[發明專利]一種用于無人機自主定高和定姿飛行的系統和方法

在審

• 申請號: 202110697981.X
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113359798A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 張所容;陳述斌;張瓊;王穎;陳曉琴;周磊;李海娟;侯艷;張淼達
• 申請（專利權）人: 重慶飛揚測控技術研究院有限公司
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭云;肖秉城

本發明公開一種用于無人機自主定高和定姿飛行的系統和方法，包括陀螺儀、空速計、加速度計、位置檢測單元和控制單元；其中所述陀螺儀用于檢測無人機的三軸角速度；空速計用于檢測無人機的速度；加速度計用于檢測無人機的加速度；位置檢測單元，用于檢測無人機的空間位置；控制單元用于根據檢測結果進行計算并對電機進行調整。本發明通過對無人機的姿態、速度、位置進行實時更新，并采用多級PID控制方式對其進行調整，從而分別對無人機飛行姿態和飛行高度進行調整，實現無人機定姿和定高飛行，提高飛行穩定性。

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，特別涉及一種用于無人機自主定高和定姿飛行的系統和方法。

背景技術

目前市場上無人機開始廣泛應用，無人機具有體積小、重量輕、費用低、操作靈活、安全性高的特點，廣泛應用于航拍、檢測、資源勘查等領域。特別是煤礦行業，由于其工作環境的需求，有些區域存在危險，不適合工作人員下去探測，因此可采用無人機進行檢測。

但煤礦內部的道路環境非常復雜，彎道多，內部氣流的流動會導致無人機飛行的穩定性變差，特別是在煤礦巷道內GPS信號完全中斷的情況下，工作人員無法及時調整，無人機就會發生碰撞，導致后續工作無法展開。

發明內容

針對現有技術無人機飛行穩定性較差的問題，本發明提出一種用于無人機自主定高和定姿飛行的系統和方法，通過對無人機的姿態、速度、位置進行實時更新和調整，從而實現無人機定姿和定高飛行，提高飛行穩定性。

為了實現上述目的，本發明提供以下技術方案：

一種用于無人機自主定高和定姿飛行的系統，包括陀螺儀、空速計、加速度計、位置檢測單元和控制單元，陀螺儀、空速計、加速度計、位置檢測單元分別和控制單元連接；其中，

所述陀螺儀用于檢測無人機的三軸角速度；空速計用于檢測無人機相對于大氣的速度；加速度計用于檢測無人機的加速度；位置檢測單元，用于檢測無人機的空間位置；控制單元用于根據陀螺儀、空速計、加速度計和位置檢測單元的檢測信息調整電機轉動。

優選的，所述控制單元包括定姿控制單元和定高控制單元。

優選的，所述定姿控制單元包括外環角度比例控制和內環角速度PID，用于控制無人機的飛行角度；所述定高控制單元包括高度位置環、豎直速度環和豎直加速度環PID，用于控制無人機的飛行高度。

本發明還提供一種用于無人機自主定高和定姿飛行的方法，包括以下步驟：

S1：分別采集無人機的參數進行姿態更新、慣導速度更新和位置更新；

S2：控制單元根據姿態更新調整無人機的飛行角度，根據慣導速度更新和位置更新調整無人機的飛行高度。

優選的，所述S1中，采集無人機飛行過程四元數并實時進行姿態更新：

公式(1)中，表示t_m時刻的四元數，n表示地理坐標系，表示t_m-1時刻到t_m時刻的四元數變化，Δθ_m表示角增量標量，角增量矢量，表示陀螺儀測量的角速率，i表示慣性坐標系，b(m)表示t_m時刻的飛機載體坐標系，b(m-1)表示t_m-1時刻的飛機載體坐標系。

優選的，所述S1中，對無人機的慣導速度進行實時更新：

公式(2)中，表示t_m時刻的慣導速度；表示t_m-1時刻的慣導速度；表示姿態矩陣；表示t_m-1時刻到t_m時刻輸出的比力增量，使用比力輸出乘以采樣時間間隔進行近似；表示重力加速度，T表示采樣時間間隔。