本发明涉及无人机控制技术领域，特别涉及一种无人机闭环控制系统及控制方法。
背景技术
多旋翼无人机是近年来逐步普及的一种短距离航空器，较多应用在航拍、巡检、快递等无人作业场景之中。这些应用场景中，无人机多在室外空间进行飞行，为使无人机飞行轨迹与预设航道保持一致，通常需要对无人机的空间位置进行定位并进行遥控。室外空间飞行定位技术通常使用的是gps（globalpositioningsystem）/北斗等卫星导航定位方法，配合无人机自带的气压计、摄像头等传感器实现较为精确的定位。在另外一些室内应用场景中，无人机受到卫星基站信号减弱或者定位精度不足等影响，通常采用slam(simultaneouslocalizationandmapping)即时定位与地图构建等技术，也有气压计和超声波等传感器参与辅助定位以提高精度。室内应用场景中无人机飞行的轨迹受到室内障碍物和复杂规划路径的影响，对无人机有更高的定位精度和控制要求。
为实现对无人机飞行轨迹的精准控制，最佳手段就是采用自动控制原理中常见的闭环控制方法，而此类闭环控制方法，要求对无人机位置能够精准定位并作为反馈量与规划路径位置进行比较，因此如何提高无人机的定位精度成为首要前提。
对于室内场景应用或者不适合利用gps等卫星信号定位技术的有限空间应用场景，现有的利用摄像头、激光雷达及多种传感器融合技术的slam等技术成本相对较高，相对无人机的机载负荷过重并功耗较大，因此需要一种低成本、低功耗、低负荷的无人机定位技术及相应的闭环控制方法来解决这一难题。
通常无人机中超声波传感器参与定位的主要方式是类似于雷达的工作原理，即超声波发射与接收装置都安装在机载平台上，通过发射的超声波经环境反射至接收装置来测定传输时间以判断环境反射物与机载平台之间的距离，完成避障或者测定高度距离等功能。此种利用超声波的方式容易受到环境的干扰，超声波多径、绕射会导致距离判断容易出错。
技术实现要素：
本发明解决的问题是现有对于室内场景下无人机的精准定位的技术中，利用摄像头、激光雷达及多种传感器融合技术的slam等技术成本相对较高，相对无人机的机载负荷过重并功耗较大，而利用超声波的方式容易受到环境的干扰，超声波多径、绕射会导致距离判断容易出错。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种无人机闭环控制系统，包括：
无人机；
飞行遥控装置，用于控制所述无人机做飞行运动；
在无人机的机载平台上的不同部位设置有若干个声波发射器，在无人机飞行过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号；
多个声波接收器和计时器，其中所述声波接收器用于在接收到同步命令信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间；
闭环控制系统处理器，用于基于声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离，并根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离实时确定各个声波发射器的位置，以及根据各个声波发射器的位置确定无人机的位置。
可选的，所述飞行遥控装置包括：地面遥控器和设置于无人机上的飞行控制器；其中，所述地面遥控器用于将所述闭环控制系统处理器生成的遥控指令发送至所述飞行控制器；所述飞行控制器用于基于接收到的遥控指令控制无人机做飞行运动。
可选的，在无人机飞行过程中，所述无人机通过所述飞行控制器的无线通信功能发射同步命令信号。
可选的，所述闭环控制系统处理器还用于在无人机飞行过程中，将实时得到的无人机的位置作为控制反馈量与预设轨迹作比对以得到动态误差量，并根据该动态误差量修正所述遥控指令。
可选的，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号是指：所述声波发射器和无人机分别同时发射声波信号和同步命令信号；或者，所述声波发射器发射声波信号的时间与无人机发射同步命令信号的时间具有相对时延。
可选的，所述计时器设置于各个声波接收器中或者设置于闭环控制系统处理器中。
可选的，所述闭环控制系统处理器与各个声波接收器之间通过信息通道进行通信；若所述计时器设置于所述闭环控制系统处理器中，当声波接收器接收到同步命令信号时通过所述信息通道触发闭环控制系统处理器中的计时器开始计时，当声波接收器接收到声波信号后通过所述信息通道触发闭环控制系统处理器关闭所述计时器。
本发明实施例还提供了一种无人机闭环控制方法，包括如下步骤：
在无人机飞行运动过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号；
所述声波接收器在接收到同步命令信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间；
测定声波信号在空间中的传播速度；
闭环控制系统处理器基于声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离；
闭环控制系统处理器根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离实时确定各个声波发射器的位置，以及根据各个声波发射器的位置确定无人机的位置。
可选的，所述飞行遥控装置包括：地面遥控器和设置于无人机上的飞行控制器；该无人机闭环控制方法还包括如下步骤：
所述地面遥控器将所述闭环控制系统处理器生成的遥控指令发送至所述飞行控制器；
所述飞行控制器基于接收到的遥控指令控制无人机做飞行运动。
可选的，所述无人机通过所述飞行控制器的无线通信功能发射同步命令信号。
可选的，该无人机闭环控制方法还包括如下步骤：
在无人机飞行过程中，闭环控制系统处理器将实时得到的无人机的位置作为控制反馈量与预设轨迹作比对以得到动态误差量；
根据该动态误差量修正所述遥控指令。
可选的，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号是指：所述声波发射器和无人机分别同时发射声波信号和同步命令信号；或者，所述声波发射器发射声波信号的时间与无人机发射同步命令信号的时间具有相对时延。
本发明实施例还提供了一种无人机闭环控制系统，包括：
无人机；
在无人机的机载平台上的不同部位设置有多个声波发射器，在无人机飞行过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号；
在无人机的机载平台上的不同部位设置有若干个声波发射器，在无人机飞行过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号；
闭环控制系统处理器，用于利用无人机飞控算法确定所述无人机的各组飞行电机的转速控制量以控制所述无人机的各组飞行电机的转速，从而控制所述无人机的飞行轨迹；
闭环控制系统处理器，还用于基于声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离，并根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离实时确定各个声波发射器的位置，以及根据各个声波发射器的位置以及与无人机的相对位置关系确定无人机在飞行过程中的实时姿态和实时位置。
本发明实施例还提供了一种无人机闭环控制方法，用于上述无人机闭环控制系统，控制方法包括如下步骤：
在无人机飞行运动过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号；
所述声波接收器在接收到同步命令信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间；
测定声波信号在空间中的传播速度；
闭环控制系统处理器基于声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离；
闭环控制系统处理器根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离实时确定各个声波发射器的位置，以及根据各个声波发射器的位置以及与无人机的相对位置关系确定无人机在飞行过程中的实时姿态和实时位置；
闭环控制系统处理器利用无人机飞控算法确定所述无人机的各组飞行电机的转速控制量以控制所述无人机的各组飞行电机的转速，从而控制所述无人机的飞行轨迹。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
根据本发明实施例提供的无人机闭环控制系统，在无人机飞行过程中，发射声波信号时同步发射同步命令信号（即电磁波信号）的前提下，各个声波接收器以接收到同步命令信号的时间作为声波信号发射时间，并在接收到声波信号后确定声波信号从声波发射器到声波接收器的传送时间。进而闭环控制系统处理器结合测定的声波信号在空间中的传播速度，得到各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离，从而确定各个声波发射器的位置并对无人机进行定位。本技术方案算法较为简单，且不受多径或杂波干扰，测距和定位精度也较高。
通过地面遥控器将闭环控制系统处理器生成的遥控指令发送至设置于无人机上的飞行控制器，以控制无人机依照预设轨迹做飞行运动。进一步，在无人机飞行过程中，闭环控制系统处理器将实时得到的无人机的位置作为控制反馈量与预设轨迹作比对以得到动态误差量，并根据该动态误差量修正所述遥控指令，通过反复迭代上述过程进一步缩小动态误差量，逐步令动态误差量趋近于零或者某个最小值以完成对无人机的闭环控制。
进一步，本技术方案还可以根据多个声波发射器的实时位置以及与无人机的相对位置关系确定无人机的实时姿态，并通过闭环控制系统处理器利用无人机飞控算法确定所述无人机的各组飞行电机的转速控制量，从而控制所述无人机的飞行轨迹，因此闭环控制系统处理器可以取代无人机的飞行控制器的功能。
附图说明
图1是本发明实施例中构建的空间三维坐标系o-xyz及无人机闭环控制系统的示意图；
图2是本发明实施例的一种无人机闭环控制方法的流程示意图。
具体实施方式
发明人发现现有对于室内场景下无人机的精准定位的技术中，利用摄像头、激光雷达及多种传感器融合技术的slam等技术成本相对较高，相对无人机的机载负荷过重并功耗较大，而利用超声波的方式容易受到环境的干扰，超声波多径、绕射会导致距离判断容易出错。
针对上述问题，发明人经过研究，提供了一种无人机闭环控制系统及控制方法，本技术方案算法较为简单，且不受多径或杂波干扰，测距和定位精度也较高，且通过闭环控制系统处理器将实时得到的无人机的位置作为控制反馈量与预设轨迹作比对以得到动态误差量，并根据该动态误差量修正所述遥控指令，通过反复迭代上述过程进一步缩小动态误差量，以完成对无人机的闭环控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
如图1所示的是本发明实施例中构建的空间三维坐标系o-xyz及无人机闭环控制系统的示意图。参考图1，在空间三维坐标系o-xyz及无人机闭环控制系统中的图示标号说明如下：
空间的三维坐标系o-xyz，其中o为坐标系原点；
标号4、5、6：声波发射器；
标号7、8、9、10：声波接收器；
标号13：声波信号；
标号14：同步命令信号（即电磁波信号）；
标号15、16、17、18：闭环控制系统处理器与各个声波接收器之间的信息通道；
标号19：闭环控制系统理器；
标号20：无人机。
本实施例中，所述无人机闭环控制系统包括无人机20、飞行遥控装置（图1中未示出），用于控制所述无人机依照预设轨迹做飞行运动。其中，所述飞行遥控装置包括地面遥控器和设置于无人机上的飞行控制器，地面遥控器与飞行控制器之间可以通过无线通信的方式进行通信，飞行控制器受地面遥控器发出的遥控指令（例如，前、后、左、右、上、下等）做飞行运动或根据地面遥控器发出的飞行规划路径导航飞行。
在无人机做飞行运动过程中，通过无人机闭环系统可以对无人机进行实时定位。具体来说，在所述无人机20的机载平台上的不同部位设置有若干个声波发射器4、5和6，在所述无人机飞行过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号，所述无人机可以通过飞行控制器的无线通信功能发射同步命令信号，其中同步命令信号是电磁波信号。
所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号包括如下两种情形：1）所述声波发射器和无人机分别同时发射声波信号和同步命令信号，即两者发射信号的时刻没有时间差；2）所述声波发射器发射声波信号的时间与无人机发射同步命令信号的时间具有相对时延，即两者发射信号的时刻之间有一个时延，只要各个声波接收器获得这个时延，则不影响后续计算声波信号的传送时间。
在无人机飞行的空间内，设置有多个声波接收器7、8、9、10和计时器（图1中未示出），其中所述声波接收器用于在接收到同步命令信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间。所述计时器可以设置于各个声波接收器中或者设置于闭环控制系统处理器中。
需要说明的是，本实施例所述的无人机闭环控制系统主要应用于室内场景下，一般室内场景的空间有限，本发明利用电磁波的传播速度在较近（<100米）的空间距离内远远大于声波的传递速度的特征，在空间内设置多个声波接收器，在同步发射电磁波信号和声波信号的前提下，各个声波接收器以接收到电磁波信号的时间作为声波信号发射时间，并在接收到声波信号后确定声波信号从声波发射器到声波接收器的传送时间。
闭环控制系统处理器19用于基于声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离，并根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离实时确定各个声波发射器的位置，以及根据各个声波发射器的位置确定无人机的位置。
具体来说，首先，由于声速在不同介质、不同温度等条件下有所不同，为达到更高精度，需要测定该空间的介质、温度等特性参数，以此来确定声波信号在该空间中的传播速度的具体数值。本实施例并不限定具体的测定声波信号传播速度的方式，本领域技术人员可以利用现有技术来测定空间的介质、温度等参数，进而确定声波信号的传播速度。
然后，利用公式：直线距离d=传送时间t传播速度v，可以换算出的距离d是声波信号从声波发射器4、5、6到声波接收器（例如图1中的7、8、9、10中任一个声波接收器）的直线距离。
本领域技术人员理解，声波信号在空间介质中传播所发生的散射、反射等多径传播距离皆长于直线距离，即其计时皆大于传送时间t，因此采用本方法得到的时间t是声波信号最优直线距离的传递时间，具有良好的抗干扰能力。而如果声波发射器到声波接收器的传递路径中有障碍物阻挡使声波信号发生绕射，会导致传送时间大于最优直线距离的传递时间。在理论上，选择合适的声波波长大于障碍物阻挡截面的对角线尺寸即可克服该问题。
进一步，在如图1所示空间的三维坐标系中，预先测定各个声波接收器（即标号7、8、9、10）在坐标系中的位置坐标p7（x7、y7、z7）~p10（x10、y10、z10），然后根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离，通过空间几何算法可以确定在该空间坐标系中各个声波发射器的位置坐标。
需要说明的是，本实施例并不限定具体采用何种空间几何算法，而声波接收器具体个数和放置位置需基于采用的空间几何算法而决定，图1所示的各个声波接收器的位置和个数仅为示意图，并非对本发明的限定。
接着，根据声波发射器的位置坐标可以确定无人机的位置。
具体来说，根据声源发射器与无人机的机体之间相对固定的距离信息可以测算出无人机的位置。例如，假设无人机的直径为5厘米，其空间位置坐标通常以无人机的飞行控制器或者无人机机体的几何中心点所在的位置坐标为标准确定，而声源发射器具体的设置位置可能不在无人机的几何中心点，一般有一个相对固定的偏离位置（比如偏离3厘米）。因此，根据测定的声源发射器的空间位置坐标，再补偿3厘米后可以修正为无人机的空间位置坐标。进一步，根据无人机的机载平台上不同部位设置的声波发射器的位置，可以确定无人机在飞行过程中的姿态。
在本实施例中，所述闭环控制系统处理器19与各个声波接收器之间通过信息通道（例如图1中的15、16、17和18）进行通信。若计时器设置于所述闭环控制系统处理器19中，当声波接收器接收到同步命令信号时通过所述信息通道触发闭环控制系统处理器中的计时器开始计时，当声波接收器接收到声波信号后通过所述信息通道触发闭环控制系统处理器关闭所述计时器。
在本实施例中，所述闭环控制系统处理器19还用于在无人机飞行过程中，将实时得到的无人机的位置作为控制反馈量与预设轨迹作比对以得到动态误差量，并根据该动态误差量修正所述遥控指令。
具体来说，依照上述实施例闭环控制系统处理器可以确定无人机在飞行过程中的实时位置，利用该实时位置作为控制反馈量与预设轨迹进行比对可以得到动态误差量。其中，预设轨迹可以是存储于闭环控制系统处理中的一条曲线轨迹，该曲线轨迹上包括多个目标位置，预设了无人机在各个时刻需要飞行到的目标位置。闭环控制系统处理器通过比对当前无人机的实时位置与该时刻预设轨迹上的目标位置以得到它们之间的动态误差量，进而可以根据该动态误差量并利用控制算法（例如，pid（proportion、integral、derivative）控制算法）以修正遥控指令。通过反复迭代上述过程进一步缩小动态误差量，逐步令动态误差量趋近于零或者某个最小值以完成对无人机的闭环控制。
实施例二
发明人进一步研究，无人机的飞行控制器主要包括：加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器和实时处理器，其功能是测量无人机的飞行姿态并进行控制，因此，发明人考虑是否可以通过其他方式代替飞行控制器的功能。
具体地，通过在无人机20的机载平台上的不同部位上布置多个声波发射器，多个声波发射器可采用分时复用或者分频复用的方式发射声波信号，同样利用上述实施例一的定位过程定位到各个声波发射器各自的坐标位置，再根据多个声波发射器与无人机机体相对的位置关系推算出无人机在飞行过程中的实时姿态和实时位置（即无人机的中心位置坐标），进而利用闭环控制系统处理器通过无人机飞控算法换算出无人机的各组飞行电机的转速控制量以控制所述无人机的各组飞行电机的转速，进而完成对无人机的姿态和飞行轨迹控制。也就是说，在这种情形下，一方面根据多个声波发射器的实时位置以及与无人机的相对位置关系可以确定无人机的实时姿态，另一方面通过闭环控制系统处理器利用无人机飞控算法确定所述无人机的各组飞行电机的转速控制量，从而控制所述无人机的飞行轨迹，因此闭环控制系统处理器可以取代无人机的飞行控制器的功能。
再例如，还可以将无人机自身电机和螺旋桨叶转动时所发出的声波全部或部分替代声波发射器所发出的声波信号来进行定位。具体来说，这种情形下，全部或者部分声波发射器的位置由无人机自身的电机和螺旋桨叶来替代，相应的可以采用上述实施例的定位声波发射器的方法来定位无人机自身的电机和螺旋桨叶，再根据电机和螺旋桨叶与无人机机体的相对位置关系确定无人机的位置，在此不再赘述。
基于上述实施例一所述的无人机闭环控制系统，本发明实施例还提供了一种无人机闭环控制方法，该控制方法应用于上述闭环控制系统。如图2所示的是本发明实施例的一种无人机闭环控制方法的流程示意图。
参考图2，该无人机闭环控制方法包括如下步骤：
步骤s1：在无人机飞行运动过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号；
步骤s2：所述声波接收器在接收到同步命令信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间；
步骤s3：测定声波信号在空间中的传播速度；
步骤s4：闭环控制系统处理器基于声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离；
步骤s5：闭环控制系统处理器根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离实时确定各个声波发射器的位置，以及根据各个声波发射器的位置确定无人机的位置。
其中，所述飞行遥控装置包括：地面遥控器和设置于无人机上的飞行控制器；该无人机闭环控制方法还包括如下步骤：
所述地面遥控器将所述闭环控制系统处理器生成的遥控指令发送至所述飞行控制器；其中，所述无人机通过所述飞行控制器的无线通信功能发射同步命令信号；所述飞行控制器基于接收到的遥控指令控制无人机做飞行运动。
该无人机闭环控制方法还包括如下步骤：
在无人机飞行过程中，闭环控制系统处理器将实时得到的无人机的位置作为控制反馈量与预设轨迹作比对以得到动态误差量；
根据该动态误差量修正所述遥控指令。
所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号是指：所述声波发射器和无人机分别同时发射声波信号和同步命令信号；或者，所述声波发射器发射声波信号的时间与无人机发射同步命令信号的时间具有相对时延。
本实施例中各个方法步骤的具体实施过程可以结合上文图1所示的闭环控制系统的具体实施例，在此不再赘述。
基于上述实施例二对应的无人机闭环控制方法包括如下步骤：
在无人机飞行运动过程中，所述声波发射器和无人机分别实时同步发射声波信号和同步命令信号；
所述声波接收器在接收到同步命令信号时启动计时器，并在接收到声波信号时关闭计时器，以确定声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间；
测定声波信号在空间中的传播速度；
闭环控制系统处理器基于声波信号从各个声波发射器到各个声波接收器的传送时间和测定的声波信号在空间中的传播速度，确定各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离；
闭环控制系统处理器根据各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离实时确定各个声波发射器的位置，以及根据各个声波发射器的位置以及与无人机的相对位置关系确定无人机在飞行过程中的实时姿态和实时位置；
闭环控制系统处理器利用无人机飞控算法确定所述无人机的各组飞行电机的转速控制量以控制所述无人机的各组飞行电机的转速，从而控制所述无人机的飞行轨迹。
本实施例中各个方法步骤的具体实施过程可以结合上文实施例二所述的闭环控制系统的具体实施例，在此不再赘述。
综上所述，根据本发明实施例提供的无人机闭环控制系统，在无人机飞行过程中，发射声波信号时同步发射同步命令信号（即电磁波信号）的前提下，各个声波接收器以接收到同步命令信号的时间作为声波信号发射时间，并在接收到声波信号后确定声波信号从声波发射器到声波接收器的传送时间。进而闭环控制系统处理器结合测定的声波信号在空间中的传播速度，得到各个声波发射器与各个声波接收器之间的直线距离，从而确定各个声波发射器的位置并对无人机进行定位。本技术方案算法较为简单，且不受多径或杂波干扰，测距和定位精度也较高。
通过地面遥控器将闭环控制系统处理器生成的遥控指令发送至设置于无人机上的飞行控制器，以控制无人机依照预设轨迹做飞行运动。进一步，在无人机飞行过程中，闭环控制系统处理器将实时得到的无人机的位置作为控制反馈量与预设轨迹作比对以得到动态误差量，并根据该动态误差量修正所述遥控指令，通过反复迭代上述过程进一步缩小动态误差量，逐步令动态误差量趋近于零或者某个最小值以完成对无人机的闭环控制。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。