无人机运行控制方法和无人机与流程

本发明涉及无人机技术，尤其涉及一种无人机运行控制方法和无人机。

背景技术：

无人机是指通过无限遥控技术控制，并基于自身程序运行的不载人飞行器。无人机在军用方面具有悠久的历史，近年来使用领域逐渐向民用领域发展，广泛应用于航空拍摄、农业、灾难救援等领域，并逐渐向快递运输等方向扩展，具有良好的商业前景。

四轴无人机，又称四旋翼直升机是无人机的一种，可以实现垂直运动、俯仰运动、滚转运动的多种飞行姿态。上述多种飞行姿态分别通过CPU输出四路PWM信号控制四个电机工作。在四轴无人机平稳飞行时，CPU输出PWM信号控制其中一对电机同时正转、另一对电机同时反转。但是，在飞行过程中，经常发生从一种飞行姿态调整为平稳飞行状态时，机身整体抖动。这是由于PWM信号在切换动作时为异步信号造成的，异步信号使得四轴无人机悬浮不稳。

因此，现有技术中的四轴无人机存在从飞行姿态调整为平稳飞行状态时，机身整体抖动，悬浮不稳的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种无人机运行控制方法，用以解决现有技术中四轴无人机从飞行姿态调整为平稳飞行状态时，机身整体抖动，悬浮不稳的问题。

本发明提供一种无人机运行控制方法，包括以下步骤：

接收飞行状态信号，判定是否按照悬浮飞行模式飞行；

如果判定按照悬浮飞行模式飞行，通过控制支路输出第一控制信号至第一电机，通过接口支路分别输出第二控制信号和第三控制信号至第二电机和第三电机；通过控制支路或接口电路输出第四控制信号至第四电机；所述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号中的至少两个同频同相；其中，所述控制支路包括PLL锁相环电路，所述PLL锁相环电路的输出端输出控制信号至其中至少一台电机；所述PLL锁相环电路通过开关元件的开关通路连接所述接口支路。

进一步的，所述接口支路包括第一接口支路、第二接口支路和第三接口支路，所述PLL锁相环电路分别通过第一开关元件的开关通路连接所述第一接口支路，通过第一开关元件和第二开关元件的开关通路连接所述第二接口支路，通过第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件的开关通路连接第三接口支路，还包括以下步骤：

如果判定按照悬浮飞行模式飞行，则进一步判定电机预定运行状态；

如果电机预定运行状态为整体同步，处理器输出设定信号至所述PLL锁相环电路的输入端，所述PLL锁相环电路输出第一控制信号至第一电机；处理器通过三个输出端口分别输出第一开关信号、第二开关信号和第三开关信号至所述第一接口支路、第二接口支路和第三接口支路，所述第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件导通，接口支路输出所述第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号至第二电机、第三电机和第四电机；

所述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号同频同相。

进一步的，所述处理器还分别通过第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路连接第二电机、第三电机和第四电机，其中所述第一控制支路中设置有第一PLL锁相环电路，第四控制支路中设置有第二PLL锁相环电路；

还包括以下步骤，如果判定所述电机预定运行状态为部分同步，处理器通过第一PLL锁相环电路输出第一控制信号至第一电机，通过第二PLL锁相环电路输出第四控制信号至第四电机；处理器通过三个输出端口分别输出第一开关信号、第二开关信号和第三开关信号至第一接口支路、第二接口支路和第三接口支路，所述第一开关元件和第三开关元件导通，第二开关元件关断，接口支路输出所述第二控制信号和第三控制信号至所述第二电机和第三电机；

所述第一控制信号和第二控制信号同频同相，所述第三控制信号和第四控制信号同频同相。

进一步的，如果判定按照非悬浮飞行模式飞行，所述第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路分别输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号至第一电机、第二电机、第三电机和第四电机。

进一步的，所述第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路接收所述处理器生成PWM控制信号。

进一步的，所述第一接口支路、第二接口支路、第三接口支路接收所述处理器生成的电平信号。

优选的，所述第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件为NMOS管。

进一步的，所述PLL锁相环电路包括依次连接的鉴相器、环路滤波器和压控式晶体振荡器。

为了提高PWM控制信号的驱动能力，所述控制支路的输入端和输出端分别设置有驱动门电路。

采用本发明所公开的无人机运行控制方法，通过处理器的判定、不同的输出端口和信号输出路径的自动选取使得四个电机可以根据不同的运行状态接收到同步或者异步信号，如果电机接收到的为同步控制信号，则可以保持电机接收到的同步信号始终同频同相，在悬浮飞行状态时无人机不会由于周边电路的设计出现抖动。本发明所公开的无人机运行控制方法具有控制方式灵活、硬件结构合理且无需昂贵的控制芯片驱动的优点。

本发明同时公开了一种无人机，采用无人机运行控制方法控制。无人机运行控制方法包括以下步骤：

接收飞行状态信号，判定是否按照悬浮飞行模式飞行；

如果判定按照悬浮飞行模式飞行，通过控制支路输出第一控制信号至第一电机，通过接口支路分别输出第二控制信号和第三控制信号至第二电机和第三电机；通过控制支路或接口电路输出第四控制信号至第四电机；所述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号中的至少两个同频同相；其中，所述控制支路包括PLL锁相环电路，所述PLL锁相环电路的输出端输出控制信号至其中至少一台电机；所述PLL锁相环电路通过开关元件的开关通路连接所述接口支路。

本发明公开的无人机通过处理器和电机之间信号传递输出端口和信号传递路径的选择，克服了无人机在平稳飞行状态飞行时容易出现抖动的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所公开的无人机运行控制方法中所采用的电路连接示意图；

图2为现有技术中电机运行时的波形检测图；

图3为采用本发明所公开的无人机运行控制方法控制无人机运行一种运行状态的波形检测图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，本发明所公开的无人机运行控制方法主要应用在四轴无人机上，在无人机中设置有四台电机，分别为如图所示的第一电机M1、第二电机M2、第三电机M3和第四电机M4。根据四轴无人机的运行状态，第一电机M1、第二电机M2、第三电机M3和第四电机M4分别在处理器U1的控制下运行在不同工况。与现有技术完全不同，本发明所公开的无人机运行控制方法采用以下步骤控制无人机的运行。首先，处理器U1接收飞行状态信号，飞行状态信号可能来源于遥控设备、或者处理器U1中存储的通过程序设定的飞行状态，或者来源于根据其它检测设备结果自动产生的飞行状态选择信号。当处理器U1接收到飞行状态信号后，首先对飞行状态信号进行判定，如果判定结果为下一步按照悬浮飞行模式飞行，则进行下一步控制。

如图1所示，在本实施例中，处理器U1和电机之间分别通过控制支路和接口支路连接。其中控制支路用于输出处理器U1生成的PWM信号，是PWM信号的传输通道。在处理器U1和第一电机M1之间设置有第一控制支路，在处理器U1和第二电机M2之间设置有第二控制支路，在处理器U1和第三电机M3之间设置有第三控制支路，在处理器U1和第四电机M4之间设置有第四控制支路，处理器U1端通过四个端口PWM1、PWM2、PWM3、PWM4输出控制信号。在传统的控制模式中，当无人机按照悬浮飞行模式飞行时，分别通过四个控制支路输出PWM信号控制电机，虽然在处理器U1端设定输出的PWM信号是同频同相的，但是由于周边电路的设计和多个端口输出信号的差异，电机运行时的波形检测图如图2所示，实际在电机一端检测到的信号是具有明显差异异步控制信号，实践证明正是由于这个原因导致无人机发生抖动。为了避免出现这一问题，在本实施例所公开的控制方法中，在其中一个或多个控制支路中设置有PLL锁相环电路。

参见图1所示，以在第一控制支路中设置PLL锁相环电路为例进行详细描述。PLL锁相环电路的输入端A通过驱动门电路U2连接处理器U1的一个输出端口PWM1并接收处理器U1端口PWM1输出的PWM波形信号，PLL锁相环电路由依次连接的鉴相器PD、环路滤波器LF和压控式晶体振荡器VCXO组成，为了提高带载能力，PLL锁相环电路的输出端通过驱动门电路U9连接第一电机M1。在处理器U1和第一电机M1、第二电机M2和第三电机M3之间还分别设置有第一接口支路、第二接口支路和第三接口支路。第一接口支路、第二接口支路第三接口支路是处理器U1和电机之间除了PWM信号传递通路之外的另一条信号传递路径。第一接口支路、第二接口支路和第三接口支路的输入端分别连接处理器U1的一个输出端口I/O1、I/O2、I/03以接收处理器U1三个输出端口输出的电平信号并输出至至第一开关元件Q1、第二开关元件Q2和第三开关元件Q3的控制端。为了对第一开关元件Q1、第二开关元件Q2和第三开关元件Q3进行控制，第一接口支路、第二接口支路和第三接口支路的输入端分别接收处理器U1输出端口I/O1、I/O2、I/03输出的独立电平信号。设置在第一控制电路上的PLL锁相环电路的输出端B分别通过第一开关元件Q1的开关通路连接第二电机M2、通过第一开关元件Q1的开关通路和第二开关元件Q2的开关通路连接第三电机M3、通过第一开关元件Q1的开关通路、第二开关元件Q2的开关通路和第三开关元件Q3的开关通路连接第四电机M4。

当判定结果为下一步按照悬浮飞行模式飞行之后，则进一步判定电机预定的运行状态。如果无人机需要保持平稳飞行，需要四个电机全部同步动作，处理器U1通过一个输出端口向第一控制支路输出设定的PWM信号，并进一步通过驱动门电路U2输出至PLL锁相环电路的输入端A，PLL锁相环电路输出第一控制信号至第一电机M1。同时，处理器U1通过三个与接口支路连通的输出端口I/O1、I/O2、I/03输出第一开关信号、第二开关信号和第三开关信号至第一接口支路上的第一开关元件Q1的控制端，第二接口支路上的第二开关元件Q2的控制端以及第三接口支路上的第三开关元件Q3的控制端，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2和第三开关元件Q3接收第一开关信号、第二开关信号和第三开关信号后开关通路导通，在这种信号传递状态下，PLL锁相环电路的输出端B通过开关元件的开关通路和第二电机M2、第三电机M3和第四电机M4连通，所以，此时第二电机M2、第三电机M3和第四电机M4通过接口支路接收到与第一控制信号同频同相的第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，并且第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号在PLL锁相环电路的作用下始终保持同频同相，达到无人机从一个飞行动作变换到悬浮飞行动作时不会发生抖动的技术效果。参见图3所示的运行效果波形检测图。

如果判定电机预定运行状态为部分同步，比如进行偏航飞行时，为了克服空气阻力形成的与转动方向相反的反扭矩，需要使得分布在对角线上的一对电机同步运行。因此，为了应对这种情况，除了在第一控制支路上设置PLL锁相环电路之外，在第四控制支路上也设置PLL锁相环电路。同样的，设置在第四控制支路上的第二PLL锁相环电路的输入端C也通过驱动门电路U5连接处理器U1的一个输出端口并接收处理器U1端口输出的PWM波形信号，两路PLL锁相环电路均由依次连接的鉴相器PD、环路滤波器LF和压控式晶体振荡器VCXO组成。设置在第四控制支路上的第二PLL锁相环电路的输出端通过驱动门电路U6连接第四电机M4。

由于需要其中两个电机动作，处理器U1通过一个独立的输出端口向第一控制支路输出设定的PWM信号至设置在第一控制支路上的第一PLL锁相环电路的输入端，第一PLL锁相环电路输出第一控制信号至第一电机M1，同时处理器U1通过另一个独立的输出端口向第四控制支路输出设定的PWM信号至设置在第四控制支路上的第二PLL锁相环电路的输入端，PLL锁相环电路输出第四控制信号至第四电机M4。同时，处理器U1通过三个与接口支路连通的端口输出第一开关信号、第二开关信号和第三开关信号至第一接口支路上的第一开关元件Q1的控制端，第二接口支路上的第二元件的控制端以及第三接口支路上的第三开关元件Q3的控制端，第一开关元件Q1，第三开关元件Q3的开关通路导通，第二开关元件Q2的开关通路保持关断状态。在这种信号传递状态下，设置在第一控制支路中的第一PLL锁相环电路的输出端通过开关元件的开关通路和第二电机M2连通，设置在第四控制支路中的PLL锁相环电路的输出端通过开关元件的开关通路和第三电机M3连通。所以，此时第二电机M2通过接口支路接收到与第一控制信号同频同相的第二控制信号，第三电机M3通过第三接口支路接收到与第四控制信号同频同相的第三控制信号。采用此种控制方法，可以有效地避免从一个飞行状态转换至同步运行状态时，其中对应两两电机保持同时运行。

当处理器U1判定无人机按照非悬浮飞行模式飞行时，第一电机M1、第二电机M2、第三电机M3和第四电机M4接收四个独立的输出端口(PWM1、PWM2、PWM3和PWM4)输出的异步PWM控制信号。此时，处理器U1通过第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制之路分别输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号至第一电机M1、第二电机M2、第三电机M3和第四电机M4，并同时通过第一接口支路、第二接口支路、第三接口支路输出电平信号至第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3的控制端，控制第一开关元件Q1、第二开关元件Q2和第三开关元件Q3的开关通路断开。从而实现四个电机的异步运行。

在上述运行控制方法所采用的电路连接关系中，为了提高PWM信号的带载能力，在第一控制支路的输入端还设置有驱动门电路U2,第二控制支路的输入端设置有驱动门电路U3，在输出端设置有驱动非门U8,第三控制支路的输入端设置有驱动门电路U4，在输出端设置有驱动非门U7，第四控制支路的输入端设置有驱动门电路U5,在输出端设置有驱动们电路U6。在上述实施例中，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2和第三开关元件Q3优选为NMOS管，NMOS管的栅极分别连接处理器U1的一个输出端口I/O1、I/O2、I/03并接收处理器U1输出的电平信号。

在上述实施例的描述中，“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅是为了使得对技术方案的描述更为清晰，而不是对技术方案本身的限定。

采用本发明所公开的无人机运行控制方法，通过处理器U1的判定、不同的输出端口和信号输出路径的选取使得四个电机可以根据不同的运行状态接收到同步或者异步信号，同时可以保持电机接收到的同步信号始终同频同相，在悬浮飞行状态时无人机不会出现抖动。本发明所公开的无人机运行控制方法具有控制方式灵活、硬件结构合理且无需昂贵的控制芯片驱动的优点。

本发明同时公开了一种无人机，采用如上述实施例所公开的运行控制方法进行运行，本发明公开的无人机通过处理器U1和电机之间信号传递输出端口和信号传递路径的选择，克服了无人机在平稳飞行状态飞行时容易出现抖动的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。