分别采集无人机的参数进行姿态更新、惯导速度更新和位置更新；
[0012]S2：控制单元根据姿态更新调整无人机的飞行角度，根据惯导速度更新和位置更新调整无人机的飞行高度。
[0013]优选的，所述S1中，采集无人机飞行过程四元数并实时进行姿态更新：
[0014][0015]公式(1)中，表示t
m
时刻的四元数，n表示地理坐标系，表示t
m
‑1时刻到t
m
时刻的四元数变化，Δθ
m
表示角增量标量，角增量矢量，表示陀螺仪测量的角速率，i表示惯性坐标系，b(m)表示t
m
时刻的飞机载体坐标系，b(m
‑
1)表示t
m
‑1时刻的飞机载体坐标系。
[0016]优选的，所述S1中，对无人机的惯导速度进行实时更新：
[0017][0018]公式(2)中，表示t
m
时刻的惯导速度；表示t
m
‑1时刻的惯导速度；表示姿态矩阵；表示t
m
‑1时刻到t
m
时刻输出的比力增量，使用比力输出乘以采样时间间隔进行近似；表示重力加速度，T表示采样时间间隔。
[0019]优选的，所述S1中，以无人机质心为原点建立直角坐标系为导航坐标系，对无人机的位置进行实时更新：
[0020][0021]公式(3)中，表示t
m
时刻无人机的位置坐标，表示t
m
‑1时刻无人机的位置坐标，表示t
m
时刻的惯导速度；表示t
m
‑1时刻的惯导速度。
[0022]优选的，所述S2中，无人机的飞行角度调整为：
[0023]外环角度比例控制P根据姿态更新获取角度偏差并进行修正得到角度修正结果，将角度修正结果传输到内环角速度PID，内环角速度PID控制根据角度修正结果和三轴角速度对飞行角度进行修正，并根据修正的飞行角度大小转换成对应的电流值来调整电机对应转动。
[0024]优选的，所述S2中，无人机的飞行高度调整为：
[0025]油门减油回中时：高度位置环根据位置更新对高度位置偏差进行修正并将高度修正结果传递到竖直速度环，竖直速度环根据高度修正结果对惯导速度进行修正得到速度修正结果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID控制根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机转动；
[0026]油门加油拨动时：竖直速度环根据惯导速度对竖直速度进行修正得到速度修正结
果并将速度修正结果传递到竖直加速度环PID，竖直加速度环PID根据速度修正结果对惯导加速度进行修正，从而调整电机转动。
[0027]综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0028]本专利技术通过对无人机的姿态、速度、位置进行实时更新，并采用多级PID控制方式对其进行调整，从而分别对无人机飞行姿态和飞行高度进行调整，实现无人机定姿和定高飞行，提高飞行稳定性。
附图说明：
[0029]图1为根据本专利技术示例性实施例的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统示意图。
[0030]图2为根据本专利技术示例性实施例的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法示意图。
具体实施方式
[0031]下面结合实施例及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均属于本专利技术的范围。
[0032]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。
[0033]本专利技术采用的MEMS IMU(微机电系统集成电路)，利用惯导解算的导航姿态四元数直接控制天线，从而提高飞机飞行的稳定性。
[0034]如图1所示，本专利技术提供一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元，陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元分别和控制单元双向连接。
[0035]本实施例中，陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机相对大气的三维速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据检测结果进行计算并对电机进行调整。
[0036]本实施例中，控制单元包括定姿控制单元和定高控制单元。定姿控制单元包括外环角度比例控制和内环角速度PID，实现无人机的自稳飞行；定高控制单元包括高度位置环、竖直速度环和竖直加速度环PID，实现无人机的定高飞行。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，其特征在于，包括陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元和控制单元，陀螺仪、空速计、加速度计、位置检测单元分别和控制单元连接；其中，所述陀螺仪用于检测无人机的三轴角速度；空速计用于检测无人机相对于大气的速度；加速度计用于检测无人机的加速度；位置检测单元，用于检测无人机的空间位置；控制单元用于根据陀螺仪、空速计、加速度计和位置检测单元的检测信息调整电机转动。2.如权利要求1所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，其特征在于，所述控制单元包括定姿控制单元和定高控制单元。3.如权利要求2所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的系统，其特征在于，所述定姿控制单元包括外环角度比例控制和内环角速度PID，用于控制无人机的飞行角度；所述定高控制单元包括高度位置环、竖直速度环和竖直加速度环PID，用于控制无人机的飞行高度。4.一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：分别采集无人机的参数进行姿态更新、惯导速度更新和位置更新；S2：控制单元根据姿态更新调整无人机的飞行角度，根据惯导速度更新和位置更新调整无人机的飞行高度。5.如权利要求4所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，所述S1中，采集无人机飞行过程四元数并实时进行姿态更新：公式(1)中，表示t
m
时刻的四元数，n表示地理坐标系，表示t
m
‑1时刻到t
m
时刻的四元数变化，Δθ
m
表示角增量标量，角增量矢量，表示陀螺仪测量的角速率，i表示惯性坐标系，b(m)表示t
m
时刻的飞机载体坐标系，b(m
‑
1)表示t
m
‑1时刻的飞机载体坐标系。6.如权利要求4所述的一种用于无人机自主定高和定姿飞行的方法，其特征在于，所述S1中，对无人机的惯导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张所容，陈述斌，张琼，王颖，陈晓琴，周磊，李海娟，侯艳，张淼达，
申请(专利权)人：重庆飞扬测控技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：