用于无人机的高度估计器的制作方法

本发明涉及无人机，尤其是诸如四旋翼直升机之类的旋翼无人机和固定翼无人机。

背景技术：

固定翼无人机具有由至少一个相应马达驱动的至少一个旋翼。

旋翼无人机配备有由相应马达驱动的多个旋翼，这些马达可按不同的方式来被控制以在姿态和速度方面操纵无人机。

这样的无人机的典型示例是法国巴黎的parrotsa的ar.drone、bebopdrone或bebop2，这是配备有一系列传感器(加速度计、3轴陀螺仪、高度计)、捕捉该无人机所朝向的场景的图像的前置相机、以及捕捉飞过地面的图像的俯视相机的四旋翼直升机。

wo2010/061099a2和ep2364757a1(parrotsa)描述了这样的无人机以及通过具有集成加速度计的触摸屏多媒体电话或媒体播放器(例如，iphone型蜂窝电话或者ipodtouch或ipad型多媒体播放器或平板(美国apple公司的注册商标)来操纵它的原理。该无人机由用户通过由设备倾斜传感器所发射的信号来操纵，该倾斜被无人机重复：例如，为使无人机前进，用户将他的设备绕其俯仰轴倾斜，并且为使无人机向右或向左移动，他将这一装置相对于其滚转轴倾斜。以此方式，如果无人机被控制以下倾或“俯冲”(根据俯仰角来倾斜)，它将以倾角越大则越高的速度前进；相反，如果它被控制以在相对方向上“爬升”，其速度将渐进地减缓，随后将反转，从而向后行进。以相同的方式，为控制绕滚转轴的倾斜，无人机将向右或向左倾斜，从而造成向右或向左的水平平移的线性位移。

用户具有供其支配的其他命令，这些命令被显示在触摸屏上，尤其是“上移/下移”(扼流控制)和“右转/左转”(无人机绕其偏航轴旋转)。

本发明更具体地涉及评估无人机的飞行高度。

如本文所使用的，词语“高度”意指在诸如伽利略参考系等固定陆地参考系(其高度零对应于无人机在地面上的位置)中考虑的无人机在垂直方向上的即时位置值。这一“高度”因此是绝对量值。

诸如在上述文档中描述的ar.drone等无人机具有超声测距仪(也称为us传感器)，包括用于发射和接收超声的电声换能器。这一换能器发射几十或几百微秒的短超声猝发，随后等待到地面的反射之后发回声学回声返回。将猝发发射与回声接收分开的时段使得可能(声音的速度是已知的)估计所行进的声学路径的长度，并从而估计将无人机与反射表面分开的距离。实际上，在us传感器的声束相当宽(通常是开口角约55°的锥体)的限度内，换能器最常接收多种回声，并且区分这些回声中的哪一些对应于最接近点。在密集区间迭代这一测量，使用25hz的典型超声猝发重现频率。

实现超声测距仪的这样的高度估计器例如在ep2400460a1(parrotsa)中描述，其中它尤其被用来计算要应用于无人机所飞过的地形的连贯图像的比例因子，尤其用于考虑无人机相对于地面的水平速度，与加速度计数据相组合。

在任何情况下，超声测距仪所提供的结果(此后称为“距离”)是相对量值，无人机所飞过的地形的地貌的函数。的确，测得的距离可能不同于高度(在上文指示的意义内)，尤其是当无人机越过障碍(例如，如果它以恒定高度飞过桌子或墙壁)的情况发生时：对于这一飞行历时，超声测距仪测得的距离将突减，甚至在高度没有改变时。

在只需将高度维持在稳定值时，如果只考虑测距仪的指示，则有使无人机执行“地形跟随”的风险，这不是所寻求的目标，尤其是不平地形。

本发明涉及解决因这一现象造成的某一数目的问题以及超声测距传感器特有的其他缺陷。

这些传感器具有以下特性：

所产生的测量只是高度的相对测量(测距、距离测量)；

在实际情形中，由于地面反射的多个回声、较大或较少反射率的地形以及频繁信号消失(例如，在无人机飞过吸收性地形(灌木……)时)，测量是有很多噪声的；

距离是受限的，在上述文档中描述的ar.drone的情况下是约6m，并且超过这一值，测距信号突然消失；

另一方面，测量是非常快的，它可能以高频率(通常25hz)来迭代，并且它的准确度是极好的，在范围从几十厘米到几米的测量尺度上是几厘米的量级。

为补偿这些缺陷，可能与测距传感器相组合地使用另一类型的传感器，即压力传感器或气压传感器，如在ep2644240a1(parrotsa)中描述的。

气压传感器允许测量飞行期间的压力变化，这样的变化被相关到高度变化。因此，通过整合始自起飞时的高度零的这些变化，获得高度的绝对测量是可能的。

气压传感器具有以下特性：

它提供与所飞过的地形无关的绝对测量；

它可被用在高度处，没有上限；

另一方面，在必需整合压力变化的限度内，它很慢并且相对不精确；

另外，它经受气动扰动的损害，尤其是在低高度处，由于地面效应，在无人机的旋翼产生高涡流从而使得压力传感器递送的信号不可使用时。

的确，气压传感器是测量给出高度指示的静态压力的压力传感器。这一高度应当是绝对的且与无人机移动无关。

此外，由于它们的尺寸，无人机具有配备该无人机的不同传感器的整合的约束，因为它们必须被置于小电子板(最小的可能)上并被置于小尺寸位置中。此外，无人机的这些尺寸约束具有对重量、自主性、稳定性以及成本约束的影响。

由于所有这些约束，气压传感器通常被置于腔中，该封闭腔是由相对柔性的材料形成的。

这样的组装件具有以下缺陷。在无人机飞行期间，相对空气速度将动态压力施加于无人机的外表面从而造成无人机结构的变形，并修改腔内部的静态压力，尤其是容纳气压传感器的腔内的静态压力。包含气压传感器的腔的静态压力被修改，气压传感器检测到的高度因此是错误的。

技术实现要素：

因此，本发明的目标是提出一种包括高度确定装置的无人机，它配备有用于潜在地重新调整检测到的高度测量的装置，这使得在任何情形下可能克服这一困难。

本发明提供了一种无人机，诸如上述ep2644240a1公开的无人机，包括：适配成递送无人机高度信号的气压传感器；用于测量所述无人机的姿态的至少一个传感器，其被适配成估计无人机的至少一个姿态角；以及适配成递送在绝对陆地参考系中表达的无人机高度值的高度确定装置。

本发明的特征在于，该无人机包括被适配成测量相对风速的至少一个相对风速传感器，并且高度确定装置包括：

用于存储预定高度补偿数据的设备，

高度估计器，它接收由所述至少一个姿态测量传感器以及由所述至少一个相对风速传感器以及由气压传感器递送的信号作为输入，并将这些信号与存储设备中存储的高度补偿数据相组合以输出所估计的无人机高度值。

根据各种有利的辅助特性：

高度估计器被适配成因变于由所述至少一个姿态测量传感器以及由所述至少一个相对风速传感器以及由气压传感器递送的信号来周期性地确定所估计的高度。

所述无人机的姿态包括俯仰和/或滚转。

用于存储预定高度补偿数据的设备包括先前通过测量造成的对所述无人机的扰动来确定的高度补偿数据。

高度估计器包括用于确定要被应用的补偿的设备和用于计算所估计的高度的设备。

用于确定要被应用的补偿的设备基于由所述至少一个姿态测量传感器以及由所述至少一个相对风速传感器递送的信号并通过将这些信号组合到在存储设备中存储的高度补偿数据，来确定要被应用的补偿，以及用于计算所估计的高度的设备包括被适配成将由气压传感器递送的高度与要被应用的补偿相加以确定所估计的高度的装置。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的设备的示例性实施例。

图1是示出无人机和用于远程操纵无人机的相关联的遥控设备的总体视图。

图2是根据本发明的允许估计无人机高度的无人机的主元件的框图。

图3是根据本发明的高度确定装置的不同元件的框图。

图4是根据本发明的确定所估计的高度的流程图。

图5是根据本发明的示出校正之后的所估计的高度测量的计时图。

具体实施方式

在图1中，附图标记10概括地指代无人机，例如四旋翼直升机类型的旋翼无人机，诸如在wo2010/061099a2和ep2364757a1以及fr2915569a1(它具体描述了无人机所使用的陀螺仪和加速度计系统)和ep2431084a1(它具体描述了控制预定轨迹的方式)中描述的上述ar.drone、bebopdrone以及bebop2。

根据本发明，无人机还可以是固定翼无人机，尤其是“帆翼”型，诸如举例而言瑞士cheseaux-lausanne的sensefly的ebee型(这是专业陆地测绘无人机)或者法国巴黎的parrotsa最近推出的disco型。

图1中解说的无人机10包括四个共面旋翼12，它们的马达由导航和姿态控制集成系统彼此独立地操纵。

该无人机具有使得它能够获得无人机所朝向的场景的图像的第一前置相机14以及第二前置相机，第二前置相机朝向下以捕捉飞过地形的连贯图像，尤其用来由于估计相机所捕捉的场景的从一个图像到下一图像位移并对这一所估计的位移应用测得高度的比例因子函数的软件，以与加速度计数据相组合地估计无人机相对于地面的速度。这一技术在上述文档ep2400460a1中详细描述，请参考该文档来获取进一步细节。

如图1所示，无人机1由具有显示无人机的前置相机之一所捕捉的图像的触摸屏18的远程遥控设备16来操纵，该图像叠加有允许通过用户手指20简单接触触摸屏18来激活操纵命令的某一数目的符号。设备16具有倾斜传感器，从而使得可能控制无人机姿态。此外，遥控设备可以显示无人机状态数据，尤其是无人机高度。

为了与无人机进行双向数据交换，远程遥控设备16还具有无线电链路装置，例如wi-fi(ieee802.11)或蓝牙(注册商标)局域网类型。遥控设备16有利地包括具有集成加速度计的触摸屏多媒体电话或媒体播放器，例如iphone型蜂窝电话、ipodtouch型播放器或ipad型多媒体平板，它们是包括显示和检测操纵命令、将前置相机捕捉的图像可视化、以及通过wifi或蓝牙链路与无人机进行双向数据交换所需的各种控制元件的设备。

无人机10的操纵包括通过以差别化的方式控制各马达以根据情况生成以下移动来使无人机演化：

绕俯仰轴旋转，使无人机向前或向后移动；和/或

绕滚转轴旋转，使无人机向右侧或向左侧移动；和/或

绕偏航轴旋转，使无人机主轴向右或向左枢转；和/或

通过改变油门控制来向下或向上平移，以相应地降低或增加无人机高度。

无人机还可具有悬停飞行稳定化的自动和自主系统(自动驾驶、“固定点”配置)，尤其在用户一旦将他的手指从该设备的触摸屏移除就被激活，或者在起飞阶段结束时自动激活、或者在该设备与无人机之间的无线电链路中断的情况下被激活。无人机随后转至漂浮状况，其中它将自动固定不动并稳定，而没有用户干预。

在图2中，示出了无人机的允许估计无人机高度的主元件。这些元件存在于任何类型的无人机上，尤其是旋翼无人机和固定翼无人机。无人机10包括机载气压传感器30，它被适配成递送无人机高度变化信号并因此被适配成提供给出无人机相对于地面的高度的测量。

气压传感器通常被置于封闭腔中，该腔是通过相对柔性的材料形成的。

无人机10进一步包括允许获得无人机行为的测量的姿态估计器32。为此，它包括一个或若干个姿态测量传感器34。传感器的示例是惯性传感器(加速度计和陀螺仪)，从而使得可能以某一准确度来测量无人机的角速度和至少一个姿态角，即描述无人机相对于固定陆地参考系的水平面的倾斜的欧拉角。

此外，无人机(具体地是姿态估计器32)包括被适配成测量相对风速的至少一个相对风速传感器36。

根据本发明，无人机10还具有被适配成递送以绝对陆地参考系表达的无人机高度值的无人机高度确定装置38。

气压传感器30通常置于其结构在无人机飞行时易于变形的腔中，该腔内部的静态压力将在无人机飞行期间变化并且因此气压传感器30检测到的高度是错误的。

如图3所示，为校正无人机的气压传感器30检测到的高度，无论无人机具体是固定翼还是旋翼型，高度确定装置38包括被适配成基于无人机姿态和相对风速数据并且还基于存储设备40中存储的高度补偿数据来估计无人机的真实高度以输出所估计的无人机高度值的高度估计器42。

根据一实施例，用于存储预定高度补偿数据的设备40包括针对可能的无人机姿态和特定相对风速的集合的、通过测量对所述无人机造成的扰动而先前确定的高度补偿数据。

具体而言，这些补偿数据例如通过在测试支架上(尤其是在风洞中)执行的测量来确定，以尤其因变于无人机状态和相对风速数据来确定气压传感器30检测到的高度与真实高度之差。

根据补偿数据确定的特定实施例，在风洞中创建整合了由气压传感器30在相对风速和无人机姿态的不同条件下测得的值(称为原始测量)的地图。

为降低气压传感器30的测量误差，可针对相对风速和无人机姿态的每一条件来作出多个原始测量，随后执行这些测得的原始数据的平均化。

因此，针对无人机姿态集合(即，俯仰角和/或滚转角集合)并针对不同相对风速来执行气压传感器30的原始测量。

测量是在具有给定压力的特定房间中执行的。

因此，对于测得的每一原始值，在每一测试时确定气压计外壳中的静态压力漂移，并且因此相关于相对风速对无人机的每一姿态确定要应用于由气压传感器检测到的原始高度测量的校正。

因此，针对无人机姿态集合并针对相对风速数据集确立高度补偿数据。

下表解说了在无人机具有40°滚转角且没有俯仰角时要被应用于由气压传感器检测到的高度值的补偿数据的示例。

因此，根据这一示例，在无人机具有40°滚转角且相对风速是-30m/s时，由气压传感器检测到的高度必须被调整-10m。

同样，根据这一示例，在无人机具有-40°滚转角且相对风速是-10m/s时，由气压传感器检测到的高度必须被调整-2m。

如图3所示，高度确定装置38包括高度估计器42，高度估计器42接收由所述无人机的所述至少一个姿态测量传感器34以及由所述至少一个相对风速传感器36以及由气压传感器30递送的信号作为输入，并将这些信号与存储设备40中存储的高度补偿数据相组合以输出所述估计的无人机高度值。

根据一特定实施例，无人机10包括用于将压力传感器递送的压力测量转换成检测到的高度测量的设备44。根据一示例性实施例，用于转换压力测量的设备被包括在高度估计器中。根据一替换实施例，用于转换压力测量的设备44位于高度估计器42的上游。

根据一特定实施例，高度估计器42包括用于确定要被应用的补偿的设备46和用于计算所估计的高度的设备48。

用于确定要被应用的补偿的设备46基于由所述至少一个姿态测量传感器34以及由所述至少一个相对风速传感器36递送的信号并通过将这些信号与用于存储预定高度补偿数据的设备40中存储的高度补偿数据相组合，来确定要被应用于检测到的高度的补偿。

根据补偿确定设备46的一特定实施例，补偿确定设备46针对每一姿态角(具体是俯仰角和滚转角)确定要被应用于检测到的高度的补偿。要被应用的总补偿对应于针对每一无人机姿态角确定的补偿的总和。因此，以此方式，补偿确定设备46递送被确定为要应用到气压传感器30检测到的高度的总补偿。

根据一特定实施例，在由所述无人机的所述至少一个姿态测量传感器34以及由所述至少一个相对风速传感器36递送的信号没有对应于存储设备40中存储的数据而是位于所存储的数据之间时，基于最接近的所存储的姿态和相对风速数据来执行补偿数据内插，以最好地确定要应用于气压传感器检测到的高度的补偿。

用于计算所估计的高度的设备48包括被适配成将气压传感器30或用于转换压力测量的设备44所递送的高度与补偿确定设备46所确定的补偿相加以估计无人机的高度的装置。

根据一特定实施例，高度估计器42被适配成因变于由所述至少一个无人机姿态传感器以及由所述至少一个相对风速传感器以及由气压传感器递送的信号周期性地或按需确定无人机的高度。

图4示出根据本发明的解说尤其实现在高度确定装置38中的确定所估计的高度的方法的步骤图。

这一方法包括接收来自气压传感器的与该气压传感器检测到的高度相对应的信号的步骤50。

这一步骤之后是接收由姿态测量传感器递送的尤其包括俯仰和/或滚转的信号的步骤52。

步骤52之后是接收相对风速测量信号的步骤54。

步骤54之后是基于无人机姿态测量和相对风速测量来确定要被应用于高度的补偿的步骤56。

根据一特定实施例，补偿的确定是针对无人机的每一姿态角(具体地针对俯仰和滚转)来执行的。因而，如果无人机具有俯仰角且没有滚转角，则将确定单个补偿值。相反，如果无人机具有俯仰角和滚转角，则确定要被应用的两个补偿，无人机的每一姿态角一个补偿。因此，随后通过所确定补偿的求和来确定要被应用的总补偿。

步骤56之后是基于在步骤50检测到的高度与在步骤56确定的要应用的补偿来计算所估计的高度的步骤58。具体而言，所估计的高度是检测到的高度与所确定的要被应用的补偿的和。

这一方法在每当有必要知晓最接近的无人机高度时实现。根据另一实施例，它可在定期的基础上实现，例如每两秒。

将注意，步骤50到52可按不同的次序或并行执行。

在姿态估计器32的输入端处提供高度确定装置38所估计的高度。姿态估计器32实现例如“kalman滤波”型的状态估计器，这是基于在输入端处施加的测量序列来估计动态系统(在本情况下是无人机)的状态的无限脉冲响应滤波器。该技术的一般原理将例如在r.e.kalman的anewapproachtolinearfilteringandpredictionproblems(线性滤波和预测问题的新办法)，asme会议录——基础工程设计期刊(journalofbasicengineering)，卷82(1960)。

图5解说了根据本发明的来自高度确定装置的无人机估计高度。

图5在标示为a的线处解说了由气压传感器30检测到的高度测量，而标示为b的线示出了由地理定位设备(gps设备)获得的实际高度。可以观察到，在无人机的非常动态飞行期间，气压传感器30的测量相对于由地理定位设备作出的高度测量而言被极大地扰乱。在应用根据本发明的高度确定装置38的高度确定方法之后，所估计的无人机高度由标示为c的线示出。可以观察到，根据本发明来估计的高度非常接近地理定位设备测得的高度值。