CN113359802A - 无人机壁面吸附状态下的控制方法及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机壁面吸附状态下的控制方法及无人机，包括通过超声波模块计算无人机与壁面的水平偏差角，通过机载的陀螺仪测量的俯仰角计算无人机与壁面的垂向偏差角；将水平偏差角和垂向偏差角分别放入两组PID控制器中进行计算；水平偏差角对应的PID控制器解算值作为偏航力矩控制量，垂向偏差角对应的PID控制器解算值作为拉力控制量；其无人机包括机体、吸盘，对称安装在机体两侧的超声波模块和安装在机体上用于测量俯仰角的传感器。本发明能够在吸附状态下有效地控制无人机，控制器只需要角度信息，不需要位置/速度信息，因此克服了在靠近建筑物等有遮挡的环境下，机载的GPS无法精准地获得无人机的位置、速度信息的问题。

Description

无人机壁面吸附状态下的控制方法及无人机
技术领域
本发明涉及具有吸附功能的无人机技术领域，具体地，涉及无人机壁面吸附状态下的控制方法。
背景技术
近年来，无人机具备越来越多的功能，除了执行传统的监视、摄影、巡线等应用，部分无人机还具备吸附功能。吸附在壁面、玻璃等平面可以在一定程度上提高无人机的抗干扰能力和增加无人机的续航时间，同时吸附状态也可以作为执行诸如玻璃清洗、接触检测等应用的第一步骤。无人机可以通过前端伸出的吸盘吸附到壁面上，在吸附的状态下，无人机的位置受到了吸盘的约束，无人机的动力学模型发生了变化，在该状态下，对无人机控制方法进行重新设计是有必要的。
无人机在未吸附的状态下具有六个自由度，即三维的位置和角度。控制器采用常规的串级控制框架，根据位置/速度目标量和位置/速度状态量设计外环控制器，外环控制器的输出作为角度目标量，再根据角度目标量和角度状态量设计内环控制器，内环控制器输出控制量即拉力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩，通过控制分配将控制量分配成无人机的每个电机的目标转速，电机改变转速改变无人机的角度和位置。然而在吸附状态下，无人机仅具有两个角度自由度。目前现有的无人机仍然采用上述的控制器来控制吸附状态下的无人机，这在控制上是多余度的，即四个控制量(拉力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩)控制两个角度自由度。所以在吸附状态下，无人机的控制器和控制方法是可以进行简化设计的，即只需要两个控制量控制两个角度自由度。另外原有的控制器需要无人机的位置、速度信息，而在一般的无人机的吸附环境下，例如建筑物的玻璃/墙面，机载的GPS无法精准地获得无人机的位置、速度信息，导致传统的控制器无法正常工作。因此在无人机吸附状态下，因此对控制方法进行重新设计是有必要的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无人机壁面吸附状态下的控制方法。
根据本发明提供的一种无人机壁面吸附状态下的控制方法，包括如下步骤：
步骤一：通过超声波模块计算无人机与壁面的水平偏差角，通过机载的陀螺仪测量的俯仰角计算无人机与壁面的垂向偏差角；
步骤二：将水平偏差角和垂向偏差角分别放入两组PID控制器中进行计算；
步骤三：水平偏差角对应的PID控制器解算值作为偏航力矩控制量，垂向偏差角对应的PID控制器解算值作为拉力控制量；
步骤四：将两个偏航力矩控制量和拉力控制量进行控制分配，得到每个电机的转速目标量，输入给电机。
可选地，所述水平偏差角可以由对称安装在机体的中垂线两侧的左右两个超声波模块测量的距离和几何关系计算得到，计算方式为：
Figure BDA0003148510740000021
可选地，所述垂向偏差角的计算方式为：
垂向偏差角＝俯仰角目标量-俯仰角状态量。
可选地，所述偏航力矩控制量的计算公式为：
Figure BDA0003148510740000022
式中τz为偏航力矩，Δα为水平偏差角，kp_α为比例系数，ki_α为积分系数，kd_α为微分系数。
可选地，所述拉力控制量的计算公式为：
Figure BDA0003148510740000023
式中f为拉力，Δβ为垂向偏差角，kp_β为比例系数，ki_β为积分系数，kd_β为微分系数；G为无人机自身重量。
可选地，所述比例系数量级在0.1～1.0，在控制器中起主要作用；积分系数量级在0.01，消除静差；微分系数量级在0.001～0.0001，增加稳定性；各系数具体数值根据无人机的动力***能力调整。
一种无人机，包括机体、吸盘，对称安装在机体的中垂线两侧的超声波模块和设置在机体上用于测量俯仰角的陀螺仪，采用上述所述的无人机壁面吸附状态下的控制方法。
可选地，所述超声波模块通过连接杆连接在机体上。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的无人机壁面吸附状态下的控制方法及无人机能够在吸附状态下有效地控制无人机，因为只需要水平偏差角和垂向偏差角，因此控制器只需要有两个通道，因此结构简单；控制器只需要角度信息，不需要位置/速度信息，因此克服了机载的GPS无法精准地获得无人机的位置、速度信息的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的无人机吸附状态下的示意图；
图2为本发明提供的超声波模块测量水平偏差角度的示意图；
图3为本发明提供的吸附状态下的无人机控制器结构图；
图4为本发明提供控制效果图，图中从上至下分别为垂向偏差角控制效果图和水平偏差角控制效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-4所示，本发明中的控制方法可以包括如下步骤：
步骤一：通过超声波模块计算无人机与壁面的水平偏差角，通过机载的陀螺仪测量的俯仰角计算无人机与壁面的垂向偏差角；
步骤二：如图3所示，将水平偏差角和垂向偏差角分别放入两组PID(比例-微分-积分)控制器中进行计算；
步骤三：水平偏差角对应的PID控制器解算值作为偏航力矩控制量，垂向偏差角对应的PID控制器解算值作为拉力控制量；
步骤四：将两个偏航力矩控制量和拉力控制量进行控制分配，得到每个电机的转速目标量，输入给电机。
在本实施例中，控制量进行控制分配以四旋翼为例，控制分配为：
Figure BDA0003148510740000041
式中ω1～ω4为电机转速，ct为电机拉力系数，cm为电机扭矩系数，d为电机的安装位置与无人机重心的水平距离；
在一种可选的实施方式中，如图2所示，水平偏差角可以由对称安装在机体的中垂线两侧的左右两个超声波模块测量的距离和几何关系计算得到，计算方式为：
Figure BDA0003148510740000042
本实施例中，左右两个超声波模块即左侧超声波模块和右侧超声波模块；
本实施例中，考虑的壁面为垂直摆放的壁面，即壁面垂直于水平面，水平偏差角为无人机x轴与x轴在法向面上投影的夹角，两个超声波安装距离是指两个超声波之间的直线距离，左侧超声波模块测量距离和右侧超声波模块测量距离具体如图2所示，左侧超声波模块测量距离即左侧超声波模块到壁面的直线距离，且该直线垂直于两超声波模块安装距离，右侧超声波模块测量距离即右侧超声波模块距离壁面的直线距离，且该直线垂直于两超声波模块安装距离，两超声波模块安装距离即指左侧超声波模块和右侧超声波模块的直线距离。
本实施例中，垂向偏差角即为无人机的x轴与x轴在水平面上投影的夹角。
在一种可选的实施方式中，偏航力矩控制量的计算公式为：
Figure BDA0003148510740000043
式中τz为偏航力矩，Δα为水平偏差角，kp_α为比例系数，ki_α为积分系数，kd_α为微分系数。
在一种可选的实施方式中，拉力控制量的计算公式为：
Figure BDA0003148510740000044
式中f为拉力，Δβ为垂向偏差角，kp_β为比例系数，ki_β为积分系数，kd_β为微分系数；G为无人机自身重量。
在一种可选的实施方式中，拉力控制量的计算公式为：
Figure BDA0003148510740000045
式中f为拉力，Δβ为垂向偏差角，kp_β为比例系数，ki_β为积分系数，kd_β为微分系数；G为无人机自身重量。
在一种可选的实施方式中，以上式中，比例系数量级在0.1～1.0，在控制器中起主要作用；积分系数量级在0.01，消除静差；微分系数量级在0.001～0.0001，增加稳定性；各系数具体数值根据无人机的动力***(电机和桨叶)能力调整，本实施例中的各系数是指比例系数、积分系数和微分系数，比例系数包括本实施例中的kp_α和kp_β，积分系数包括ki_β和ki_α，微分系数包括kd_α和kd_β。
一种无人机，包括机体、吸盘，对称安装在机体的中垂线两侧的超声波模块和安装在机体上用于测量俯仰角的陀螺仪(上述结构图中均未示出)，采用上述的无人机壁面吸附状态下的控制方法，超声波模块通过连接杆连接在机体上，即连接杆(图中未示出)焊接或者绑扎在机体上，然后超声波模块通过螺栓或者其它方式连接在连接杆上。
本实施例中，对称设置在机体的中垂线两侧的超声波模块，即指左侧超声波模块和右侧超声波模块。
本实施例中，采用实际的无人机平台验证提出的无人机壁面吸附状态下的控制方法，无人机通过前端吸盘吸附在玻璃壁面上，控制效果如图4所示。吸附状态下的垂向偏差角稳定在±1°以内，施加扰动后，垂向偏差角能够很快收敛到稳态范围内；通过超声波模块的测量和PID控制器的调节，水平偏差角稳定在±3°以内。整个过程无人机能够稳定地维持吸附在玻璃上的状态。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种无人机壁面吸附状态下的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：通过超声波模块计算无人机与壁面的水平偏差角，通过机载的陀螺仪测量的俯仰角计算无人机与壁面的垂向偏差角；
步骤二：将水平偏差角和垂向偏差角分别放入两组PID控制器中进行计算；
步骤三：水平偏差角对应的PID控制器解算值作为偏航力矩控制量，垂向偏差角对应的PID控制器解算值作为拉力控制量；
步骤四：将偏航力矩控制量和拉力控制量进行控制分配，得到每个电机的转速目标量，输入给电机。
2.根据权利要求1所述的无人机壁面吸附状态下的控制方法，其特征在于，所述水平偏差角可以由对称安装在机体的中垂线两侧的左右两个超声波模块测量的距离和几何关系计算得到，计算方式为：
Figure FDA0003148510730000011
3.根据权利要求1所述的无人机壁面吸附状态下的控制方法，其特征在于，所述偏航力矩控制量的计算公式为：
Figure FDA0003148510730000012
式中τz为偏航力矩，Δα为水平偏差角，kp_α为比例系数，ki_α为积分系数，kd_α为微分系数。
4.根据权利要求3所述的无人机壁面吸附状态下的控制方法，其特征在于，所述拉力控制量的计算公式为：
Figure FDA0003148510730000013
式中f为拉力，Δβ为垂向偏差角，kp_β为比例系数，ki_β为积分系数，kd_β为微分系数；G为无人机自身重量。
5.根据权利要求3或4所述的无人机壁面吸附状态下的控制方法，其特征在于，所述比例系数量级在0.1～1.0，积分系数量级在0.01，消除静差；微分系数量级在0.001～0.0001，增加稳定性；各系数具体数值根据无人机的动力***能力调整。
6.一种无人机，包括机体、吸盘，对称安装在机体的中垂线两侧的超声波模块和安装在机体上用于测量俯仰角的陀螺仪，其特征在于，采用权利要求1-5中任意一项权利要求所述的无人机壁面吸附状态下的控制方法。
7.根据权利要求6所述的无人机壁面吸附状态下的控制方法，其特征在于，所述超声波模块通过连接杆连接在机体上。
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