在抛投开始时对旋翼无人机进行动态控制的方法
【专利说明】在抛投开始时对旋翼无人机进行动态控制的方法
[0001] 本发明涉及旋翼无人机，诸如四螺旋桨遥控直升机（quadricopter)等等。
[0002] 这样的无人机提供有多个由相应的马达驱动的转子，这些马达可以差动方式控 制，从而使得以某种飞行姿态和速度来驾驶无人机。
[0003]这种无人机的典型例子为法国巴黎的鹦鹉股份有限公司的AR.Drone2. 0 (AR.无 人机2. 0)，其是配备有一系列传感器（加速计、三轴陀螺测试仪、测高仪）、捕捉无人机朝向 其定向的场景的图像的前部摄像机、以及捕捉溢流地面的图像的垂直视像摄像机的四螺旋 桨遥控直升机。
[0004] 更具体地，本发明涉及对这种无人机的自动控制以确保在以下状态之间的转换：
[0005]-初始状态，在该状态下，无人机马达关闭，并且因此在该状态下，转子停止，以及
[0006]-最终状态，在该状态下，无人机处于上升条件，即其水平和垂直速度为零或者几 乎为零，其倾斜度也是如此。
[0007]通常，初始状态是无人机停靠在、停在地面上的状态。用户使用通过其遥控触发马 达的打开，并借助于合适的命令使无人机演变，可能在此之后，在先前的自动驾驶起飞阶段 中，无人机在距离地面的预定高度处已自动采取上升条件。
[0008]本发明涉及对无人机进行动态控制的方法，该方法支持另一种"抛投"类型的飞行 启动技术，在该技术中，用户将无人机拿在手中、将马达关闭、并且释放无人机或将无人机 抛投到空中。
[0009] 随后问题将是确保快速打开马达，以便防止自由落体效果，并在无人机还有时间 落到地面之前，自动地使无人机在姿态和海拔高度方面稳定。
[0010] 因此，WO2013/123944A1描述了一种可具体可在营救操作时使用的无人机，比如 可从船上或者地面上抛投给遇难人员的救生圈形式的无人机。最初停靠在地面上并且其马 达被关闭的无人机随后被营救人员抓起并抛投给遇难人员。马达的关闭是自动的，且无人 机自动将其自身置成在遇难人员上方的悬空飞行，以向他/她投放安全设备。然而，本文档 没有描述对无人机的马达进行精确控制和伺服控制以安全并快速地在初始状态（这时，无 人机被营救人员抛出并且其马达被关闭）和处于悬空飞行的稳定上升状态之间进行转变 的方式。
[0011] 本发明的问题在于在先前的"抛投"阶段期间以可能最高效且最快速的方式确保 这种稳定性，该抛投阶段将一直维持，直到使无人机稳定到足以能够退出临时的自动驾驶 模式并将控制转移给用户。
[0012] 这种稳定性更难以得到确保，因为与以从地面起飞为开始不同，在无人机为静止 并且初始高度已知（为零）的情形下，在抛投开始时，以下初始条件可能以非常大的比例改 变且不能预先预测：
[0013]-简单释放，因此具有零初始速度，或者抛投，在预先未知的方向上（向上、或水 平……）具有更高或更低的初始脉冲速度；
[0014]-平抛或者"旋转"抛投，引入了角速度分量；
[0015]-用户释放或者抛投无人机的相对于地面的高度；
[0016] -外部条件：风、地面影响或者附近的墙壁的影响等。
[0017] 也建议避免在稳定阶段期间对各马达的任何不一致的影响（例如，在错误方向施 加的任何推进）或者使在稳定阶段期间对各马达的任何不一致的影响降低到最小，这种不 一致的效果倾向于将无人机推向地面。
[0018] EP2644240A1详细描述了卡尔曼滤波高度估计器的操作，但是没有给出关于使用 这种估计器来以"抛投开始"或者"释放开始"配置控制无人机马达的方式的任何指示。
[0019] 在另一上下文中，LupashinSetal. "ASimpleLearningStrategy forHigh-SpeedQuadrocopterMulti-Flips"，Proceedingsofthe2010IEEE InternationalConferenceonRoboticsandAutomation,May2010,pp. 1642-1648(2010 年5月的2010年IEEE机器人和自动化国际会议论文集第1642-1648页LupashinS等人 的文章"高速四螺旋桨遥控直升机的多次快速翻转的简单学习策略"）描述了如何控制四螺 旋桨遥控直升机类型的无人机执行"自旋"或者"翻腾"类型（无人机绕着其滚转轴或俯仰 轴转动一周）的演习。但是这种演习在任意情况下都是从其中马达已经被激活的初始上升 状态开始执行的-因此问题不在于使无人机从其中无人机在马达关闭的情况下以某种方 式或者其它方式被抛出的初始状态进入最终上升状态。此外，这篇文章描述了如何用预先 计算的轨迹命令来优化多个参数以生成精确的轨迹，该精确的轨迹总是相同（自旋或者翻 腾）。实际上，这样的方法在某种或者其他抛投之后将不适合于无人机的稳定，因为无人机 的速度和加速度等初始参数可能非常可变并且在任意情况下都是不可预测的。最终，旋转 自旋或者翻腾的不同执行步骤之间的转变总是同时发生并且不是无人机的初始运动的函 数：因此在这种情况下，不必根据初始条件来提供高度估计器的特定控制策略。
[0020] 如上所述，本发明的目的在于提出一种方法，该方法允许在抛投开始的情况下发 生从初始状态到最终状态的转变，在初始状态中，无人机在其马达关闭的情况下突然处于 自由落体条件，而在最终状态中，无人机在地面以上某个高度处稳定在上升条件中，且控制 可以被转移给用户，该整个过程在最小的时间内完成。
[0021] 这样的方法可以按例如从前面提到的W02013/123944A1中获知的方式来实现，其 中无人机包括：加速计装置，适于递送无人机的加速度值；陀螺仪装置，适于递送无人机的 角速度值；测高仪装置，适于递送无人机的高度值；高度控制装置，包括基于高度设定点来 操作的伺服控制回路；以及姿态控制装置，包括基于姿态设置点来操作的伺服控制回路。
[0022] 本发明的特征在于，测高仪装置包括预测滤波估计器，其合并了无人机的动态模 型的表示，并基于包含高度和水平速度变量的状态矢量来操作，并且该方法包括以下步 骤：
[0023]a)初始化预测滤波估计器；
[0024] b)由用户从马达关闭的初始状态将无人机抛投到空中；
[0025] c)检测自由落体状态，使得无人机加速度的模在预定的最小持续时间内小于预定 阈值；
[0026] d)在检测到所述自由落体状态之际，通过以下操作快速启动：
[0027] ?打开马达，
[0028] ?开环激活高度控制装置；以及
[0029] ?闭环激活姿态控制装置；
[0030] e)然后，在至少等于马达对所述打开的响应时间的持续时间后，通过以下操作使 无人机稳定：
[0031] ?闭环激活高度控制装置，以及
[0032] ?开环激活姿态控制装置；
[0033] f)检测稳定状态，使得无人机的总角速度的模（|Ω|)小于预定阈值；以及
[0034] g)在检测到稳定状态之际，切换到最终状态。
[0035] 根据各种附加有利的特征：
[0036] -初始化预测滤波估计器的步骤a)包括用包括在lm和2m之间的高度变量来初 始化状态矢量、用正向上且包括在〇到200cm/s之间的垂直速度变量来初始化状态矢量和 /或以包括在l〇〇mm/s和2000mm/s之间的值来初始化无人机的初始速度的置信区间；
[0037] -在步骤d)，以开环激活的高度控制装置基于与高度估计器的初始状态相对应的 固定高度设定点来操作；
[0038] -在步骤e)，以闭环激活的高度控制装置基于预定的固定高度设定点来操作；以 及
[0039] -在步骤d)和