[发明专利]具有多个螺旋桨的旋翼无人机的导航方法

说明书

本发明涉及例如四桨直升机等的旋翼无人机。

无人机具有由各马达驱动的多个螺旋桨，这些马达是独立可控的，以便控制无人机的高度和速度。

此类无人机的一个典型例子就是法国巴黎Parrot SA的AR.Drone，其是安装了一组传感器(高度计、三轴陀螺仪、加速度计)的四桨直升机。该无人机还具有前方摄像头来采集无人机前进方向上的场景的图像，以及向下监视的摄像头来采集飞越过的地表的图像。

该无人机由使用者通过遥控设备来控制，遥控设备通过无线电与无人机连接。

WO 2010/061099 A2(Parrot SA)具体描述了此无人机以及如何通过电话或具有触摸屏和集成在其中的加速度计的多媒体播放器来控制该无人机。

如果以这样的方式来控制马达，即：使得无人机偏转或机鼻向下“俯冲”(以俯仰角偏转)，则它将以随倾角的增加而增加的速度向前移动；相反地，如果它采取在相反方向上的“机鼻向上”姿势，则它的速度会逐渐降低然后反转，向后掉落。类似地，关于滚转轴的偏转(无人机向左或向右倾斜)使得无人机以线性方式向左或向右水平移动。

总的来说，术语“偏转”是用于指代无人机相对于固定地面参照系统水平面的偏转，应理解到，其水平速度的纵向和横向分量以及其关于俯仰轴和滚转轴的偏转是紧密联系的。

无人机还具有自动稳定系统，自动稳定系统特别用于使得无人机自动达到平衡点，并且一旦达到平衡点，就提供所需的校正以维持这个稳定的点，例如校正由诸如空气运动之类的外部作用所引起的平移运动的微小变化。在这个过程中，通过微调来估计传感器的漂移。

惯性传感器(加速度计和陀螺仪)可以相当准确地测量无人机的角速度和姿态角(即，描述无人机相对于绝对地面参照系统的偏转度的欧拉角)。它们所传输的信号可以被用于动态地伺服控制无人机的推力方向与扰流的方向相反，或者与使用者发送给无人机的驾驶指令的方向相反。

高度计是位于无人机下面的超声波测距仪，它传输高度测量数据，以伺服控制推力方向来稳定无人机的高度。

把无人机向下监视摄像头传输回来的图像与加速度计的数据结合起来分析，可以估算出水平面上的线速度(在陆地参照系统水平面上，纵向和横向延伸的两个正交分量所表示的平移运动的速度)，使用软件从由摄像头采集的一张到下一张图像估计其运动，估计所得的运动受比例系数的影响，该比例系数是关于所测高度的函数。多种算法可以在接近悬停飞行状态中的平衡点(在该状态中，所使用的廉价的加速度计由于太大的噪音，经过信号的双层积分后，很难对无人机的速度进行令人满意的估算，因此，利用摄像头测量速度可以补偿这些由传感器引起的偏差)附近，实时地、较为精确地确定水平速度，包括那些接近无人机最高速度(约每秒8米(m/s))的值，和那些很小的值。

特别地，本发明涉及这样的过渡：

从一个状态：其中，无人机高速飞行(并因此具有非零的倾角)，以下称为“移动状态”，并被由使用者发送到无人机的驾驶指令所控制；

到另一个状态：该无人机并不运动，以下称为“悬停”状态，其中，无人机的水平速度为零，并且其倾角同样为零。该状态下，用于将无人机自动稳定在悬停飞行的回路被启动，以维持如上所述的速度和倾斜角均为零的悬停状态。

当使用者触发了从受控导航模式到自动导航模式的切换后，这样的过渡才会发生。在受控制导航模式中，无人机根据使用者通过控制器施加的指令而飞行；在自动导航模式中，无人机仅仅基于其传感器所采集的数据而飞行，并不受使用者方面的干预。

如上述的WO 2010/061099A2里所描述的，当使用者“放开”了控制仪，过渡才会发生，例如，手指从仪器的触摸屏上拿开：这种情况下，出于安全原因，无人机就自动进入悬停飞行状态。

为实现这个过渡，自动导航系统将设定值应用于回路来控制无人机的马达，以达到速度和倾角均为零的目标值。

然而，如果将速度和倾角的零目标值直接作为设定值而应用于控制回路，则常常可以看到，无人机达到悬停状态要花费很长的时间，并且是在继续了很长的一段路之后且其速度发生了一次或多次符号改变(即，无人机超过定点、反转、振荡等)之后，这里所涉及的制动时间(即，从过渡的开始起算，达到最终悬停状态所花的时间)与有经验的使用者直接控制的从运动状态到悬停状态的过渡相比，并不是最优的。

本发明的目的在于提供一种方法，使得该方法下的这种过渡可以是完全自动并且优化的，即，快速发生、路线较短、并且无人机的速度不发生符号变化、无人机无振荡，这样可以在最短的时间内达到悬停状态。