无人机舵机抖动抑制方法、抑制器及无人机与流程

本发明涉及航空设备技术领域，特别涉及一种无人机舵机抖动抑制方法及电子元件。

背景技术：

随着无人机行业在民用领域的迅速发展，作为其核心执行机构，舵机的使用要求也越来越高，使用条件也日益苛刻。随着舵机控制精度的提高，舵机对信号噪声的敏感度也相应提高，导致至今为止舵机抖动的问题仍然层出不穷，时刻威胁着无人机系统的安全。

据研究表明，舵机抖动的原因主要有供电电压不足、舵机电位器损坏、控制算法缺陷和信号噪声干扰等。其中，供电电压不足、舵机电位器损坏和控制算法缺陷在近年来均有相应的改善及优化，但仍不可避免的存在舵机抖动情况。尤其是信号噪声干扰产生的舵机抖动，由于目前电子设备的广泛使用，信号干扰源复杂多样，这就使得信号噪声干扰引起的舵机抖动无法得到较好的解决。舵机抖动严重危害着无人机的安全性能。

因此，如何抑制舵机抖动，提高安全性能，是本技术领域人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明公开了一种无人机舵机抖动抑制方法，抑制舵机抖动，提高安全性能。本发明还提供了一种无人机舵机抖动抑制器及无人机。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无人机舵机抖动抑制方法，包括步骤：

接收初始控制信号和抖动信号；

根据所述抖动信号调整所述初始控制信号，得到输出控制信号；

发送所述输出控制信号给舵机，所述输出控制信号为输出至所述舵机的控制信号，以使得舵机根据所述输出控制信号控制无人机飞行。

优选地，上述无人机舵机抖动抑制方法中，根据抖动信号调整所述初始控制信号，得到输出控制信号的步骤中，具体包括：

迭代运算，根据所述初始控制信号和历史输出控制信号，结合了所述抖动信号，计算得当前时刻的输出控制信号。

优选地，上述无人机舵机抖动抑制方法中，所述步迭代运算步骤采用运算公式：

Out'[n]＝K*In[n]+(1-K)*Out'[n-1]计算；

其中，

In[n]为初始控制信号；

K为信号处理系数，取值范围为0-1，K与抖动信号及控制信号的平稳度信息相关；

Out'[n-1]为上一时刻的历史输出控制信号；

Out'[n]当前时刻的输出控制信号。

优选地，上述无人机舵机抖动抑制方法中，根据抖动信号调整所述初始控制信号，得到输出控制信号的步骤中，所述迭代运算步骤之后还包括步骤：

死区运算，根据预设的死区运算方法和所述抖动信号，对所述输出控制信号进行稳定处理。

优选地，上述无人机舵机抖动抑制方法中，所述死区运算步骤中，死区稳定处理计算公式为：

若|Out'[n]-Out[n-1]|<e,则Out[n]＝Out[n-1]；

反之，则Out[n]＝Out'[n]；其中，

Out[n]为当前时刻的死区稳定处理后的输出控制信号；

Out[n-1]为上一时刻的死区稳定处理后的历史输出控制信号；

e为设置的信号噪声死区值，e≥0，e值与抖动信号相关；

Out'[n]为经过所述迭代运算步骤后输出的当前时刻的输出控制信号。

优选地，上述无人机舵机抖动抑制方法中，所述抖动信号为噪声信号。

本发明还提供了一种无人机舵机抖动抑制器，包括：用于与无人机飞行控制系统通信连接的信号输入接口、用于与舵机通信连接的信号输出接口及与所述信号输入接口及所述信号输出接口连接的微处理器；

所述微处理器植入如上述任一项的无人机舵机抖动抑制方法中根据所述抖动信号调整所述初始控制信号，得到输出控制信号的处理程序。

优选地，上述无人机舵机抖动抑制器中，所述信号输入接口及所述信号输出接口为PWM信号接口。

优选地，上述无人机舵机抖动抑制器中，还包括与所述微处理器通信连接的用于显示调试参数的显示器及用于输入调试参数的输入器。

本发明还提供了一种无人机，包括无人机飞行控制系统及舵机，还包括连接于所述无人机飞行控制系统及所述无人机舵机之间的控制线路上的无人机舵机抖动抑制器，所述无人机舵机抖动抑制器为如上述任一项所述的无人机舵机抖动抑制器。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的无人机舵机抖动抑制方法，根据抖动信号对初始控制信号进行调整，将调整后的输出控制信号发送给舵机。通过上述调整信号的操作，将抖动信号的影响归入输出控制信号中，进而实现了抑制舵机抖动的操作，提高了无人机系统的安全性能。

本发明还提供了一种植入上述无人机舵机抖动抑制方法中根据所述抖动信号调整所述初始控制信号，得到输出控制信号的处理程序的无人机舵机抖动抑制器及具有无人机舵机抖动抑制器的无人机。由于上述无人机舵机抖动抑制方法具有上述技术效果，上述无人机舵机抖动抑制器及无人机也应具有同样地技术效果，在此不再详细介绍且均在保护范围之内。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制方法第一实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制方法第二实施例的流程示意图；

图3为图2中计算得当前时刻的输出控制信号的计算流程图；

图4为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制方法第三实施例的流程示意图；

图5为图4中计算得当前时刻的死区稳定处理后的输出控制信号的计算流程图；

图6为初始状态时频率脉宽与时间的坐标示意图；

图7为图6中经过迭代运算处理的频率脉宽与时间的坐标示意图；

图8为图7中经过死区稳定处理的频率脉宽与时间的坐标示意图；

图9为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制器的使用示意图；

图10为PWM控制信号波原理示意图；

图11为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制器的显示器的显示界面示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种无人机舵机抖动抑制方法，抑制舵机抖动，提高安全性能。本发明还提供了一种无人机舵机抖动抑制器及无人机。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制方法第一实施例的流程示意图。其中，该方法包括以下步骤：

步骤S101：接收初始控制信号和抖动信号；

初始控制信号为无人机飞行控制系统发送出的控制信号，抖动信号为舵机抖动的相关信号。

可以理解的是，在无人机信号发送过程中，控制台发射控制信号，传递到无人机系统，无人机飞行控制系统发送初始控制信号。

步骤S102：根据抖动信号调整初始控制信号，得到输出控制信号；

根据舵机的抖动信号，对初始控制信号进行调整，然后输出经过调整后的控制信号，即输出控制信号。其中，抖动信号可以为实时的抖动信号，即，在无人机运行时，根据当时的抖动信号调节初始控制信号，得到输出控制信号后输送舵机。也可以模拟无人机运行状态，使模拟状态的抖动信号调整初始控制信号，根据抖动信号得出最适宜的调整方式，将调整方式输入到无人机的控制系统中，在无人机运行时，初始控制信号根据由抖动信号得出的调整方式调节后，得到输出控制信号。

步骤S103：发送输出控制信号给舵机，输出控制信号为输出至舵机的控制信号，以使得舵机根据输出控制信号控制无人机飞行；

将输出控制信号代替初始控制信号输出到舵机，输出控制信号作为舵机的控制信号，使得舵机根据该输出控制信号控制无人机飞行。

本发明实施例提供的无人机舵机抖动抑制方法，根据抖动信号对初始控制信号进行调整，将调整后的输出控制信号发送给舵机。通过上述调整信号的操作，将抖动信号的影响归入输出控制信号中，进而实现了抑制舵机抖动的操作，提高了无人机系统的安全性能。

请参考图2，为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制方法第二实施例的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S201：接收初始控制信号和抖动信号。

步骤S202：迭代运算，根据初始控制信号和历史输出控制信号，结合了抖动信号，计算得当前时刻的输出控制信号；

其中，历史输出控制信号为上一时刻的输出控制信号。通过初始控制信号与历史输出控制信号进行混合运算，再结合抖动信号，最终计算得当前时刻的输出控制信号。同样地，其中，抖动信号可以为实时的抖动信号，即，在无人机运行时，根据当时的抖动信号和历史输出控制信号调节初始控制信号，得到输出控制信号后输送舵机。也可以模拟无人机运行状态，使模拟状态的抖动信号调整初始控制信号，根据抖动信号得出最适宜的调整方式，将调整方式输入到无人机的控制系统中，在无人机运行时，初始控制信号根据由抖动信号得出的调整方式和历史输出控制信号调节后，得到输出控制信号。

当然，也可以为最初的输出控制信号。

步骤S203：发送输出控制信号给舵机，输出控制信号为输出至舵机的控制信号，以使得舵机根据输出控制信号控制无人机飞行。

其中，步骤S201与S203与第一实施例中的步骤S101与S103一致，本实施例中不做赘述。

当然，也可以为最初的输出控制信号。通过初始控制信号与历史输出控制信号进行混合运算，再结合抖动信号，最终计算得当前时刻的输出控制信号。

优选地，步骤S202中，采用迭代运算处理方法处理初始控制信号以便于得到输出控制信号。

如图2及图3所示，在本实施例中，步骤S202采用运算公式：

Out'[n]＝K*In[n]+(1-K)*Out'[n-1]计算；

其中，

In[n]为初始控制信号；

K为信号处理系数，取值范围为0-1，K与抖动信号及控制信号的平稳度信息相关；

Out'[n-1]为上一时刻的历史输出控制信号；

Out'[n]当前时刻的输出控制信号。

在第一时刻运算时，即，n＝1时，Out'[n-1]＝0。

伪代码为：

读取初始控制信号脉宽In[n]；

读取上一时刻的历史输出控制信号Out'[n-1]；

输入信号处理系数K，K的取值范围为0-1；

计算当前时刻的输出控制信号Out'[n]＝K*In[n]+(1-K)*Out'[n-1]；

记录输出控制信号Out'[n-1]＝Out'[n]。

当K值为1时，当前时刻的输出控制信号完全由当前时刻输入信号(初始控制信号)决定，即输出控制信号夹杂着噪声等致使航机抖动的信息一起输出，对抖动没有处理；反之，当K为0时，当前时刻的输出控制信号完全由上一时刻的历史输出控制信号，即输出控制信号保持不变，尽管这样完全排除了信号噪声的影响，但没有对控制信号的变化作出响应。所以，在实际使用时，需根据具体情况在0-1之间调整K值。

在本实施例中，其中，抖动信号为噪音信号。噪音信号主要指噪声的幅值。当然，也可以选用其他信号作为抖动信号。

在本实施例中，K与抖动信号及控制信号的平稳度信息相关。其中，控制信号的平稳度信息为初始控制信号的稳定状态。当初始控制信号越平稳，抖动信号强度越大时，则选用较小的K值；当初始控制信号变化较快，抖动信号强度较小时，则选用较大的K值。大量的实验结果表明，经过该迭代运算处理后，输出控制信号中噪声的幅值大约可降为原来的K^1/2。如图6和图7所示，有效降低了舵机抖动。此处理算法可适用于各种场合，简单方便且效果显著。

本发明实施例提供的无人机舵机抖动抑制方法，根据抖动信号对初始控制信号进行调整，将调整后的输出控制信号发送给舵机。同样实现了抑制舵机抖动的操作，提高了无人机系统的安全性能。

如图4所示，其为本发明实施例提供的一种无人机舵机抖动抑制方法第三实施例的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S301：接收初始控制信号和抖动信号。

步骤S302：迭代运算，根据初始控制信号和历史输出控制信号，结合了抖动信号，计算得当前时刻的输出控制信号；

步骤S303：死区运算，根据预设的死区运算方法和抖动信号，对输出控制信号进行稳定处理。

经过迭代运算处理后，可以有效降低舵机的抖动，但对于抖动值很大的情况下，经过处理后舵机还是会发生小幅度抖动，因此，通过预设的死区运算方法对步骤S302迭代运算得出的输出控制信号进行死区稳定处理，进一步提高了抑制效果。

步骤S304：发送输出控制信号给舵机，输出控制信号为输出至舵机的控制信号，以使得舵机根据输出控制信号控制无人机飞行。

其中，步骤S301、S302与S304与第二实施例中的步骤S201-S203一致，本实施例中不做赘述。

如图4及图5所示，在本实施例中，步骤S303中，死区稳定处理计算公式为：若|Out'[n]-Out[n-1]|<e，则Out[n]＝Out[n-1]；

反之(|Out'[n]-Out[n-1]|≥e)，则Out[n]＝Out'[n]；

其中，

Out[n]为当前时刻的死区稳定处理后的输出控制信号；

Out[n-1]为上一时刻的死区稳定处理后的历史输出控制信号；

e为设置的信号噪声死区值，e≥0，e值与抖动信号相关；

Out'[n]为经过迭代运算步骤(S302)后输出的当前时刻的输出控制信号。

在第一时刻运算时，即，n＝1时，Out[n-1]＝0。

伪代码为：

读取迭代运算处理后的信号(经过迭代运算步骤后输出的当前时刻的输出控制信号)脉宽Out'[n]；

读取上一时刻的死区稳定处理后的历史输出控制信号Out[n-1]；

输入信号噪声死区值e，单位为us；

If|Out'[n]-Out[n-1]|<e，死区稳定处理后的输出控制信号Out[n]＝Out[n-1]；

else，死区稳定处理后的输出控制信号Out[n]＝Out'[n]；

记录信号输出Out[n-1]＝Out[n]；

信号噪声死区值e决定了噪声信号的敏感度。当e为0时，死区不存在，当前时刻的死区稳定处理后的输出控制信号完全由迭代运算步骤后输出的当前时刻的输出控制信号决定，即输出控制信号夹杂着小幅值的噪声输出；反之，当e为无穷大时，当前时刻的死区稳定处理后的输出控制信号完全由上一时刻的死区稳定处理后的历史输出控制信号决定，即输出控制信号保持不变，尽管这样完全排除了小幅噪声的影响，但没有对控制信号的变化作出响应。所以，在实际调试时，需要根据小幅的抖动信号来决定e值的选取。

在本实施例中，其中，抖动信号为信号噪声。

上述信号噪声主要为信号上产生的噪音，即，干扰信号。

在本实施例中，e值与抖动信号相关。在实际调试时，需要根据抖动信号来决定e值的选取。抖动信号大，则e值相应取大，抖动信号小，则e值相应取小。经反复试验表明，经过该死区稳定处理后可以很好地处理抖动信号(尤其是小幅值的噪声)的干扰，抑制舵机抖动。如图7和图8所示，进一步降低了舵机抖动。此死区稳定处理可适用于各种场合，简单方便且效果显著。

本发明实施例提供的无人机舵机抖动抑制方法，根据抖动信号对初始控制信号进行调整，经过迭代处理及死区稳定处理后，将调整后的输出控制信号发送给舵机。有效实现了抑制舵机抖动的操作，提高了无人机系统的安全性能。

上述本发明提供的实施例中详细描述了一种无人机舵机抖动抑制方法，对于本发明的信息处理方法可采用多种形式的装置实现，因此本发明还提供了一种应用该无人机舵机抖动抑制方法的无人机舵机抖动抑制器，下面给出具体的实施例进行详细说明。

其中，经反复调试发现，当K值取为0.5，e值取为5us时最为合适，可以在不影响系统的情况下完全解决舵机的抖动问题。对于其他应用场景，可以先将K值取为0.5，e值取为5us进行尝试，然后根据实际情况反复调试，直至舵机不再抖动并且顺畅工作为止。

优选地，通过示波器或其他PWM波脉宽检测仪器观察脉宽噪声值的大小，以便得到精确的抖动信号，辅助K值与e值的调试。

请参考图9，本发明实施例还提供了一种无人机舵机抖动抑制器，包括：信号输入接口、信号输出结构及微处理器。信号输入接口用于与无人机飞行控制系统1通信连接，信号输出结构用于与舵机3通信连接，微处理器植入如上述任一种无人机舵机抖动抑制方法中根据抖动信号调整初始控制信号，得到输出控制信号的处理程序；微处理器与信号输入接口及信号输出结构连接。

优选地，上述根据抖动信号调整初始控制信号，得到输出控制信号的处理程序，包括上述迭代运算处理及死区稳定处理程序。也可以仅包括上述迭代运算处理程序。

本发明实施例提供的无人机舵机抖动抑制器，将无人机飞行控制系统1输出的信号经过微处理器中的无人机舵机抖动抑制方法处理后输出至舵机3，有效实现了抑制舵机3抖动的操作，提高了无人机系统的安全性能。

其中，微处理器植入如上述任一种无人机舵机抖动抑制方法的具体操作可以为由计算机串口植入，即，将上述无人机舵机抖动抑制方法中迭代运算处理和死区运算处理的相关程序通过计算机串口植入搭建微处理器中，微处理器可以先与一个USB接口转换器相连，然后将该USB接口插入计算机的USB接口，植入上述程序即可。

上述控制信号优选为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制技术)信号波。其中，控制信号为初始控制信号及输出控制信号等。PWM控制技术是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种电子技术。通过示波器观测，控制舵机3的脉宽信号是一种由高低电平组成的矩形方波，频率一般为50Hz-400Hz，频率越高，响应越快，控制起来越流畅。如图10所示，50Hz的PWM波一个脉宽周期为20ms，由高电平的宽度来控制舵机3的位置，当高电平的脉宽时长Tcon为1520us时，数字舵机3位于中立位置，当脉宽时长为Tmin和Tmax时，舵机3则处于两个极限位置。每一个脉宽对应着一个舵机3位置，通过控制PWM信号波的脉宽即可实现对数字舵机3的控制。

优选地，信号输入接口及信号输出接口为PWM信号接口。即，上述控制信号均为PWM控制信号。信号输入接口能够读取PWM波信号脉宽，寄微处理器存有相关数据并能简单处理数据运算，信号输出接口具有产生PWM波的信号发生器，以便于输出PWM控制信号。

当信号受到噪声干扰时，PWM控制信号的脉宽便会发生跳动，比如原本是1520us脉宽的信号波就会在1520us附近持续变化，而不能稳定，最终导致舵机3的位置一直发生变化，即引起舵机3抖动。

上述无人机舵机3抖动抑制器中，可将抑制器接入无人机飞行控制系统1与舵机3之间，开始调试参数。

微处理器通过自主集成或直接使用现有产品均可。实施例选用了一款小型电子元件，上述型号优选为T2的电子元件。如深圳非凡科技电子有限公司生产的16通道T1/T2遥控接收机信号互转器，其工作电压3V-9V，纳秒级精度，16通道，尺寸为24*26mm，重量为4g，可以有效完成上述操作。该元件本来是用于转换PWM信号波频率的小型产品。在本实施例中，该小型电子元件共有10个接口，可用其中四个接口(1-4接口)作为信号输入口与输入信号端相接，另外对应的四个接口(5-8接口)作为信号输出口与舵机3相接。

本发明实施例提供的无人机舵机抖动抑制器中，还包括与微处理器通信连接的用于显示调试参数的显示器。如图11所示，可以显示上述K值与e值，以便于K值与e值的调试。该显示器可以为触控式平板，也可以为单纯的计算机显示器。

进一步地，还包括与微处理器通信连接的用于输入调试参数的输入器。该输入器可以为单纯的数字输入器，也可以为计算机用的键盘。

本发明实施例还提供了一种无人机，包括无人机飞行控制系统1及无人机舵机3，还包括连接于无人机飞行控制系统1及无人机舵机3之间的控制线路上的无人机舵机抖动抑制器2，无人机舵机抖动抑制器2为如上述无人机舵机抖动抑制器。由于上述无人机舵机抖动抑制器具有上述技术效果，具有上述无人机舵机抖动抑制器的无人机也应具有同样的技术效果，在此不再一一累述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。