基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法及其控制系统

摘要

本发明公开了一种基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法，包括坐标系建立步骤、数据获取步骤和执行步骤；执行步骤包括：B1：将原始机头角度a、天线指向角度b和水平飞行方向c发送到无人机的主控制器；B2：主控制器计算出无人机在机体坐标系下的当前机头方向d，其中，d＝b‑a；B3：主控制器计算出无人机在机体坐标系下的运动方向e，其中e＝d+c。还公开了一种基于遥控器姿态的无人机飞行控制系统，包括坐标系建立模块、数据获取模块和执行模块。所述基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法及其控制系统，操纵者不必清楚记忆无人机起飞时机头的朝向也能控制无人机，降低了对操纵者的操纵技术的要求，降低了出现失误的情况，保证了人身安全。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，特别是一种基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法及其控制系统。

背景技术

当前，无人机行业发展迅速，基于无人机的应用越来越广阔。市场上现有的无人机的控制方式一般是基于无人机的预设的机头，操纵者要清楚无人机当前的机头朝向，再操纵偏航、俯仰、横滚角的摇杆，对无人机进行控制。即使是使用无头模式，操纵者也要清楚记忆无人机起飞时机头的朝向，这对操纵者的操纵技术有很高的要求，对新手有更高的要求，容易出现失误的情况，威胁到人身安全。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法及其控制系统，操纵者不必清楚记忆无人机起飞时机头的朝向也能控制无人机，降低了对操纵者的操纵技术的要求，降低了出现失误的情况，保证了人身安全。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法，包括坐标系建立步骤、数据获取步骤和执行步骤；

所述坐标系建立步骤为：分别建立遥控器坐标系、地理坐标系和机体坐标系；

所述数据获取步骤包括：

A1：采集无人机在遥控器坐标系下的水平飞行方向c；

A2：采集遥控器天线在地理坐标系下的天线指向角度b；

A3：获取在地理坐标系下所述无人机的原始机头角度a；

所述执行步骤包括：

B1：将所述原始机头角度a、天线指向角度b和水平飞行方向c发送到无人机的主控制器；

B2：所述主控制器计算出无人机在机体坐标系下的当前机头方向d，其中，d＝b-a；

B3：所述主控制器计算出无人机在机体坐标系下的运动方向e，其中e＝d+c。

例如，所述无人机和遥控器之间通过5G通信网络进行数据传输；

所述数据获取步骤在步骤A1之前还包括：

A0：所述遥控器向无人机输入水平飞行方向c、期望机身倾斜角angle和垂直高度油门g。

值得说明的是，所述无人机设有四台电机，四台电机间隔分布于所述无人机的四周，相邻的两台电机的朝向的夹角为90°，四台电机分别为第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；

所述执行步骤在步骤B3之后还包括：

B4：所述主控制器根据所述运动方向e控制四台所述电机的转速从而调整所述无人机的实际飞行方向。

可选地，所述步骤B4具体为：所述主控制器计算出第一电机相对于所述运动方向e的倾斜角f，其中f＝e-n，所以第一电机的朝向与所述原始机头的朝向之间的夹角为偏置角n；

将遥控器的期望机身倾斜角angle和实际机身倾斜角度angle0通过角度控制器计算后得到角度控制量angle_output；

所述主控制器计算出第一电机的转速变化量Delta_speed1、第二电机的转速变化量Delta_speed2、第三电机的转速变化量Delta_speed3和第四电机的转速变化量Delta_speed4；

其中，Delta_speed1＝-angle_output*cos(f)，

Delta_speed2＝-angle_output*sin(f)，

Delta_speed3＝+angle_output*cos(f)，

Delta_speed4＝+angle_output*sin(f)；

所述主控制器计算出第一电机的转速speed1、第二电机的转速speed2、第三电机的转速speed3和第四电机的转速speed4；

其中，speed1＝hold_speed+Delta_speed1，

speed2＝hold_speed+Delta_speed2，

speed3＝hold_speed+Delta_speed3，

speed4＝hold_speed+Delta_speed4，

hold_speed为高度保持油门，所述垂直高度油门g经过高度控制器处理后得到高度保持油门hold_speed。

具体地，所述步骤A2具体为：通过所述遥控器的定位模块、陀螺仪以及磁力计模块获取当前遥控器的姿态，然后利用当前遥控器的姿态计算出天线指向角度b。

优选的，一种基于遥控器姿态的无人机飞行控制系统，包括坐标系建立模块、数据获取模块和执行模块；

所述坐标系建立模块用于建立遥控器坐标系、地理坐标系和机体坐标系；

所述数据获取模块用于采集无人机在遥控器坐标系下的水平飞行方向c；

还用于采集遥控器天线在地理坐标系下的天线指向角度b；

还用于获取在地理坐标系下所述无人机的原始机头角度a；

所述执行模块用于将所述原始机头角度a、天线指向角度b和水平飞行方向c发送到无人机的主控制器；

还用于通过所述主控制器计算出无人机在机体坐标系下的当前机头方向d，其中，d＝b-a；

还用于通过所述主控制器计算出无人机在机体坐标系下的运动方向e，其中e＝d+c。

例如，所述无人机和遥控器之间通过5G通信网络进行数据传输；

所述数据获取模块还用于通过所述遥控器向无人机输入水平飞行方向c、期望机身倾斜角angle和垂直高度油门g。

值得说明的是，所述无人机设有四台电机，四台电机间隔分布于所述无人机的四周，相邻的两台电机的朝向的夹角为90°，四台电机分别为第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；

所述执行模块还用于利用所述主控制器根据所述运动方向e控制四台所述电机的转速，从而调整所述无人机的实际飞行方向。

可选地，所述执行模块还用于通过所述主控制器计算出第一电机相对于所述运动方向e的倾斜角f，其中f＝e-n，所述第一电机的朝向与所述原始机头朝向之间的夹角为偏置角n；

还用于将遥控器的期望机身倾斜角angle和实际机身倾斜角度angle0通过角度控制器计算后得到角度控制量angle_output；

还用于通过所述主控制器计算出第一电机的转速变化量Delta_speed1、第二电机的转速变化量Delta_speed2、第三电机的转速变化量Delta_speed3和第四电机的转速变化量Delta_speed4；

其中，Delta_speed1＝-angle_output*cos(f)，

Delta_speed2＝-angle_output*sin(f)，

Delta_speed3＝+angle_output*cos(f)，

Delta_speed4＝+angle_output*sin(f)；

还用于通过所述主控制器计算出第一电机的转速speed1、第二电机的转速speed2、第三电机的转速speed3和第四电机的转速speed4；

其中，speed1＝hold_speed+Delta_speed1，

speed2＝hold_speed+Delta_speed2，

speed3＝hold_speed+Delta_speed3，

speed4＝hold_speed+Delta_speed4，

hold_speed为高度保持油门，所述垂直高度油门g经过高度控制器处理后得到高度保持油门hold_speed。

具体地，所述数据获取模块还用于通过所述遥控器的定位模块、陀螺仪以及磁力计模块获取当前遥控器的姿态；

还用于利用当前遥控器的姿态计算出天线指向角度b。

本发明的有益效果：在所述基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法中，将当前遥控器天线的指向信息，即天线指向角度b传输至无人机的主控制器，无人机将该指向作为当前机头。操纵者拨动遥控器的方向摇杆，实现无人机当前机头下的前进、后退、左飞和右飞；该控制方法使得当前机头的方向与遥控器的天线指向角度的指向一致，大大降低了操纵者操作失误的概率。操纵者不必清楚记忆无人机起飞时机头的朝向也能控制无人机，降低了对操纵者的操纵技术的要求，降低了出现失误的情况，保证了人身安全。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中控制方法的流程图；

图2是本发明的一个实施例中的原始机头角度、天线指向角度、水平飞行方向、当前机头方向和运动方向的角度关系示意图；

图3是本发明的一个实施例中无人机的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例中在机体坐标系下原始机头、第一电机和运动方向的角度关系示意图；

其中：1第一电机；2第二电机；3第三电机；4第四电机；5无人机；原始机头角度a；天线指向角度b；水平飞行方向c；当前机头方向d；运动方向e；倾斜角f；偏置角n。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的实施方式的不同结构。为了简化本发明的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明的实施方式可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明的实施方式提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1和2所示，一种基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法，包括坐标系建立步骤、数据获取步骤和执行步骤；

所述坐标系建立步骤为：分别建立遥控器坐标系、地理坐标系和机体坐标系；

所述数据获取步骤包括：

A1：采集无人机11在遥控器坐标系下的水平飞行方向c；

A2：采集遥控器天线在地理坐标系下的天线指向角度b；

A3：获取在地理坐标系下所述无人机11的原始机头角度a；

所述执行步骤包括：

B1：将所述原始机头角度a、天线指向角度b和水平飞行方向c发送到无人机11的主控制器；

B2：所述主控制器计算出无人机11在机体坐标系下的当前机头方向d，其中，d＝b-a；

B3：所述主控制器计算出无人机11在机体坐标系下的运动方向e，其中e＝d+c。

在所述基于遥控器姿态的无人机飞行控制方法中，将当前遥控器天线的指向信息，即天线指向角度b传输至无人机11的主控制器，无人机11将该指向作为当前机头。操纵者拨动遥控器的方向摇杆，实现无人机11当前机头下的前进、后退、左飞和右飞；该控制方法使得当前机头的方向与遥控器的天线指向角度的指向一致，大大降低了操纵者操作失误的概率。操纵者不必清楚记忆无人机11起飞时机头的朝向也能控制无人机11，降低了对操纵者的操纵技术的要求，降低了出现失误的情况，保证了人身安全。

建立地理方向坐标系时，以北为0°，东为90°，南为180°，西为270°。

对于无人机11，建立机体方向坐标系时，以机体前方为0°，其右方为90°，其后方为180°，其左方为270°。对于遥控器，建立遥控器方向坐标系时，以天线指向的前方为0°，其右方为90°，其后方为180°，其左方为270°。所述运动方向e为无人机11的实际飞行方向。无人机在地理坐标系下的原始机头角度是角度a时，无人机在机体坐标系下的原始机头角度是0度。原始机头角度指的是：无人机起飞前机头在地理坐标系下的角度，并且在整个飞行过程中，无人机偏航角保持不变。

一些实施例中，所述无人机11和遥控器之间通过5G通信网络进行数据传输；

所述数据获取步骤在步骤A1之前还包括：

A0：所述遥控器向无人机11输入水平飞行方向c、期望机身倾斜角angle和垂直高度油门g。

使用5G通信网络进行遥控器和无人机11之间的信息传输，在实现遥控范围扩大的同时，还满足传输时延低，数据带宽大等的要求，无人机11的机载相机所拍摄的超清画面也能实时回传至遥控器的显示屏上，改善了用户的使用体验。

遥控器在结构上使用了两个摇杆，左摇杆为油门摇杆，控制飞机油门；右摇杆为方向遥杆，控制无人机11的飞行方向和机身在飞行方向上倾斜角度。遥控器只需要发送垂直高度油门g、水平飞行方向c、期望机身倾斜角angle和天线指向角度b这4个数据即能实现对无人机11的控制。与目前市场上遥控器相比，取消了对偏航的控制，其操作方式更简单、容易。所述垂直高度油门g用于控制无人机11的飞行高度，所述水平飞行方向c用于控制所述无人机11的飞行方向，所述期望机身倾斜角angle用于控制所述无人机11的飞行倾斜度。

例如，所述无人机11设有四台电机，四台电机间隔分布于所述无人机11的四周，相邻的两台电机的朝向的夹角为90°，四台电机分别为第一电机1、第二电机2、第三电机3和第四电机4；

所述执行步骤在步骤B3之后还包括：

B4：所述主控制器根据所述运动方向e控制四台所述电机的转速从而调整所述无人机11的实际飞行方向。

如图3所示，上述设置能使四台电机平均分配在无人机11的四个角落，在飞行时能使无人机11受力平衡。

值得说明的是，所述步骤B4具体为：所述主控制器计算出第一电机1相对于所述运动方向e的倾斜角f，其中f＝e-n，所以第一电机1的朝向与所述原始机头的朝向之间的夹角为偏置角n；

将遥控器的期望机身倾斜角angle和实际机身倾斜角度angle0相减，得到角度误差angle_error＝angle-angle0。角度误差angle_error再经过角度控制器输出角度控制量angle_output。其中，角度控制器使用的是PID控制器：

其中，Kp、Ki、Kd分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数；

所述主控制器计算出第一电机1的转速变化量Delta_speed1、第二电机2的转速变化量Delta_speed2、第三电机3的转速变化量Delta_speed3和第四电机4的转速变化量Delta_speed4；

其中，Delta_speed1＝-angle_output*cos(f)，

Delta_speed2＝-angle_output*sin(f)，

Delta_speed3＝+angle_output*cos(f)，

Delta_speed4＝+angle_output*sin(f)；

所述主控制器计算出第一电机1的转速speed1、第二电机2的转速speed2、第三电机3的转速speed3和第四电机4的转速speed4；

其中，speed1＝hold_speed+Delta_speed1，

speed2＝hold_speed+Delta_speed2，

speed3＝hold_speed+Delta_speed3，

speed4＝hold_speed+Delta_speed4，

hold_speed为高度保持油门，所述垂直高度油门g经过高度控制器处理后得到高度保持油门hold_speed。

如图3和4所示，机体坐标系下原始机头角度a为0°，设置第一电机1的朝向与所述原始机头朝向之间的夹角为45°，所述第二电机2与所述原始机头朝向之间的夹角为135°，所述第三电机3与所述原始机头朝向之间的夹角为225°，所述第四电机4与所述原始机头朝向之间的夹角为315°。运动方向e与第一电机1的夹角即为第一电机1相对于所述运动方向e的倾斜角f，当所述运动方向e为100°时，所述倾斜角为55°。再根据上述方法即能计算出无人机11保持该运动方向e时每个电机需要的转速。

可选地，所述步骤A2具体为：通过所述遥控器的定位模块、陀螺仪以及磁力计模块获取当前遥控器的姿态，然后利用当前遥控器的姿态计算出天线指向角度b。

使用定位模块、陀螺仪以及磁力计模块获取当前遥控器的姿态，将当前遥控器天线的指向信息传输至无人机11终端，无人机11将该指向作为机头，使得操纵者在手握遥控器的情况下，无人机11的当前机头朝向就为操纵者的前方朝向。这样，无人机11机头就会自动跟随操纵者的前方朝向，而不需要操纵者去寻找无人机11原始的机头朝向。

具体地，一种基于遥控器姿态的无人机飞行控制系统，包括坐标系建立模块、数据获取模块和执行模块；

所述坐标系建立模块用于建立遥控器坐标系、地理坐标系和机体坐标系；

所述数据获取模块用于采集无人机11在遥控器坐标系下的水平飞行方向c；

还用于采集遥控器天线在地理坐标系下的天线指向角度b；

还用于获取在地理坐标系下所述无人机11的原始机头角度a；

所述执行模块用于将所述原始机头角度a、天线指向角度b和水平飞行方向c发送到无人机11的主控制器；

还用于通过所述主控制器计算出无人机11在机体坐标系下的当前机头方向d，其中，d＝b-a；

还用于通过所述主控制器计算出无人机11在机体坐标系下的运动方向e，其中e＝d+c。

在所述基于遥控器姿态的无人机飞行控制系统中，将当前遥控器天线的指向信息，即天线指向角度b传输至无人机11的主控制器，无人机11将该指向作为当前机头。操纵者拨动遥控器的方向摇杆，实现无人机11当前机头下的前进、后退、左飞和右飞，操纵者不必清楚记忆无人机11起飞时机头的朝向也能控制无人机11。

优选的，所述无人机11和遥控器之间通过5G通信网络进行数据传输；

所述数据获取模块还用于通过所述遥控器向无人机11输入水平飞行方向c、期望机身倾斜角angle和垂直高度油门g。

5G通信网络用于无人机11与遥控器之间的通信传输，大大的增加了无人机11的工作半径。无人机11先根据遥控器的姿态确定当前的机头朝向，再通过分析垂直高度油门g、水平飞行方向c和期望机身倾斜角angle这三组数据，做出飞行控制。

一些实施例中，所述无人机11设有四台电机，四台电机间隔分布于所述无人机11的四周，相邻的两台电机的朝向的夹角为90°，四台电机分别为第一电机1、第二电机2、第三电机3和第四电机4；

所述执行模块还用于利用所述主控制器根据所述运动方向e控制四台所述电机的转速，从而调整所述无人机11的实际飞行方向。

通过调节所述运动方向e控制四台所述电机的转速，从而调整所述无人机11的机身的倾斜角，继而调整所述无人机11的实际飞行方向。

例如，所述执行模块还用于通过所述主控制器计算出第一电机1相对于所述运动方向e的倾斜角f，其中f＝e-n，所述第一电机1的朝向与所述原始机头朝向之间的夹角为偏置角n；

还用于将遥控器的期望机身倾斜角angle和实际机身倾斜角度angle0通过角度控制器计算后得到角度控制量angle_output；

还用于通过所述主控制器计算出第一电机1的转速变化量Delta_speed1、第二电机2的转速变化量Delta_speed2、第三电机3的转速变化量Delta_speed3和第四电机4的转速变化量Delta_speed4；

其中，Delta_speed1＝-angle_output*cos(f)，

Delta_speed2＝-angle_output*sin(f)，

Delta_speed3＝+angle_output*cos(f)，

Delta_speed4＝+angle_output*sin(f)；

还用于通过所述主控制器计算出第一电机1的转速speed1、第二电机2的转速speed2、第三电机3的转速speed3和第四电机4的转速speed4；

其中，speed1＝hold_speed+Delta_speed1，

speed2＝hold_speed+Delta_speed2，

speed3＝hold_speed+Delta_speed3，

speed4＝hold_speed+Delta_speed4，

hold_speed为高度保持油门，所述垂直高度油门g经过高度控制器处理后得到高度保持油门hold_speed。

该控制系统能使无人机11以遥控器天线所指的天线指向角度b为当前机头方向，以运动方向e和遥控器给定的水平飞行速度飞行。

值得说明的是，所述数据获取模块还用于通过所述遥控器的定位模块、陀螺仪以及磁力计模块获取当前遥控器的姿态；

还用于利用当前遥控器的姿态计算出天线指向角度b。

定位模块可以使用全球定位系统(GPS)或者是北斗导航系统，用于获取遥控器的当前位置。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施实施进行变化、修改、替换和变型。