CN103019250B - 巡检飞行机器人斜面起飞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了飞行控制领域的一种巡检飞行机器人斜面起飞控制方法。其技术方案是，将斜面倾斜角度分为第一角度范围，第二角度范围和第三角度范围；并将巡检飞行机器人放在斜面上，并测量斜面角度值，确定斜面的角度范围；当测量斜面角度值属于第一角度范围和第二角度范围时，通过第一目标函数控制巡检飞行机器人姿态；当测量斜面角度值属于第三角度范围时，停止起飞；通过切换条件判断巡检飞行机器人是否转入悬停阶段；当满足切换条件，巡检飞行机器人转入悬停阶段，通过第二目标函数控制巡检飞行机器人姿态。本发明的有益效果是研究出了适合现场实际需求的斜面起飞方法，为巡检飞行机器人在实际环境中起飞奠定了基础。

Description

巡检飞行机器人斜面起飞控制方法

技术领域

本发明属于飞行控制领域，尤其涉及一种巡检飞行机器人斜面起飞控制方法。

背景技术

空中机器人的自主飞行控制是目前电力线巡检研究的一个重点方面，由于无人机巡检具有极高的安全性，灵活轻便，同时减少了人工巡检的花费，因此它是实现巡检例如架空电力线路巡检、输油管线巡检、交通监控等的重要途径。由于电力线路巡检多在野外进行，客观条件不容许飞机从理想平面上起飞。然而现有的模型都是基于平面起飞的，仅有少量的研究飞机斜面起飞问题。为了更好真实的重现飞机起飞过程，我们有必要引进飞机在斜面起飞时的三维模型。

针对实际遇到的客观问题这里引入了新型简单的控制算法。飞机在斜面上起飞时由于斜面有一定的倾角及高度，飞机过早的调整姿态可能导致飞机旋翼打到斜面上，造成很大的安全隐患。此外，鉴于野外环境的复杂性，该控制算法具有快速性，稳定性，节能性及良好的环境适应性，后两点主要体现在飞机飞行实际距离短，能够适应在狭小环境中起飞，能够更好的适应恶劣环境。

光流法是对运动序列图像进行分析的一个重要方法，光流不仅包含图像中目标的运动信息，而且包含了三维物理结构的丰富信息，因此可用来确定目标的运动情况以及反映图像其它等信息。光流传感器对于实时高精度的获取空中机器人的运动姿态和运动估计具有重要意义。

发明内容

针对背景技术中提到的电力线路巡检多在野外进行，客观条件不容许飞机从理想平面上起飞的问题，本发明提出了一种巡检飞行机器人斜面起飞控制方法。

一种巡检飞行机器人斜面起飞控制方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1：将倾斜角度分为第一角度范围0-π/5，第二角度范围π/5-π/3和第三角度范围π/3-π/2；

步骤2：将巡检飞行机器人放在斜面上，并测量斜面角度值，确定斜面的角度范围；

步骤3：当测量斜面角度值属于第一角度范围和第二角度范围时，通过第一目标函数控制巡检飞行机器人姿态；当测量斜面角度值属于第三角度范围时，停止起飞；

步骤4：通过切换条件判断巡检飞行机器人是否转入悬停阶段；

步骤5：当满足切换条件，巡检飞行机器人转入悬停阶段，并通过第二目标函数控制巡检飞行机器人姿态；当不满足切换条件时，返回步骤4。所述第一目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_p=k_{\mathrm{pp}}{\mathrm{\θ}}_e+k_{\mathrm{dp}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_e\\ {\mathrm{\τ}}_r=k_{\mathrm{pr}}{\mathrm{\α}}_e+k_{\mathrm{dr}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_e\\ {\mathrm{\τ}}_y=k_{\mathrm{py}}{\mathrm{\β}}_e+k_{\mathrm{dy}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_e\\ T=k_{\mathrm{pz}}{h}_e+k_{\mathrm{dz}}{\stackrel{\·}{h}}_e+{\mathrm{\ω}}_0\end{array}\right.$

其中，τ_p,τ_r，τ_y分别巡检飞行机器人的俯仰，偏航和滚转角；T代表需要的升力，ω₀为转子的速度；k_pp表示倾斜角控制的比例单元系数；k_dp代表倾斜角控制的微分单元系数；k_pr、k_py和k_pz分别表示偏航角、滚转角和升力控制的比例单元系数，k_dr、k_dy和k_dz分别表示偏航角、滚转角和升力控制的积分单元系数；h_e是巡检飞行机器人起飞阶段高度的偏差；θ_e为巡检飞行机器人沿Y轴旋转的角度与Y轴设定值旋转角度的偏差值；α_e为巡检飞行机器人沿X轴旋转的角度与X轴设定值旋转角度的偏差值；β_e为巡检飞行机器人沿Z轴旋转的角度与Z轴设定值旋转角度的偏差值；和表示对θ_e、α_e、β_e和h_e求导；

所述切换条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_e\≥0.01\\ {\mathrm{\α}}_e\≥0.01\\ {\mathrm{\β}}_e\≥0.01\\ h_e+\mathrm{\Δh}\≥0.01\end{array}\right.$

其中，θ_e为巡检飞行机器人沿Y轴旋转的角度与Y轴设定值旋转角度的偏差值；α_e为巡检飞行机器人沿X轴旋转的角度与X轴设定值旋转角度的偏差值；β_e为巡检飞行机器人沿Z轴旋转的角度与Z轴设定值旋转角度的偏差值；h_e为巡检飞行机器人起飞阶段高度的偏差，且h_e=h-z，h是起飞高度，且h=sinθcosθ(r+d)，θ表示斜面倾斜角，d表示旋翼中心到巡检飞行机器人重心的距离，r表示巡检飞行机器人旋翼半径；z是巡检飞行机器人实时高度值；Δh为设定的高度增量。

所述第二目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}T=k_{\mathrm{pz}}{z}_e+k_{\mathrm{dz}}{\stackrel{\·}{z}}_e+{\mathrm{\ω}}_0\\ {\mathrm{\τ}}_p=k_{\mathrm{pp}}{\mathrm{\θ}}_e+k_{\mathrm{dp}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_e\end{array}\right.$

其中，T代表需要的升力；Z_e是巡检飞行机器人高度的偏差；ω₀为转子的速度；τ_p为巡检飞行机器人的俯仰角；k_pp表示倾斜角控制的比例单元系数；k_dp代表倾斜角控制的微分单元系数；k_pz表示升力控制的比例单元系数；k_dz表示控制的积分单元系数；θ_e为巡检飞行机器人沿Y轴旋转的角度与Y轴设定值旋转角度的偏差值；z_e是巡检飞行机器人起飞阶段高度的偏差；和表示对θ_e和z_e求导。

本发明的有益效果是，主要应用于空中机器人的自主飞行控制，并研究出了适合现场实际需求的斜面起飞算法，为空中机器人在实际环境中起飞奠定了基础，并且为以后实际中应用巡检飞行机器人进行电力线巡检做了理论方面的分析工作。

附图说明

图1巡检飞行机器人结构示意图；

图2是巡检飞行机器人起飞平面结构示意图；

图3是巡检飞行机器人第一阶段起飞切换至第二阶段悬停示意图；

图4是巡检飞行机器人起飞的斜面角度范围划分示意图；

图5是巡检飞行机器人斜面起飞控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1巡检飞行机器人结构示意图。图1中，所示巡检飞行机器人上装有光流传感器，超声传感器、陀螺和加速计。其中光流传感器获得巡检飞行机器人水平运动的信息，超声传感器获得巡检飞行机器人实时高度信号大小，陀螺用于测量滚转角。

图2是巡检飞行机器人起飞平面结构示意图。图2中，xyz坐标系区分与机体坐标系，代表地面坐标系o{x,y,z}；根据不同的斜面倾斜角度由于这里假定巡检飞行机器人运动方向，X方向代表巡检飞行机器人前进方向，Y代表巡检飞行机器人的侧向航程，Z轴垂直于地面，指示巡检飞行机器人飞行高度。

图3是巡检飞行机器人由第一阶段起飞切换至第二阶段悬停示意图。图3中，当巡检飞行机器人起飞之后满足切换条件时，就从起飞阶段转换至悬停阶段。

图4是巡检飞行机器人起飞的斜面角度范围划分示意图。图4中，第一阶段起飞根据不同的倾斜角度可分为第一角度范围（0-π/5），第二角度范围（π/5-π/3），第三角度范围（π/3-π/2）。第一角度范围（0-π/5）决定巡检飞行机器人可以保持倾斜角θ不变，换而言之可以保持在起飞的飞行姿态；当巡检飞行机器人起飞角度处于第二角度范围（π/5-π/3）时，巡检飞行机器人在起飞时保持倾斜角不变，其目的是为了防止巡检飞行机器人的机翼撞击到起飞倾斜面上，飞行一段时间后调整巡检飞行机器人姿态至第一角度范围；当巡检飞行机器人起飞角度第三角度范围（π/3-π/2）中，由于倾斜角度过大，不宜起飞。

在本实施例中，倾斜角初值设定为π/3，设定角度为π/5。当转换条件满足的时候，巡检飞行机器人飞行姿态角度从π/3转到π/5，经过一段时间的调整后由π/5调整到0。这里的0代表的是巡检飞行机器人处于悬停模式。

图5是巡检飞行机器人斜面起飞控制方法流程图。图5中，具体步骤包括：

步骤1：将倾斜角度分为第一角度范围0-π/5，第二角度范围π/5-π/3和第三角度范围π/3-π/2；

步骤2：将巡检飞行机器人放在斜面上，并测量斜面角度值，确定斜面的角度范围；

步骤3：当测量斜面角度值属于第一角度范围和第二角度范围时，通过第一目标函数控制巡检飞行机器人姿态；当测量斜面角度值属于第三角度范围时，停止起飞；

步骤4：通过切换条件判断巡检飞行机器人是否转入悬停阶段；

步骤5：当满足切换条件，巡检飞行机器人转入悬停阶段，并通过第二目标函数控制巡检飞行机器人姿态；当不满足切换条件时，返回步骤4。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种巡检飞行机器人斜面起飞控制方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1：将倾斜角度分为第一角度范围0-π/5，第二角度范围π/5-π/3和第三角度范围π/3-π/2；

步骤2：将巡检飞行机器人放在斜面上，并测量斜面角度值，确定斜面的角度范围；

步骤3：当测量斜面角度值属于第一角度范围和第二角度范围时，通过第一目标函数控制巡检飞行机器人姿态；当测量斜面角度值属于第三角度范围时，停止起飞；

所述第一目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_p=k_{\mathrm{pp}}{\mathrm{\θ}}_e+k_{\mathrm{dp}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_e\\ {\mathrm{\τ}}_r=k_{\mathrm{pr}}{\mathrm{\α}}_e+k_{\mathrm{dr}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_e\\ {\mathrm{\τ}}_y=k_{\mathrm{py}}{\mathrm{\β}}_e+k_{\mathrm{dy}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_e\\ T=k_{\mathrm{pz}}{h}_e+k_{\mathrm{dz}}{\stackrel{\·}{h}}_e+{\mathrm{\ω}}_0\end{array}\right.$

其中，τ_p,τ_r,τ_y分别巡检飞行机器人的俯仰，偏航和滚转角；T代表需要的升力，ω₀为转子的速度；k_pp表示倾斜角控制的比例单元系数；k_dp代表倾斜角控制的微分单元系数；k_pr、k_py和k_pz分别表示偏航角、滚转角和升力控制的比例单元系数，k_dr、k_dy和k_dz分别表示偏航角、滚转角和升力控制的积分单元系数；h_e是巡检飞行机器人起飞阶段高度的偏差；θ_e为巡检飞行机器人沿Y轴旋转的角度与Y轴设定值旋转角度的偏差值；α_e为巡检飞行机器人沿X轴旋转的角度与X轴设定值旋转角度的偏差值；β_e为巡检飞行机器人沿Z轴旋转的角度与Z轴设定值旋转角度的偏差值；和表示对θ_e、α_e、β_e和h_e求导；

步骤4：通过切换条件判断巡检飞行机器人是否转入悬停阶段；

所述切换条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_e\≥0.01\\ {\mathrm{\α}}_e\≥0.01\\ {\mathrm{\β}}_e\≥0.01\\ h_e+\mathrm{\Δh}\≥0.01\end{array}\right.$

其中，h_e＝h-z，h是起飞高度，且h＝sinθcosθ(r+d)，θ表示斜面倾斜角，d表示旋翼中心到巡检飞行机器人重心的距离，r表示巡检飞行机器人旋翼半径；z是巡检飞行机器人实时高度值；Δh为设定的高度增量；

步骤5：当满足切换条件，巡检飞行机器人转入悬停阶段，并通过第二目标函数控制巡检飞行机器人姿态；当不满足切换条件时，返回步骤4；

所述第二目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}T=k_{\mathrm{pz}}{z}_e+k_{\mathrm{dz}}{\stackrel{\·}{z}}_e+{\mathrm{\ω}}_0\\ {\mathrm{\τ}}_p=k_{\mathrm{pp}}{\mathrm{\θ}}_e+k_{\mathrm{dp}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_e\end{array}\right.$

其中，Z_e是巡检飞行机器人高度的偏差，表示对Z_e求导。