一种多层级组件化的无人机飞行控制系统的制作方法

1.本技术涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种多层级组件化的无人机飞行控制系统。


背景技术：

2.无人机的飞行控制系统主要用于无人机的飞行控制，其实现的功能通常包括姿态控制、位置控制、轨迹导航控制等功能。
3.目前，大多无人机的飞行控制系统能够实现轨迹导航控制、定位控制、姿态控制等控制作用，进而实现大部分无人机的基本飞行功能，但是随着无人机行业的不断发展，无人机在各行业的应用越来越广泛，对于无人机的飞行控制系统所需要实现的功能和性能也越来越趋向多样化，一方面，需要实现的控制作用更多且更具体化，例如，除了前述的轨迹导航控制、定位控制、姿态控制等控制作用，有时还需要实现速度控制、高度控制、翻转控制、起飞/降落阶段的控制、减速悬停控制等等，这些控制作用主要出于不同应用场合/飞行阶段的需要，大多无人机的飞行控制系统无法通过现有的层级控制框架来实现；另一方面，需要实现的控制作用有不同的性能要求，例如，对于同一个控制作用，在不同的应用场合，有不同的性能要求，大多无人机的飞行控制系统也无法通过现有的层级控制框架来实现，因而难以满足更多样化的无人机的控制需求。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种多层级组件化的无人机飞行控制系统，其设置了多个层级且每个层级设置了多个模块，通过不同模块之间的相互协作能形成不同的控制结构和控制作用，以此产生多样的控制作用，以及达到同一控制作用的不同性能需求，从而可以满足更多样化的无人机的控制需求。
5.本技术实施例提供了一种多层级组件化的无人机飞行控制系统，包括依次通信连接的至少两个控制层级，每个所述控制层级分别具有不同的控制功能；
6.每个所述控制层级包括至少两个控制模块；
7.在多个所述控制层级之间，上一控制层级的控制模块的输出为下一控制层级的控制模块的输入。
8.在上述实现过程中，本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统，设置了多个层级且每个层级设置了多个模块，使得不同模块之间的组合及相互协作能形成不同的控制结构和控制作用，以此可以产生多样的控制作用，以及达到同一控制作用的不同性能需求，从而可以满足更多样化的无人机的控制需求。
9.进一步地，所述多层级组件化的无人机飞行控制系统包括依次通信连接的四个控制层级，依次分别为导航层、速度层、姿态层及电机控制层，
10.所述导航层包括至少两个规划模块；
11.所述速度层包括至少两个控制模块，所述导航层的规划模块的输出为所述速度层
的控制模块的输入；
12.所述姿态层包括至少两个控制模块，所述速度层的控制模块的输出为所述姿态层的控制模块的输入；
13.所述电机控制层包括至少两个控制模块，所述姿态层的控制模块的输出为所述电机控制层的控制模块的输入。
14.在上述实现过程中，多层级组件化的无人机飞行控制系统包括依次通信连接的导航层、速度层、姿态层及电机控制层，可以更好地使得不同模块之间的组合及相互协作能形成不同的控制作用，以此可以产生较为多样的控制作用，以及达到同一控制作用的不同性能需求，从而可以较好地满足更多样化的无人机的控制需求。
15.进一步地，所述导航层的规划模块包括位置规划模块及速度规划模块。
16.在上述实现过程中，导航层的规划模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用。
17.进一步地，所述速度层包括位置环层、速度环层及位置pidd控制模块，
18.所述位置环层包括至少两个控制模块，所述导航层的规划模块的输出为所述位置环层的控制模块及所述位置pidd控制模块的输入；
19.所述速度环层包括至少两个控制模块，所述位置环层的控制模块的输出为所述速度环层的控制模块的输入，所述速度环层的控制模块及所述位置pidd控制模块的输出为所述姿态层的控制模块的输入。
20.在上述实现过程中，速度层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用，并以此可以产生较为多样的控制作用。
21.进一步地，所述位置环层的控制模块包括位置pid控制模块及位置p控制模块。
22.在上述实现过程中，位置环层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能更好地形成不同的控制作用。
23.进一步地，所述速度环层的控制模块包括速度ff_pid控制模块及速度pid控制模块。
24.在上述实现过程中，速度环层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能更好地形成不同的控制作用。
25.进一步地，所述姿态层包括姿态环层、角速度环层及姿态pidd控制模块，
26.所述姿态环层包括至少两个控制模块，所述速度层的控制模块的输出为所述姿态环层的控制模块及所述姿态pidd控制模块的输入；
27.所述角速度环层包括至少两个控制模块，所述姿态环层的控制模块的输出为所述角速度环层的控制模块的输入，所述角速度环层的控制模块及所述姿态pidd控制模块的输出为所述电机控制层的控制模块的输入。
28.在上述实现过程中，姿态层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用，并以此可以产生较为多样的控制作用。
29.进一步地，所述姿态环层的控制模块包括角度p控制模块及姿态pid控制模块。
30.在上述实现过程中，姿态环层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级
组件化的无人机飞行控制系统能更好地形成不同的控制作用。
31.进一步地，所述角速度环层的控制模块包括角速度pid控制模块及角速度ff_pid控制模块。
32.在上述实现过程中，角速度环层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能更好地形成不同的控制作用。
33.进一步地，所述电机控制层的控制模块包括力矩控制模块及转速平滑控制模块。
34.在上述实现过程中，电机控制层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1为本技术实施例提供的无人机飞行控制的不同实现方式的示意图；
37.图2为本技术实施例提供的多层级组件化的无人机飞行控制系统的示例的示意图；
38.图3为本技术实施例提供的无人机导航控制及手动操控的实现示例的示意图；
39.图4为本技术实施例提供的无人机定点控制的两种实现示例的示意图；
40.图5为本技术实施例提供的无人机的任务规划流程的示例图。
具体实施方式
41.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
42.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统，包括依次通信连接的至少两个控制层级，每个控制层级分别具有不同的控制功能；
44.每个控制层级包括至少两个控制模块；
45.在多个控制层级之间，上一控制层级的控制模块的输出为下一控制层级的控制模块的输入。
46.在本实施例中，每个控制层级为不同的控制层级，对应地，每个控制层级分别具有不同的控制功能。
47.可以理解地，本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统包括的控制层级，可以为两个、三个或四个，甚至更多，多层级组件化的无人机飞行控制系统包括的控制层级可以根据无人机的类型和无人机需要实现的功能等方面确定。
48.在多个控制层级之间，上一控制层级的控制模块的输出为下一控制层级的控制模块的输入，即在所有依次通信连接的控制层级之间，上一控制层级的控制模块的输出为下一控制层级的控制模块的输入。
49.在本实施例中，可通过任务规划模块根据实际的任务以及飞行性能需要确定需要实现的控制模块的组合和协作，对于任务规划模块，可参见图1，图1为本技术实施例提供的无人机飞行控制的不同实现方式的示意图，任务规划模块的输入可以是任务计划、用户指令、飞行器的状态、突入其来的事件等，输出为需要执行的控制作用，控制作用进而再转化为需要作用的控制模块的组合和参数。
50.本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统，设置了多个层级且每个层级设置了多个模块，使得不同模块之间的组合及相互协作能形成不同的控制结构和控制作用，以此可以产生多样的控制作用，以及达到同一控制作用的不同性能需求，从而可以满足更多样化的无人机的控制需求。
51.以下结合一个具体的多层级组件化的无人机飞行控制系统的示例对本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统进行相关解释说明及示例说明。
52.参见图2，图2为本技术实施例提供的多层级组件化的无人机飞行控制系统的示例的示意图。
53.该示例的多层级组件化的无人机飞行控制系统，包括依次通信连接的四个控制层级，依次分别为导航层、速度层、姿态层及电机控制层，
54.导航层包括至少两个规划模块；
55.速度层包括至少两个控制模块，导航层的规划模块的输出为速度层的控制模块的输入；
56.姿态层包括至少两个控制模块，速度层的控制模块的输出为姿态层的控制模块的输入；
57.电机控制层包括至少两个控制模块，姿态层的控制模块的输出为电机控制层的控制模块的输入。
58.在本实施例中，导航层、速度层、姿态层及电机控制层分别为四个不同的层级；如图2所示，导航层即为图2中的轨迹导航层级，速度层即为图2中的位置环及速度环层级，姿态层即为图2中的姿态环及角速度环层级，电机控制层即为图2中的电机控制层级。
59.其中，导航层、速度层、姿态层及电机控制层的模块之间通过信号流进行协作，导航层、速度层、姿态层及电机控制层的模块可以根据不同的需要灵活组成不同的控制作用，实现不同的控制性能及需求。
60.示例性地，以无人机的导航控制为例，无人机的导航控制的实现可以通过导航层的一个规划模块、速度层的一个或两个控制模块、姿态层的一个或两个控制模块及电机控制层的一个控制模块实现。
61.该示例的多层级组件化的无人机飞行控制系统包括依次通信连接的导航层、速度层、姿态层及电机控制层，可以更好地使得不同模块之间的组合及相互协作能形成不同的控制作用，以此可以产生较为多样的控制作用，以及达到同一控制作用的不同性能需求，从而可以较好地满足更多样化的无人机的控制需求。
62.参见图2，在本实施例中，导航层的规划模块包括位置规划模块及速度规划模块。
63.在上述过程中，导航层的规划模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用。
64.参见图2，在本实施例中，速度层包括位置环层、速度环层及位置pidd控制模块，
65.位置环层包括至少两个控制模块，导航层的规划模块的输出为位置环层的控制模块及位置pidd控制模块的输入；
66.速度环层包括至少两个控制模块，位置环层的控制模块的输出为速度环层的控制模块的输入，速度环层的控制模块及位置pidd控制模块的输出为姿态层的控制模块的输入。
67.在上述过程中，速度层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用，并以此可以产生较为多样的控制作用。
68.具体地，位置环层的控制模块包括位置pid控制模块及位置p控制模块；速度环层的控制模块包括速度ff_pid控制模块及速度pid控制模块。
69.参见图2，在本实施例中，姿态层包括姿态环层、角速度环层及姿态pidd控制模块，
70.姿态环层包括至少两个控制模块，速度层的控制模块的输出为姿态环层的控制模块及姿态pidd控制模块的输入；
71.角速度环层包括至少两个控制模块，姿态环层的控制模块的输出为角速度环层的控制模块的输入，角速度环层的控制模块及姿态pidd控制模块的输出为电机控制层的控制模块的输入。
72.在上述过程中，姿态层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用，并以此可以产生较为多样的控制作用。
73.具体地，姿态环层的控制模块包括角度p控制模块及姿态pid控制模块；角速度环层的控制模块包括角速度pid控制模块及角速度ff_pid控制模块。
74.参见图2，在本实施例中，电机控制层的控制模块包括力矩控制模块及转速平滑控制模块。
75.在上述过程中，电机控制层的控制模块的设置可以使得本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统能较好地形成不同的控制作用。
76.进一步地，电机控制层的控制模块还包括固定转速控制模块，固定转速控制模块用于无人机的电机测试。
77.在上述过程中，电机控制层的控制模块设置了固定转速控制模块，可以便于对无人机的电机进行测试。
78.以下结合附图对本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统进行相关具体的解释说明及示例说明。
79.如图2所示，图2中的线路描述了本技术实施例的多层级组件化的无人机飞行控制系统可行的控制作用的流程，比如
‘
位置规划’模块的输出可以输入到位置环的
‘
位置pid控制’和
‘
位置p控制’两个模块，以及到
‘
位置pidd控制’模块，
‘
位置pid控制’模块和
‘
位置p控制’模块的输出又可以输入到下一层级(速度环)的
‘
速度ff_pid控制’模块或者
‘
速度pid控制’模块，在进行无人机的控制时，可以根据这些线路所表示的可行组合方式选择需要实现的控制作用，如图2所示，通过从不同层级的模块导入，最终至电机控制信号输出，可以实现如导航控制、定点控制、定高控制、手动操控(姿态控制)、电机测试等控制作用。
80.如图3所示，以无人机的导航控制及手动操控为例，其中，无人机的导航控制实现
的是轨迹跟踪的功能，即可以是用户给定设定好的飞行轨迹，无人机按照控制作用使得飞行器按照设定的轨迹飞行，在图3中，无人机的导航控制通过位置规划模块、位置p控制模块、速度pid控制模块、角度p控制模块、角速度pid控制模块等模块形成控制结构，实现从轨迹设定到电机力矩输出的控制作用；无人机的手动操控实现的是姿态控制，即可以是用户通过遥控设备给出姿态信号控制无人机的姿态(滚转角、俯仰角、偏航速度、油门等)，从而控制无人机的速度等，进行机动飞行，在图3中，无人机的手动操控通过姿态pid控制模块和角速度ff_pid控制模块等模块形成控制结构。
81.如图2所示，在一个层级里，包含多个可选的模块，层级之间的控制作用的传递不是固定的搭配，一个层级的控制模块的输出可以选择传递给下一个层级不同的控制模块，形成不同的控制作用，也即，同一个控制作用，比如无人机的导航控制、定点控制等，可以选择不同的模块组合来实现，从而产生该控制作用的不同的控制性能。
82.如图4所示，以无人机的定点控制为例，可以有两种控制实现方法，控制方法1通过位置p控制模块、速度pid控制模块、角度p控制模块、角速度pid控制模块四个单一的环(模块)来实现，实现从目标位置到力矩控制的作用；控制方法2通过位置pidd控制模块和姿态pidd控制模块这两个模块来实现，实现从目标位置到力矩控制的作用；其中，pidd控制模块相当于p控制模块和pid控制模块的串联，但是有别于两个模块串联所实现的控制作用，pidd控制模块所实现的控制作用对位置/姿态的响应更加迅速，体现为更加快速的响应和精准的控制，从而通过不同模块的选择，可以实现不同的控制性能。
83.具体地，对于不同控制模块组合的选择，用户可以根据实际的任务以及飞行性能的需要来进行，而根据实际的任务以及飞行性能需要来选择需要实现的控制模块的组合和协作，是通过任务规划模块来实现任务的规划和调度的，并且发出指令决定需要实现的控制作用，以及实现的控制结构和控制模块的组合和协作。
84.以某个任务规划为例，具体的规划和执行实现方法如下。
85.如图5所示，无人机执行一个从手动飞行到自动导航的任务规划，在初始状态，无人机程序启动后进入就绪状态，等待起飞指令；在收到起飞指令之后，进入手动飞行模式，用户可以手动控制无人机飞行，到达需要监控查看的地方；无人机到达目的地后，进入悬停状态，执行自动悬停控制；完成任务之后，收到返航指令，无人机进入返航飞行状态，返航飞行通过导航控制来实现；返回出发点后，无人机再次进入就绪状态，等待新的指令；
86.通过这样的程序流程，无人机实现了任务的规划，规定了在什么时候、什么条件下执行相应的控制指令，同时，指定了执行控制的相应的模块组合，如图5所示，在任务规划中，执行了三种控制作用，分别为手动飞行控制(手动操控)、悬停控制和导航控制，每一种控制通过不同的控制模块的组合来实现，在不同的情况下采用不同的控制模块组合；
87.其中，手动飞行控制：姿态pidd控制；悬停控制：位置pidd控制+姿态pidd控制；导航控制：位置规划+位置p控制+速度pid控制+角度p控制+角速度pid控制；对于同样的姿态层的控制作用，在前两种控制实现中，采用姿态pidd控制模块来实现，而在导航控制中，采用角度p控制及角速度pid控制模块来实现，任务规划模块可以根据具体的飞行情况的需要指定不同控制模块来实现相应的控制作用。
88.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示
了根据本技术的实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
89.另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
90.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
91.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
92.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。