无人机定点环绕飞行的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无人机控制技术领域，特别涉及一种无人机定点环绕飞行的控制方 法。
【背景技术】
[0002] 无人机因其具有费效比低、部署迅速和零伤亡等特点，被广泛应用于军事和民用 领域。无人机通过执行事先设定的特技飞行动作，可在灾难场景监测、航拍、搜救、基础设施 监察等领域发挥重要作用。
[0003]传统的无人机操作是指地面控制人员通过遥控器将控制指令上传至飞行控制器， 或者通过地面站在GPS卫星导航地图上设定飞行路径点以完成定点巡航控制。若要实现对 感兴趣区域有针对性的巡航，也只有通过以上两种方式来实现。一方面，由操作人员手动控 制飞行器的飞行动作执行定点环绕飞行，因为飞行器的航向变化频繁并且变化速度快，极 易造成操作失误导致无人机坠毁；另一方面，通过地面站在GPS卫星导航地图上设定对感 兴趣区域的巡航，又因地图范围过大或定位信息不准确而无法实现精细化的监察和监视。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
[0005]为此，本发明的目的在于提出一种无人机定点环绕飞行的控制方法。该方法可以 简化无人机的操作，提升用户体验。
[0006]为了实现上述目的，本发明公开了一种无人机定点环绕飞行的控制方法，包括以 下步骤：无人机开机自检，以确定无人机载GPS接收器正常；通过地面站设置好无人机定点 环绕飞行的参数；遥控飞行器起飞并切换至定点环绕模式后，机载飞行控制器使用PID控 制算法，根据预先设定的参数控制无人机进行定点环绕飞行；以及在无人机定点环绕飞行 的过程中，无人机操作员通过遥控器或地面站实时调整定点环绕飞行的参数。
[0007]根据本发明实施例的无人机定点环绕飞行的控制方法，可以实现无人机对感兴趣 区域的智能环绕飞行，大大简化无人机的操作，并极大的扩展无人机的应用场景。
[0008]另外，根据本发明上述实施例的无人机定点环绕飞行的控制方法还可以具有如下 附加的技术特征：
[0009]在一些示例中，在无人机定点环绕飞行模式中，通过GPS提供无人机的定位信息。
[0010] 在一些示例中，通过以下方式调整无人机环绕飞行参数：给定参数调整，其中，给 定参数调整由地面站完成；或连续可操作调整，连续可操作调整由遥控器控制输入完成。
[0011] 在一些示例中，无人机起飞前，由地面站给定环绕飞行参数，环绕飞行参数包括环 绕目标点、飞行高度、环绕半径、环绕切向速度、环绕法向速度和环绕方向。
[0012] 在一些示例中，所述环绕目标点指无人机定点环绕飞行的环绕中心位置，以其经 纬度表示，无人机进行定点环绕飞行时机头始终指向环绕目标点。
[0013]在一些示例中，所述飞行高度指无人机定点环绕飞行时所处的高度，由无人机载 的气压计给出。
[0014] 在一些示例中，在地面站设定或调整环绕半径时，通过如下方式实现：直接给出半 径大小；或直接在地图上点选环绕目标点和环绕圆弧上的任意一点后，通过计算二者之间 的欧氏距离以得到半径。
[0015] 在一些示例中，如果通过计算环绕目标点和环绕圆弧上的任意一点之间的欧式距 离以得到半径，需要将二者的GPS坐标转换成北东地坐标系下的坐标。设起飞点北东地坐 标系下的坐标为（、％)，GPS的纬度坐标为lab，经度坐标为lorv则环绕目标点在北东 地坐标系下的坐标（Xc;，y。）为： k的取值方式为：
【主权项】
1. 一种无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 无人机开机自检，以确定无人机载GPS接收器正常； 通过地面站设置好无人机定点环绕飞行的参数； 遥控飞行器起飞并切换至定点环绕模式后，机载飞行控制器使用PID控制算法，根据 预先设定的参数控制无人机进行定点环绕飞行；以及 在无人机定点环绕飞行的过程中，无人机操作员通过遥控器或地面站实时调整定点环 绕飞行的参数。
2. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，在无人机定 点环绕飞行模式中，通过GPS提供无人机的定位信息。
3. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，通过以下方 式调整无人机环绕飞行参数： 给定参数调整，其中，给定参数调整由地面站完成；或 连续可操作调整，连续可操作调整由遥控器控制输入完成。
4. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，无人机起飞 前，由地面站给定环绕飞行参数，环绕飞行参数包括环绕目标点、飞行高度、环绕半径、环绕 切向速度、环绕法向速度和环绕方向。
5. 根据权利要求4所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，所述环绕目 标点指无人机定点环绕飞行的环绕中心位置，以其经纬度表示，无人机进行定点环绕飞行 时机头始终指向环绕目标点。
6. 根据权利要求4所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，所述飞行高 度指无人机定点环绕飞行时所处的高度，由无人机载的气压计给出。
7. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，在地面站设 定或调整环绕半径时，通过如下方式实现： 直接给出半径大小；或 直接在地图上点选环绕目标点和环绕圆弧上的任意一点后，通过计算二者之间的欧氏 距离以得到半径。
8. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，如果通过计 算环绕目标点和环绕圆弧上的任意一点之间的欧式距离以得到半径，需要将二者的GPS坐 标转换成北东地坐标系下的坐标。设起飞点北东地坐标系下的坐标为（?L)，GPS的纬度 坐标为Iatci，经度坐标为Iorv贝U环绕目标点在北东地坐标系下的坐标（Xc;，y。）为：
取值方式为： if(fabs(c) < 6 )k=I.O elsek=c/sin(c)， 其中，环绕目标点为GPS的纬度坐标lat。，经度坐标lon。，环绕圆弧上的任意一点为GPS的纬度坐标Iat1，经度坐标Ior^ 应用上述方法得到环绕圆弧上的任意一点在北东地坐标系下的坐标（Xl，yi)。
9. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，当已知环绕 目标点和环绕圆弧上的任意一点在北东地坐标系下的坐标（?%)和（X1J1)后，环绕半径
10. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，无人机围绕 目标点环绕飞行时的环绕角速度：
其中，ut为无人机的环绕切向速度，R为环绕半径。
11. 根据权利要求10所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，环绕方向 指无人机围绕环绕目标点的飞行方向，分为顺时针和逆时针。
12. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，无人机在定 点环绕飞行过程中，通过遥控器俯仰通道控制输入改变环绕法向速度对飞行器的环绕半径 进行连续可操作调整。
13. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，通过遥控器 控制输入改变环绕法向速度调整飞行器环绕半径时，其环绕法向速度的控制方法为：在每 个控制周期内，存在 ：
其中，Rs6t为遥控器俯仰通道输入后变化的环绕半径，RiS当前飞行器与环绕目标点的 距离，unset是遥控器俯仰通道输入的环绕法向速度；PK、IjPD!^表示法向速度的PID控制 参数，E"K为误差积分，unsp是实际PID控制算法产生的速度控制量。
14. 根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，无人机在 定点环绕飞行过程中，通过遥控器横滚通道控制输入对环绕切向速度进行连续可操作调整 时，其环绕切向速度的控制方法为：在每个控制周期内，有：
其中，U 当前环绕切向速度，acc "为遥控器横滚通道输入的切向加速度，U tsrt是横 滚通道输入后的切向速度；P"、1"和D "表示切向速度的PID控制参数，E ""为误差积分， u tsp是实际PID控制算法产生的切向速度控制量。
15.根据权利要求1所述的无人机定点环绕飞行的控制方法，其特征在于，无人机在定 点环绕飞行过程中，通过地面站或遥控器俯仰通道输入修改环绕半径，设此时飞行器北东 地坐标系下的坐标为（Xi， yi)，环绕目标点北东地坐标系下的坐标为（?,%),则此时相对于 环绕目标点的偏航角为esrt=-atan2( yi-yci，Xi-X(l)，针对0^和0 ,进行PID控制得到角 速度补偿为： ?C=P.X(0^-0,)+1^ 0err, 其中，定点环绕飞行过程中，此时相对于环绕目标点的偏航角为9 i， 其中P"、I"表示角速度的PI控制参数，9 m为偏航角误差积分，则环绕半径变化后无 人机的环绕偏航角速度为： wSet= W ff+Wc°
【专利摘要】本发明提供一种无人机定点环绕飞行的控制方法，包括：无人机开机自检，确保无人机载GPS接收器正常工作；通过地面站设置好无人机定点环绕飞行的参数；遥控飞行器起飞并切换至定点环绕模式后，机载飞行控制器使用PID控制算法按照事先设定好的参数控制无人机进行定点环绕飞行；在无人机定点环绕飞行的过程中，无人机操作员可以通过遥控器或地面站实时调整定点环绕飞行的参数。根据本发明实施例的无人机定点环绕飞行的控制方法，可以实现无人机对感兴趣区域的智能环绕飞行，大大简化无人机的操作，并极大的扩展无人机的应用场景。
【IPC分类】G05D1-10
【公开号】CN104714557
【申请号】CN201510134949
【发明人】戴琼海, 李一鹏, 李修, 施泽南
【申请人】清华大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月26日