CN103285599A - 一种通过遥控手段直观领航靶机的方法 - Google Patents

Abstract

用户根据俯仰轴(32)和翻滚轴(34)来倾斜装置(16)以产生倾斜角信号(θ_I，

)，这些倾斜角信号按照关于靶机的俯仰轴(22)和翻滚轴(24)的靶机的姿态转换为靶机(10)的相应的命令设定点(θ_d，

)。靶机和装置分别确定它们相对于联系到地面的绝对参照系(X_NEDY_NEDZ_NED)的本地参照系(X_IY_IZ_I；X_bY_bZ_b)的方向，来决定靶机相对于装置的相对角方向。接着，装置的参照系通过旋转被校正到靶机的参照系，该旋转是相对角方向的函数。校正后的值因此对应于用户命令，该命令参考装置的参照系，而不再是靶机的参照系，当用户看向靶机时允许更直观地领航。

Description

一种通过遥控手段直观领航靶机的方法

技术领域

本发明涉及一种旋转翼靶机的领航，该靶机例如为四轴直升机和类似飞机。

这些靶机具有由相应的电动机驱动的多个旋翼，电动机可以通过不同方式被控制从而以姿态-方式和速度-方式领航靶机。

背景技术

这样的靶机的一个典型例子是来自法国巴黎鹦鹉股份有限公司(PARROTSA)的AR.DRONE，它是装备有一系列传感器(加速度计，三轴陀螺仪，高度计)的四轴直升机。该靶机还设有前侧安装的摄像机，用以获取靶机所朝向的场景的图像，以及一垂直视域摄像机以获取飞过的地形的图像。

这种靶机由用户通过独立的遥控设备来领航，该遥控设备-以下称为“装置”-通过无线链路连接到靶机。WO2010/061099A2与EP2364757A1(鹦鹉股份有限公司)特别描述了这样一种靶机，以及与其通过电话或带触摸屏和集成加速度计的便携式多媒体设备来领航的原理，例如IPHONE式的蜂窝电话，或IPOD TOUCH或IPAD(由苹果公司商标注册，美国)类便携装置或多媒体便笺本。这些装置整合各种控制元件，这些控制元件是检测领航命令和与靶机通过WIFI(IEEE802.11)无线链路或蓝牙(注册商标)局域网类型双向交换数据所必需的。它们进一步设有触摸屏来显示靶机前侧安装的摄像头获取的图像，叠加某一数量的标志以使通过用户在触摸屏上简单的手指接触来激活命令成为可能。

更具体地，靶机被用户领航是通过装置的倾斜检测器发送的信号实现的，倾斜被靶机重复：例如，要靶机向前移动，用户根据俯仰轴倾斜他或她的装置，而且，要靶机向右或向左平移，他或她相对于其翻滚轴倾斜该同样的装置。这样，如果靶机通过向下倾斜或“俯冲”(倾斜按照俯仰角)这样的方式被控制，它将以随着倾斜增加而递增的速度向前移动；相反地，如果它通过相反方向“拉升”这样的方式被控制，它的速度将逐渐减慢，然后通过开始向后移动被反向。类似地，对于依照翻滚轴的倾斜命令，靶机将向右或向左倾斜，驱使向右或向左的直线水平平移。

用户还有显示在触摸屏上的其他命令，特别是“爬升/下降”(油门控制)和“向右枢转/向左枢转”(关于偏航轴的靶机的枢转)。

靶机还设有固定点通过命令：当用户解除他的遥控装置的所有命令时，靶机完全自动地固定不动并稳定在一个固定点。

装置屏幕上显示由靶机前侧安装的摄像机获取的图像，并叠加有领航按钮的标志，因而允许“身临其境的驾驶”，其中用户以同样的方式使用来自机载摄像机的图像，好像他自登上靶机一样。

然而，特殊地，这种领航模式在用户可以“想象自己在靶机中”以控制后者之前涉及一定数量的训练，对初学者或孩子而言不是领航靶机的最直观的方式。实践中，在第一次使用时，用户会有一种倾向：将他的目光固定在靶机而不是装置的屏幕。

现在，在这种情形下，额外的困难出现了，在领航操作中不得不在心理上对于用户描绘出靶机的方向。

当视线的方向(用户→靶机)和靶机行进的方向或多或少地相同时-例如当靶机背朝向用户且从用户那里飞远时-不会出现任何特殊问题，因为装置的俯仰/翻滚命令在靶机上被复制，靶机的俯仰/翻滚轴对此以相同的方式朝向。

另一方面，当靶机面向用户且朝向他移动时，这些命令会反过来：想要靶机向左平移，用户将必须向右(而不再是向左)倾斜他的装置，反之亦然。否则，当靶机行进的方向与视线的方向形成一角度时-例如当靶机在用户前面从左向右前移时-为了使从左向右的移动加速或减速，用户必须向前或向后倾斜装置，而不是像他观察靶机那样向左或向右。

换言之，在这种情形下，如果他想要通过靶机伴随他的装置来控制靶机的移动，他必须在心理上颠倒俯仰的摆动和翻滚倾斜。

发明内容

本发明的目的是为了解决这个困难，通过向给用户，特别是新手用户，提供一种身临其境领航以外的领航方式，其使得靶机更容易受到控制。

本质上，本发明提出确定靶机和装置相对于联系到地面的一固定参照系的各自方向，来从其中推导出靶机相对于装置的相对方向并以下列方式重计算用户传输到装置的命令：命令的轴(俯仰/翻滚)和这些轴的方向(前/后，或左/右)被考虑在内以使领航对应于装置在固定参照系中的轴和方向，而不再是对应于永久变化的靶机的轴和方向。

用户于是拥有一种和所述靶机的实际方向无关的靶机领航模式：这样，如果例如靶机面向用户，用户将可以通过使装置朝向他倾斜来加速靶机，通过向右倾斜装置来让它向右飞行等等，且因此当他看着靶机时是在一种完全直观的方式(但是在“身临其境”模式，他将不得不颠倒这些命令)。类似地，如果靶机在从左向右移动，他可以用一种非常简单且自发的方式通过朝向他倾斜装置来使靶机更靠近他，通过向右倾斜装置来使它加速等等。

更具体地说，本发明提出一种例如之前提及的WO2010/061099A2披露的领航方法，也就是一种领航旋转翼靶机的方法，该靶机具有由各自的电动机驱动的多个旋翼，这些电动机可以通过不同方式被控制从而以姿态-方式和速度-方式领航靶机，包括以下步骤：

-通过装置：根据装置的俯仰轴和翻滚轴倾斜该装置，并产生相应的倾斜角信号，和将装置的这些倾斜信号转换为领航命令，且将这些命令发送到靶机；

以及

-通过靶机：接收领航命令且从这些命令产生用于靶机电动机控制回路的设定点值，这些设定点值适于根据靶机的俯仰和翻滚轴控制靶机的姿态。

在本发明的一种方式特征中，该方法包括以下附加步骤：

-获取联系到装置的本地参照系相对于联系到地面的绝对参照系的第一方向数据；

-获取联系到靶机的本地参照系相对于所述绝对参照系的第二方向数据；

-从所述第一方向数据和第二方向数据来计算靶机相对于装置的相对角方向数据；

以及

-通过运用到旋转度的领航命令在靶机参照系上重新校正装置的参照系，所述旋转度是所述相对角方向数据的函数。

用这种方法，产生依照靶机的俯仰轴和翻滚轴校正的设定点值，其是倾斜角的函数，该设定点值按照其俯仰轴和翻滚轴由用户施加到装置，其考虑到的是联系到装置的本地参照系，而不再是联系到靶机的。

第一和第二方向数据较为有利地从装置和靶机相对于北方的各自的航向角地获得。

在第一实施例，简化的，旋转度是这样类型的关于相对角方向数据的函数：

θ_d和为根据与靶机联系的本地参照系中的俯仰轴和翻滚轴校正的设定点值，

θ_I和为根据与装置联系的本地参照系中的俯仰轴和翻滚轴来施加的倾斜，且

Δψ为装置和靶机相对于北方的各自的航向角的差。

于是较为有利地直接从接收到的来自装置的数据在靶机内执行该旋转度的计算，这些数据包括作用于装置的倾斜角值和装置的航向角数据。

在第二实施例，完全的，旋转度是这样类型的关于所述相对角方向数据的函数：

θ_d和

为根据靶机的俯仰轴和翻滚轴校正的设定点值，

θ_I和

为根据装置的俯仰轴和翻滚轴施加的倾斜角，且

Δψ为装置和靶机相对于北方的各自的航向角的差。

然后旋转度的计算可以部分地在装置内、且部分地在靶机内实施：

-在装置内，从作用于装置的倾斜角θ_I和

的值以及装置的航向角数据Ψ_ip的值来计算第一旋转度：

-在靶机内，从靶机的航向角数据Ψ_drone来计算第二旋转度：

通常，联系到地面的绝对参照系优选为地磁参照系，航向角为相对于磁北测得的角度。

靶机航向角的确定于是包括获取由靶机的磁力传感器传递的磁航向的测量。

特别地，靶机的航向角能够通过以下组合来获得：磁航向测量，它通过运用低通滤波器的靶机的磁力传感器传送；以及陀螺仪航向测量，它通过运用补足所述低通滤波器的高通滤波器的靶机的惯性单元传送。

该方法较为有利地包括靶机磁力传感器的校准的预备步骤，其包括以下子步骤：

-对飞行中的靶机平地绕偏航轴的一个完整旋转度排序；

-记录由磁力传感器传送的测量；以及

-确定表示周围干扰磁场的全局偏移和磁力传感器的特定偏移的值。

附图说明

现在参考附图说明本发明的示例性实施例，在附图中相同的数字标记，从一幅图到另一幅，表示相同或功能类似的元件。

图1为示出靶机和相关联的、能远程领航靶机的装置的总览图。

图2示出本发明的方法考虑的各种参照系：绝对地理参照系，靶机的特定参照系，装置的特定参照系。

图3a-3c说明传输到装置以领航靶机的倾斜命令的效果，分别为现有技术的情况(附图3a和3b)和本发明的情况(附图3c)。

图4是靶机的各种控制、伺服控制和辅助领航部件的方框图。

图5示出如何相对于装置确定靶机的相对方向。

图6说明地球磁场的各个成份，以及它们相对于地球的地理参照系的方向。

图7示例性地说明如何将由靶机的磁力计和陀螺仪单元获得的磁场方向信息组合起来。

图8示出根据本发明，在预备磁力计校准过程的背景下，在靶机本身的一个完整旋转期间的磁力测量的记录。

具体实施例

现在描述本发明示例性的实施例。

在附图1中，标记10总地表示靶机，该靶机为在以上所述的WO2010/061099A2和EP2364757A1中、以及在WO2009/109711A2(描述了基于由高度计和前景摄像机提供的信息的示例性自动稳定***)和FR2915569A1(特别地描述了具有由靶机使用的陀螺仪和加速度计的控制***)中特别描述的例如来自法国鹦鹉股份有限公司(PARROT SA)的AR.DRONE模型的四轴直升机。

靶机10包括四个共面的旋翼12，其电动机独立地由集成的导航和姿态控制***领航。它设有前景第一摄像机14，例如带CMOS传感器的广角摄像机，使其可以获取靶机所朝向的场景的图像。靶机也包括指向下方的垂直景象第二摄像机(未示出)，适用于获取飞过的地形的连续图像，且特别用来评价靶机相对于地面的速度。

惯性传感器(加速度计和陀螺仪)使以特定的准确度测量靶机的角速度和姿态角变得可能，也就是说描述靶机的倾斜角的欧拉角。设置在靶机下的超声测距仪同样提供相对于地面的高度测量。至于靶机的直线移动速度，凭借估计由摄像机获取的从一幅图像到下一幅图像的场景位移且将作为测量高度的函数的比例因子作用到该估计的位移的软件，通过组合分析由靶机的垂直视角摄像机提供的图像与加速度计数据来计算直线移动速度。

靶机10被遥控装置16领航，遥控装置16设有触摸屏18，用以显示前侧安装的摄像机14获取的图像，叠加一定数目的标志使得触摸屏18通过用户的手指20的简单触摸就可以激活领航命令。装置16设有无线电链路装置来与靶机进行从靶机10到装置16的双向数据交换，特别是传输摄像机14获取的图像，以及从装置16到靶机10的领航命令的发送。这个链路可以是例如WIFI(IEEE802.11)或蓝牙(注册商标)局域网类型。

装置16还设有倾斜传感器，它能够通过发送给装置根据俯仰轴和翻滚轴的相应倾斜角来控制靶机的姿态(参考之前提到的WO2010/061099A2提供***这方面的更多细节)。

如在前序部分中指出的，遥控装置16较为有利地包括电话或带触摸屏和集成加速度计的便携多媒体设备，例如IPHONE类型的蜂窝电话，iPod Touch类型的便携装置，或iPad类型的多媒体便笺本，装置包括必要的各种控制部件，用于显示和检测领航命令，用于观察由前侧安装的摄像机获取的图像，并用于通过Wi-Fi或蓝牙链路与靶机进行数据双向交换。

领航靶机10包括通过以下方式来四处移动靶机10：

a)绕俯仰轴22旋转，使其向前或向后移动；和/或

b)绕翻滚轴24旋转，使其向右或向左移动；和/或

c)绕偏航轴26旋转，使靶机的主轴且因此前侧安装的摄像机的指向方向向右或向左枢转；和/或

d)通过改变油门速度来向下28或向上30移动，从而分别减少或增加靶机的高度。

当由用户根据已知的领航模式从遥控装置16施加这些领航命令时，绕俯仰轴22和翻滚轴24枢转的命令a)和b)通过装置16分别绕其纵向轴32和其横向轴34的倾斜而获得：例如要使靶机向前移动，通过使其绕轴32倾斜足以使装置向前倾斜，要使靶机向右平移，通过使其绕轴34向右倾斜足以使装置倾斜，等等。

命令c)和d)，对它们来说，通过用户的手指20(一般为右手指)与触摸屏18的相应特定区域的接触所施加的动作引起。

靶机同样具有自动和独立的用于平稳飞行中稳定化的***，其对应于自动领航模式，一旦用户从装置的触摸屏移开手指，或自动地在起飞阶段末尾，或甚至在装置和靶机之间的无线链接中断的情况下，该自动领航模式就特别地被激活。靶机然后切换到上升模式，在这种模式中，靶机通过自动领航和稳定***静止不动且保持在这个固定位置，假如没有用户干涉的话。

本发明提出的技术的目的是通过使在靶机领航操作期间用户无需关注靶机的方向成为可能，从而有利于靶机的领航。

图2示出了考虑到本发明的实施例的各种参照系：

-关于靶机10，联系到靶机本体的本地参照系{X_b，Y_b，Z_b}将被考虑。靶机，尽管被构造得非常对称，包括前部和尾部，且摄像机的位置被认为是向前指向，从而界定轴X_b。轴Y_b在靶机中央平面内相对于X_b成直角，且轴Z_b为直接指向地面的垂直轴；

-关于装置16，后者同样由特定的本地参照系{X₁，Y₁，Z₁}定义，X₁和Y₁分别对应于遥控情况下的横向和纵向方向，而Z₁对应于平面X₁Y₁的法线；

-除这两个本地参照系(靶机10和装置16)外，全局参照系36将同样被考虑，全局参照系36是一固定的绝对参照系，特别是一NED(北(North)东(East)下(Down))型地理参照系{X_NED，Y_NED，Z_NED}。该绝对参照系较为有利地为地磁参照系，轴X_NED对应于磁北方向，它可以参考附图6-8稍后解释的方式确定；方向Y_NED是平行于地平面并与地理北方成直角的方向(也就是所谓地理东方)，而方向Z_NED与地平面成直角且朝向下。

因此有三个参照系，其中有两个本地参照系{X_b，Y_b，Z_b}和{X₁，Y₁，Z₁}，它们相对于全局参照系{X_NED，Y_NED，Z_NED}是移动的。

如果ψ，θ和

是用来指示施加到靶机的命令：

-ψ对应于绕轴Z_NED的旋转，

-θ对应于绕轴Y_NED通过ψ转动伴随的旋转，且

对应于绕轴X_b的旋转。

在这些约定下，靶机的参照系{X_b，Y_b，Z_b}相对于地理参照系{X_NED，Y_NED，Z_NED}的重新校正将可以通过以下形式的矩阵表达：

为了装置16的参照系{X₁，Y₁，Z₁}的重新校正，基于装置16的方向相对于绝对参照系{X_NED，Y_NED，Z_NED}定义的角度，施加类似的转换。

从全局地理参照系到靶机的本地参照系的逆变换借助一矩阵获得，该矩阵是矩阵R的转置矩阵。

不同参照系的相互重新校正的目的是克服附图3a到3c所示的困难。

在图3a所示的情况下，靶机的前进轴X_b和装置的相应轴X₁大体上相同，且指向相同的方向，装置的向右倾斜(如38)将驱使靶机的相应倾斜，这将使靶机向右移动(箭头40)，因此和装置16的倾斜处在相同的方向。类似地，装置的向左倾斜(如42)将驱使靶机向左位移(箭头44)。

另一方面，如附图3b所示，如果靶机相对于图3a的位置旋转90°，也就是说如果它的方向X_b指向右方(相对于用户从左到右位移)，装置的向右倾斜38将驱使靶机在相同方向倾斜，在靶机的本地参照系，这将被反映为，对于用户，靶机向用户靠拢(convergence)的方向的位移(箭头46)。类似地，装置向左的倾斜(如42)将驱使在靶机远离用户的方向上的位移(箭头48)。这种适于身临其境的领航的命令，在用户看向靶机的情况下不是直观的。

沿着相同的路线，如果靶机的运动是朝向用户的运动(也就是说轴X_b和X₁大致对准但是指向相反方向)，装置的向右倾斜将导致靶机的向左倾斜，反之亦然。

为了允许更直观的领航，排除俯仰轴和翻滚轴互换(如附图3b描述的情况)或命令方向颠倒引起的效果，本发明提出运用参照系的变换来恢复直观命令。

这些直观命令的效果在附图3c中被示出：不管靶机的方向如何，装置的向右倾斜(命令38)将导致靶机向右的位移(箭头50)，而向左的倾斜(命令42)将带来靶机向左的位移(箭头52)，且装置16的向前或向后倾斜也是如此。

本质上，本发明利用在装置16中和靶机10中出现的传感器(磁力计型)，这允许装置16和靶机10中的每一个知道自己在绝对参照系中的方向，也就是先前定义的NED参照系或地磁参照系。因此，当用户朝向他倾斜装置时，靶机将朝装置所指的方向位移，不管靶机的具体方向如何；类似地，如果用户向右倾斜他的装置，靶机将被移向用户的右方，不管它自己的方向如何(如附图3c所示)。

下面将描述可产生这种命令的技术要素。

图4是靶机的多样控制和伺服控制元件的功能性框图。需要注意的是，尽管框图以互连电路的形式出现，然而不同功能的实施例本质上是软件，这种表示法仅仅是示例性的。

除了自动地或根据来自用户的控制命令作用下控制高度变化外，为了靶机的水平速度控制、角速度控制以及姿态控制，领航***还包括许多嵌套回路。

最中央回路是控制角速度的回路100，其一方面使用陀螺仪102提供的信号，另一方面使用角速度设定点104构成的基准，这些各种各样的信息项被运用为角速度修正级106的输入。该级106引导控制电动机110的级108以便通过由这些电动机驱动的旋翼的组合动作单独地控制不同电动机的转速以修正靶机的角速度。

角速度控制回路100被嵌套在姿态控制回路112内，姿态控制回路112以基于陀螺仪102、加速度计114和磁力计116提供的信息操作，这些数据被运用作为等价于互补滤波的非线性合并型的姿态估计级118的输入。级118传递被运用到PI(比例积分)型姿态修正电路120的角速度设定点，姿态修正电路120还根据用户命令124接收由电路122产生的角设定点，用户命令124或者直接运用到电路122，或者被电路126产生的自动领航命令修正或取代，特别是在自动稳定模式或在自动驾驶过渡阶段。

因此，从设定点(由用户施加，或者是在自动领航情况下内部产生的)和姿态估计电路118提供的角度测量结果之间的误差，姿态控制回路112利用电路120的PI修正器计算角速度设定点。角速度控制回路100然后计算前一角速度设定点和陀螺仪102实际测得的角速度之间的差。角速度控制回路100然后从这些信息项计算要发送给靶机的电动机110的不同的转速设定点(和因此产生的升力设定点)，以产生一开始用户要求的或者被自动领航排入日程的操作。

为了控制水平速度，特别在自动领航操作中，回路128提供垂直摄像机130和测距传感器132充当高度计，它们产生被施加于电路134的信息，电路134还接收从陀螺仪102获取的数据以对由电路136提供的水平速度的估值进行必要的修正。该水平速度的估值可以通过垂直速度的估值V_z被修正，所述垂直速度估值V_z由电路138提供，来自从测距传感器132接收信息的电路140提供的高度估值。

为了自动领航飞行，水平速度被电路136估计，这使得电路126计算速度设定点成为可能，该速度设定点然后在通过电路122转换为角设定点后被作为输入施加到姿态控制回路112，从而逐渐地带领靶机到一停止点，然后使靶机保持在零速度且零倾斜的态势。

关于靶机的垂直位移，用户124或将拉升速度设定点V_z直接提供给电路42，或将高度设定点提供给电路144，该电路144从由电路140产生的高度估值计算施加至电路142的拉升速度设定点。

在一种或其他情况下，拉升速度(指定的或计算的)被施加到电路146，电路146将设定点拉升速度V_z与电路138提供的相应估算速度进行比较。这个电路146因此修正给电动机的命令数据(电路108)，以同时在所有电动机上提高或降低旋转速度，从而最小化设定点拉升速度和测得的拉升速度之间的差。

最后，在本发明的一种方式特征中，电路148运用参照系的变换来使靶机的特定参照系重新较正到装置的特定参照系。

更具体地，在不具有靶机的参照系到装置的重新校正的传统领航技术中，也就是所谓的“身临其境的领航”模式，命令取这种形式：

θ_d和

为靶机在它的特定参照系中的设定点欧拉角，且

θ_I和

为装置的欧拉角。

换句话说，靶机的角设定点角对应于表征装置在它的参照系中的姿态的角度。

这里，和下文中，这些等式显然在一个可能的放大因子下给出，并在一个方向或另一个方向上具有最大倾斜角的可能限制，以避免任何命令超过靶机的物理能力。

在本发明的情况下，参照系执行参照系变化在装置的特定参照系上重新校正靶机的特定参照系参照系，且因此允许不依赖于靶机相对于用户的相对方位的直观领航，就如用户看着靶机那样。

正如上面指出的，关于绝对参照系(这里有利地是地球的地磁参照系)运用这种变换参照系，这种变换由将要在后面解释的方式、从由磁力计116在后者已经成为通过电路150控制校正的对象之后提供的数据来确定。

为了知道靶机相对于装置的相对方位，了解这两个装置的每个相对于地面(尤其是相对于NED地磁参照系的磁北)的绝对方位就足够了参照系。

如图5所示，字母ψ用来指示朝向，也就是说表示靶机或装置相对于NED参照系的磁北的方向特征的方向角度。

关于装置，朝向ψ_ip通过包含在装置中的磁力计工具获得，使用装置的其他惯性传感器予以调整。

关于靶机，朝向ψ_drone由靶机的各种传感器(包括磁力计116)提供的信息组合获得。如何获得关于朝向ψ_drone的可靠信息将在下面参考附图6-8看到。

图5是一平行于地面的显示了装置朝向ψ_ip和靶机朝向ψ_drone的NED参照系的平面图。如果这两个朝向假设为是已知的(后面将会看到它们如何被确定)，课题在于，通过角的旋转Δψ＝ψ_ip-ψ_drone，将靶机的本地参照系重新校正到装置的本地参照系。

如果θ_I和

用来指定用户生成的角设定点角，也就是传输到装置的关于俯仰轴和翻滚轴的倾斜角，已经证实必须运用到靶机上的角设定点角θ_d和

通过下面两个关系式***被确定：

Δψ为装置和靶机关于北方的各自朝向角的差。

这种重新校正的实现因此在于，根据Δψ，θ_I和

角设定点角对装置的设定点角θ_d和

执行转换。

在第一实施例，这种操作完全地且不简化地从上面的等式***执行。

相应的计算可以在靶机内和装置内同等地被执行。

优选地，这些计算在靶机内被执行，因为有这两种可能性：靶机最强健且引入最小的等待时间。

实践中，如果靶机从装置接收参数θ_I，

和ψ_ip(装置在其特定参照系内的朝向)，且已知靶机能够确定自身朝向ψ_drone的这个事实，那么靶机具有使它可以计算校正后的角设定点角θ_d和

的所有参数。

另一方面，如果计算在装置中执行，需要靶机将其朝向ψ_drone发送给装置，装置将在本地计算重新校正的角度θ_d和

并将它们送至靶机以对其中的电动机发命令：这种情况下，将会有两种数据传输(从靶机到装置然后从装置到靶机)，和前述的只需要一种数据传输(从装置到靶机)的解决办法相比，这会增加等待时间。

在靶机内计算新的重新校正的角设定点角同样能简化第三方开发者的工作，例如游戏的程序设计在装置中运行和按照本发明执行领航模式：如果所有的计算在靶机中执行，开发者不需要知道重新校正的角设定点角的计算模式，完全由靶机的内部软件执行。

最后，在靶机内执行计算的选择减少了靶机和装置之间的链路短暂通信中断的后果，由于只需要传送单一数据，而不是像计算在装置内执行(见前面内容)时命令的往返。

在第二实施例，上面两个等式***给出的精确命令被简化形式取代，对小角度的近似值有效：

这种实现仅依赖于Δψ对装置的角度θ_I和

执行转换，在将后者运用到靶机的伺服控制回路之前。

这个转换可以被分解为两个旋转，一个在装置内被执行，而另一个在靶机内被执行。因此，这两个设备中的任何一个都不需要知道另一个的朝向。

角ψ_ip的第一个旋转，在装置内执行，且返回一个中间命令θ′_I和

中间命令被发送给靶机，靶机从其本身的朝向角数据ψ_drone中计算角度的旋转-ψ_drone，由此给出最后的角设定点θ_d，

接着描述确定靶机的磁性朝向ψ_drone的方法。

具体而言，该朝向值ψ_drone从包括磁力计116和陀螺仪单元102的多个机载传感器传递的信息中获得，以补偿由靶机本身(在导体中循环的高电流，电动机的磁铁等)和由于测量的不完善性(传感器的偏压，高测量噪音)引入的一定数目的干扰。

它牵涉到相对于地球的地磁参照系测量靶机的方位。局部地，在球体表面的地球磁场产生矢量B，该矢量B如图6所示通过如下的量表征：

-其大小(以毫高斯计)，

-其相对于地理北方的偏角D，以及

-其相对于水平面(地理北方，地理东方)的倾斜角I。

偏角，一般相当小，对本发明的实施没有影响，因为所选择的参照系是地磁参照系且目的是确定磁北的方向而不是地理北方(在这里是不重要的)。

另一方面，倾斜角I可取正的或负的相对高值，例如在巴黎65°向下(磁性倾斜)的数量级。

地球磁场B的幅度取决于地理位置典型地在200至600mG之间变化，磁场的水平分量的幅度B_hrzt，依照场B的本地幅度和本电倾斜角I，在0至300mG变化。该分量B_hrzt是必须被确定的，这使估计靶机相对于磁北的朝向ψ_drone成为可能。

磁场的垂直分量B_hrzt可以从水平分量的大小和磁场的倾斜角I的大小被估算出。磁场的倾斜角将由装载入靶机存储器的映射表确定，为了纬度和经度值(例如由在装置中的GPS电路或任意其他手段确定的)，映射表将给出地球磁场矢量B相对于水平的倾斜角。

但是，靶机的磁力计给出的磁场朝向受到许多干扰成分的影响。

首先，由于靶机电动机的磁铁，在高频中存在相对重大的干扰成分。由于这些磁铁是旋转的，磁铁对磁场的作用同样随着它们旋转，从而导致在高频下(也就是在等于或大于电动机转速的频率下)的干扰成分。

为了消除第一干扰来源，如图7所示，靶机的磁场朝向较为有利地通过下列组合来获得：(i)由在高频下变得不可靠的磁力计116产生的粗略磁场朝向的低频分量，，和(ii)陀螺仪传感器102的高频分量。

这种组合由两个互补滤波器152，154来实现，它们分别为具有H_LP和H_HP传递函数的低通和高通滤波器，这些传递函数表现出互补的特性H_LP+H_HP＝1。所得到的信号被融合入156以给出剥离可变高频干扰元素的朝向值。

这种技术使得在滤除其他传感器的缺陷的同时重构朝向数据成为可能。因此优势地利用在低频下的可靠性和磁力测量的绝对分量，同时保留依靠陀螺仪测量值的高频的动态测试的品质。在磁力传感器中重大的高频噪声问题因此被滤除。温度漂移的问题和联系于来自陀螺仪类型的惯性传感器的数据的数学积分的问题也得以补偿。

然而，通过磁力计传递的测量受由传感器的环境产生的其他干扰的影响，特别是：

-电动机的高功率供电电流产生的磁场；

-通过在靶机上固定磁铁(例如用于防护整流罩的磁性钉扎(magneticfastening)的磁体)产生的磁场，这些磁铁不旋转；和

-磁性传感器的特定偏移。

这些干扰与地球的磁场本身为同一数量级，并且为了足够精确地确定靶机的磁场朝向，需要剔除这些干扰。这些不同的干扰叠加且形成一全局偏移量，该偏移量将可以通过将要描述的预备校准程序被估算。

之前引证的干扰有固定于靶机参照系的特征。这个属性将被用来估计这些干扰且从测量值中剔除这些干扰。

校正程序包括使靶机通过自身在平飞中自动地转过一圈(绕偏航轴大约的360°旋转)。测得的磁力数据因此是偏移量和外部磁场之和。然而，该偏移量在靶机的参照系是固有的常量，而外部磁场(要确定的地球磁场)将在相同的参照系中转过完整的一圈。

图8示出记录来自磁力传感器的测量的例子。在测量平面内，获得大量的点以形成居中在C处的全局偏移上并具有与地球磁场分量对应的半径R的圆。

从执行的测量，圆的中心C和半径R可以通过应用基于最小二乘法的递归优化算法获得，该算法本身是已知的；它涉及，基于与测量点对应的不同多组值，寻找使错误函数最小化的最佳中心和最佳半径。

因此，推导出在靶机的水平面与所提供的磁力测量值相关的偏移量。

当达到垂直方向的偏移量时，能够从先前估算的半径R、在校正阶段获得的测量值以及倾斜角的本地值来确定该偏移量，所述本地值能够从加载到靶机存储器中的值的表格获得。

如果B_hrzt用来表示磁场的水平分量，且B_vert表示该相同场的垂直分量，则后者具有以下值：B_vert＝B_hrzt·tan(倾斜角)＝R·tan(倾斜角)，倾斜角I的值是从加载到存储器的表格中获得的。

现在，在垂直轴上，测得的磁场P_mes被赋予偏置Z₀，从而B_mes＝Z₀+B_vert。

能够通过使用校正测量的组来估算偏置Z₀：

$Z_0=\stackrel{\‾}{B_{\mathrm{mes}}}-R.\tan \left(\mathrm{inclination}\right),$

表示在校正测量期间在垂直轴Z上的磁场测量的平均值。

然后通过补偿俯仰角和翻滚角的磁场测量值并接着通过提取由经补偿的测量值的水平分量给出的朝向，来获得磁场朝向：

${\text{\ψ}}_{\mathrm{mag}}=-{\tan }^{-1}\left(\frac{B_{{\mathrm{comp}}_Y}}{B_{{\mathrm{comp}}_X}}\right)$

M_X，M_Y，M_Z表示从磁力测量获得的粗略值，以及B_compX，B_compY，B_compZ表示投射到水平平面的有用值。

Claims (11)

1.一种通过遥控装置领航旋转翼靶机的方法，所述靶机具有由各自的电动机驱动的多个旋翼，所述电动机通过不同方式被控制从而以姿态-方式和速度-方式领航靶机，所述方法包括以下步骤：

-在装置(16)侧：

根据所述装置的俯仰轴(32)和翻滚轴(34)倾斜所述装置，并产生相应的倾斜角信号(θ_I，

)；和

将所述装置的这些倾斜角信号转换为领航命令且将这些命令发送到靶机，以及

-在靶机(10)侧：

接收所述领航命令且从这些命令产生用于靶机电动机控制回路的设定点值(θ_d和

)，这些设定点值适于根据靶机的俯仰轴(32)和翻滚轴(34)控制靶机的姿态，

其中该方法包括以下附加步骤：

-获取联系到所述装置的本地参照系(X_IY_IZ_I)相对于联系到地面的绝对参照系(X_NEDY_NEDZ_NED)的第一方向数据(ψ_ip)；

-获取联系到所述靶机的本地参照系(X_bY_bZ_b)相对于所述绝对参照系(X_NEDY_NEDZ_NED)的第二方向数据(ψ_drone)；

-从所述第一方向数据和第二方向数据来计算所述靶机相对于所述装置的相对角方向数据(Δψ)；

以及

-通过运用到旋转度的领航命令在靶机参照系上重新校正所述装置的参照系，所述旋转度是所述相对角方向数据的函数，

由此依据靶机的俯仰轴和翻滚轴产生校正的设定点值，所述设定点值是倾斜角的函数，所述设定点值通过用户按照其俯仰轴和翻滚轴作用于装置，其考虑到的是联系到装置的本地参照系，不再是联系到靶机的参照系。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第一和第二方向数据从所述装置和靶机相对于北方的各自航向角(ψ_droneψ_ip)获得。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述旋转度是这样类型的关于所述相对角方向数据的函数：

θ_d和

为根据与所述靶机联系的本地参照系中的俯仰轴和翻滚轴重新校正的设定点的值，

θ_I和为根据与所述装置联系的本地参照系中的俯仰轴和翻滚轴施加的倾斜角，并且

Δψ为所述装置和所述靶机相对于北方的各自航向角的差。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述旋转度的计算是在靶机内直接从接收到的来自装置的数据而执行的，这些数据包括被运用到所述装置的倾斜角的值和所述装置的航向角数据。

5.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述旋转度是这样类型的关于所述相对角方向数据的函数：

θ_d和

为根据所述靶机的俯仰轴和翻滚轴重新校正的设定点值，

θ_I和

为根据所述装置的俯仰轴和翻滚轴施加的倾斜角，以及

Δψ为所述装置和所述靶机相对于北方的各自航向角的差。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，通过以下方式部分地在装置内并部分地在靶机内执行所述旋转度的计算：

-在装置内，从施加到所述装置的倾斜角θ_I和

的值以及所述装置的航向角数据ψ_iP的值来计算第一旋转度：

-在所述靶机内，从所述靶机的航向角数据Ψ_drone来计算第二旋转度：

。

7.根据权利要求2的方法，其特征在于，联系到地面的绝对参照系为地磁参照系，所述航向角为相对于磁北测得的角度。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述靶机的航向角的确定包括获取由所述靶机的磁力传感器(116)传递的磁航向测量值。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，通过以下组合来获得所述靶机的航向角：

-磁航向测量值，所述磁航向测量值是通过运用低通滤波(152)由靶机的磁力传感器(116)传递的；以及

-陀螺仪航向测量值，所述陀螺仪航向测量值是通过运用补足所述低通滤波的高通滤波(154)由靶机的惯性单元(102)传递的。

10.根据权利要求8的方法，其特征在于，还包括所述靶机的磁力传感器的校准的预备步骤。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述校正步骤包括以下子步骤：

-在飞行中对靶机平地绕偏航轴的一个完整旋转排序；

-记录由所述磁力传感器传递的测量值；

-确定表示周围干扰磁场的全局偏置值和所述磁力传感器的特定偏置值。

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