无人机控制方法和系统以及用于遥控无人机的遥控器与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及无人机控制方法和系统以及用于遥控无人机的遥控器。


背景技术：

2.随着无人机技术的发展，无人机的使用范围也更加广泛。无人机编程也逐渐成为青少年编程的重要一环。当前无人机编程的方式有编程语言式编程和图形化式编程这两种方式。编程语言式编程需要有扎实的数学知识、对各种工程控制理论有深刻的理解和很强的三维空间的运动思维，而且实现无人机的动作和航线需要的时间很长。图形化式编程是一种简单的拖拽式编程方式，但只能控制无人机做一些简单的动作和航线，而对于复杂的场景控制，图形化编程很难实现或需要很长的时间才能实现。


技术实现要素：

3.根据本技术的一方面，提供了一种无人机控制方法，包括：使用遥控器控制示教无人机飞行，并将示教无人机在飞行过程中有关航行的数据实时地进行采集并反馈到无人机控制装置；无人机控制装置对接收的数据进行处理并保存；以及无人机控制装置根据所保存的数据向至少一个无人机发送控制指令以控制至少一个无人机的飞行。
4.根据本技术的另一方面，提供一种无人机控制系统，包括：遥控器；和无人机控制装置，其中，遥控器被配置为控制示教无人机飞行，并将示教无人机在飞行过程中有关航行的数据实时地进行采集并反馈到无人机控制装置；并且无人机控制装置被配置为对接收的数据进行处理并保存，并且根据所保存的数据向至少一个无人机发送控制指令以控制所述至少一个无人机的飞行。
5.根据本技术的又一方面，提供一种用于遥控无人机的遥控器，包括：遥杆；和处理器，其中处理器被配置为将遥控器的摇杆变化量转化成对于无人机输出的目标空间向量，以便无人机根据目标空间向量来进行位置控制。
6.根据本技术实施例的无人机控制方法和系统以及用于遥控无人机的遥控器，通过遥控器控制示教无人机飞行，使采集的有关航行的数据反馈到无人机控制装置，无人机控制装置对数据进行处理并保存，然后可以根据这些数据对至少一个无人机进行编程控制，实现重复回放无人机的飞行航线。通过无人机控制装置对数据进行处理和优化，使得控制无人机的位移增量摆脱从遥控器向无人机控制装置之间的无线传输信号干扰而造成的无人机偏离航线的影响，因此可以应用到更加复杂的场景控制中。此外，根据本技术实施例的无人机控制方法和系统和遥控器，对无人机的编程方式简单，可以快速实现无人机编程控制。
附图说明
7.通过参考附图会更加清楚地理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理
解为对本发明进行任何限制，在附图中：
8.图1示出根据本技术实施例的一种无人机控制方法的流程图；
9.图2示出无人机的示教飞行与复现飞行的部分高度路径的对比示意图；
10.图3示出了根据本技术实施例的无人机控制装置向多个无人机发送控制指令的处理的流程图；
11.图4示出多个无人机在接收到无人控制装置发送的控制指令后的处理的流程图；
12.图5示出根据本技术实施例的一种无人机控制系统的框图；以及
13.图6示出根据本技术实施例可以实现无人机控制装置的计算装置的框图。
具体实施方式
14.根据本技术实施例，提供了一种示教式无人机控制方法和系统以及用于遥控无人机的遥控器，其对无人机的编程控制简单，易于实施，而且也可以应用于复杂的控制场景中。下面将参考附图来详细描述根据本技术实施例的无人机控制方法和系统以及用于遥控无人机的遥控器。
15.下面将详细描述本技术各个方面的特征和示例性实施例。下面的描述涵盖了许多具体细节，以便提供对本技术的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本技术可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本技术的示例来提供对本技术的技术方案的更清楚的理解。本技术绝不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本技术的精神的前提下覆盖了相关特征、结构、操作等的任何修改、替换和改进。
16.图1示出根据本技术实施例的一种无人机控制方法的流程图。如图1所示，根据本技术实施例的一种无人机控制方法100包括步骤s101-s103。
17.在步骤s101处，使用遥控器控制示教无人机飞行，并将示教无人机在飞行过程中有关航行的数据实时地进行采集并反馈到无人机控制装置。
18.在一些实施例中，使用遥控器控制示教无人机飞行包括：将遥控器的遥杆的变化量转换为对于无人机输出的目标空间向量；以及无人机接收目标空间向量以进行位置控制。
19.传统无人机遥控控制方式是将遥控器的摇杆变化量变成控制无人机的速度增量。根据本技术实施的无人机控制方法，将遥控器的摇杆变化量转化成无人机在三维空间(x、y、z)的目标空间向量(包括x、y方向上的位置和y方向上的高度)。也就是说，遥控器的控制对无人机输出的是目标空间向量。
20.具体地，示教无人机的目标空间向量被确定为示教无人机的当前位置加上通过遥杆的测量值转化而得到的增量位移，其中，该增量位移根据遥杆的测量值、遥杆的遥杆值规范化到飞行速率的系数以及松放摇杆时示教无人机刹车的补偿值而确定。
21.更具体地，摇杆变化量根据如下公式(1)被转换为无人机的目标空间向量：
[0022][0023]
其中，p
x
、py、pz为无人机在x、y方向中的目标位置和在z方向的目标高度，p
x0
、p
y0
、p
z0
为无人机在x、y方向中的当前位置和在z方向的当前高度，r
x
、ry、rz为摇杆在x、y、z方向中的测量值，λ为将遥杆的摇杆值规范化到飞行速率的系数，dt为摇杆有输出的时间，并且p
x
′
、py′
为松摇杆时无人机刹车的渐变补偿值。
[0024]
根据上述公式(1)，通过对遥杆测量值进行规范化处理和积分，转化为对于无人机当前位置的位移增量，来确定无人机的目标空间向量。通过对无人机刹车的进行刹车补偿，使无人机刹车时轨迹更平滑，位置更精准。
[0025]
在一些实施例中，松放摇杆时示教无人机刹车的补偿值通过以下方式来确定：通过在松放遥杆时遥杆的测量值小于用于区分遥杆是否摇动的阈值的情况下，对示教无人机飞行过程时间积分得到的刹车距离进行刹车时间内微分并渐变累加。
[0026]
具体地，松放摇杆时示教无人机刹车的补偿值可通过以下公式(2)确定：
[0027][0028]
其中，a为区分摇杆是否摇动的阈值，b为限制刹车距离，c为限制刹车时间，t为刹车时间，|∫(kr
x
)dt|为在x方向的刹车距离，|∫(kry)dt|为在y方向的刹车距离。
[0029]
从以上公式(2)可以看出，p
x
′
、py′
仅在松摇杆|r
x
|＜a和|ry|＜a时，对飞行过程时间dt积分得到的刹车距离进行刹车时间t内微分，并渐变累加，使刹车平滑过渡，减少无人机由于飞行速度过快导致过冲现象，也保证目标空间向量的实现。
[0030]
在一些实施例中，示教无人机根据目标空间向量来进行位置控制包括：将目标空间向量与示教无人机的实际空间向量作差并利用串级函数进行控制运算，以得到示教无人机的目标姿态和目标垂直速率。
[0031]
具体地，无人机按照以下公式(3)来进行位置控制：
[0032][0033]
其中，t
x_angle
、t
y_angle
、t
z_height
分别为无人机目标姿态和目标垂直速率输出，p
x
、py、pz分别为无人机在x、y方向中的目标位置和在y方向中的目标高度，p
x_real
、p
y_real
、p
z_real
分别为无人机在x、y方向中的实际位置和高度，pid u
pid
()为串级运算函数。
[0034]
通过上述方法，可以使得无人机在悬停切换到飞行移动状态或者在飞行状态切换
到悬停状态时提高切换动作的平滑性。在移动情况下，可准确实现飞行移动过程中的各种动作和速度，对后续自主航线规划及动作控制提供较高精度的位移及过程的流畅性。
[0035]
在步骤s102处，无人机控制装置对接收的数据进行处理并保存。
[0036]
在一些实施例中，遥控器和无人控制装置之间采用无线传输来传输数据。基于无线传输的特性，无人控制装置的接收率(收包率)会随环境的信号干扰和传输的距离呈现非线性变化，即信号干扰越低和传输距离越近，接收率(收包率)越高，信号干扰越高和传输距离越远，接收率(收包率)越低。无人控制装置接收的数据会受此特性的影响，直观体现为接收率(收包率)越低，复现的航线完整性就越差，即无法完成控制无人机按照既定的线路路径和动作进行飞行。
[0037]
结合此特性，在一些实施例中，无人机控制装置对接收的数据进行处理包括：从所接收到的数据剔除不完整数据和变化超过预期的数据并进行数据补偿；或者通过所接收到的数据中的心跳包判断是否有丢失的数据，并且在有丢失的数据的情况下进行补偿。
[0038]
在一些实施例中，无人机控制装置仅对所接收的数据中的无人机的空间位置和控制动作进行保存。数据的完整性可以通过空间位置的变化来确定。
[0039]
通过上述方法进行补偿后，无人控制装置在接收率(收包率)只有82％左右的情况下，实际飞行的航线和示教复现的飞行航线位移基本一致。图2示出无人机的示教(实际)飞行与复现飞行的部分高度路径的对比示意图。在图2中，横坐标表示时间t，纵坐标表示飞行高度h，实际飞行与复现飞行曲线如图中箭头所示。从图2中可以清楚地得知，时间偏差在约3％之内，也就是说，根据本技术实施例的方法能够获得对无人机飞行的良好复现性。
[0040]
在本技术的实施例中，有关航行的数据可以包括示教无人机的空间向量和姿态动作。无人机控制装置可以对所保存的数据中的空间向量进行调整，以便调整飞行航线。
[0041]
经上述方式可以将无人机的飞行航线进行保存，并且可以较高的精度还原真实的轨迹位移和动作情况，同时可以重复实现已设定的飞行航线轨迹，也可以简单的对航线轨迹进行修改。
[0042]
在步骤s103处，无人机控制装置根据所保存的数据向至少一个无人机发送控制指令以控制至少一个无人机的飞行。
[0043]
根据本技术实施例的方法，能够实现无人机多机编队和航线轨迹的发送。因此，在一些实施例中，所述至少一个无人机包括多个无人机。在此情况中，无人机控制装置根据所保存的数据向所述至少一个无人机发送控制指令以控制所述至少一个无人机的飞行可以如3所示。图3示出了根据本技术实施例的无人机控制装置向多个无人机发送控制指令的处理的流程图。如图3所示，无人机控制装置根据所保存的数据向多个无人机发送控制指令的处理s103可以包括：s1031，无人机控制装置为多个无人机分别设置对应的标识符；以及s1032，无人机控制装置向多个无人机发送控制指令和对应的标识符以控制多个无人机的飞行。
[0044]
在一些实施例中，无人机控制装置向多个无人机发送相同或不同的控制指令。在一些实施例中，无人机控制装置向多个无人机发送相同的控制指令时，采取分时发送，以防止出现通信堵塞的情况。
[0045]
图4示出多个无人机在接收到无人控制装置发送的控制指令后的处理的流程图。如图4所示，多个无人机在接收到无人控制装置发送的控制指令后的处理400包括：s401，判
断所接收到的标识符是否是该无人机的标识符；s402，在所接收到的标识符是该无人机的标识符的情况下，根据所接收的控制指令调整该无人机的飞行；并且s403，在所接收到的标识符不是该无人机的标识符的情况下，维持该无人机的当前的飞行。
[0046]
通过根据本技术实施例的上述方法，使用遥控器控制无人机飞行航线轨迹，再由无人机控制系统将轨迹数据进行保存，然后系统将自动控制无人机再现航线轨迹。这种方式实现无人机航线的编程，可以大大减低对使用者的技术水平要求和开发周期，实现许多复杂的航线规划再现，并且可以通过修改航线数据的方式简单的对航线轨迹进行修改。此外，通过根据本技术实施例的上述方法，还能够在保证无人机航线完整性和实时性前提下增加了多机编队的功能，可以实现多台无人机飞行不同的航线或者飞行相同的航线。
[0047]
以上描述了根据本技术实施例的无人机控制方法，下面将参考附图来描述根据本技术实施例的无人机控制系统。图5示出根据本技术实施例的一种无人机控制系统的框图。如图5所示，根据本技术实施例的无人机控制系统500包括：遥控器501；和无人机控制装置502。遥控器501被配置为控制示教无人机飞行，并将示教无人机在飞行过程中有关航行的数据实时地进行采集并反馈到无人机控制装置；并且无人机控制装置被配置为对接收的数据进行处理并保存，并且根据所保存的数据向至少一个无人机发送控制指令以控制至少一个无人机的飞行。
[0048]
具体地，遥控器501被配置为将该遥控器的摇杆变化量转化成对于示教无人机输出的目标空间向量，以便示教无人机根据目标空间向量来进行位置控制。在一些实施例中，遥控器501被配置为将示教无人机的目标空间向量确定为示教无人机的当前位置加上通过遥杆的测量值转化而得到的增量位移，其中，该增量位移根据遥杆的测量值、遥杆的遥杆值规范化到飞行速率的系数以及松放摇杆时示教无人机刹车的补偿值而确定。
[0049]
在一些实施例中，遥控器501被配置为通过以下方式来确定松放摇杆时所述示教无人机刹车的补偿值：通过在松放遥杆时遥杆的测量值小于用于区分遥杆是否摇动的阈值的情况下，对示教无人机飞行过程时间积分得到的刹车距离进行刹车时间内微分并渐变累加。
[0050]
图6示出根据本技术实施例可以实现遥控器和无人机控制装置的计算装置的框图。如图所示，计算装置600可包括一个或多个处理器或处理器核心601和存储器602。对于本技术(包括权利要求书)而言，术语“处理器”和“处理器核心”可被视为同义词，除非上下文明确地另有要求。处理器601可包括任何类型的处理器，例如中央处理单元、微处理器，等等。处理器601可被实现为具有多核心的集成电路，例如，多核心微处理器。在实施例中，存储器602可以是系统存储器。在一些实施例中，存储器602可与处理器601集成。计算装置600可包括大容量存储装置603(例如，磁盘、硬盘驱动器、易失性存储器(例如，动态随机访问存储器(dynamic random-access memory，dram)、致密盘只读存储器(compact disc read-only memory，cd-rom)、数字多功能盘(digital versatile disk，dvd)，等等)。一般而言，存储器602和/或大容量存储装置603可以是任何类型的临时性和/或持久性存储，包括但不限于易失性和非易失性存储器、光学、磁性和/或固态大容量存储，等等。易失性存储器可包括但不限于静态和/或动态随机访问存储器。非易失性存储器可包括但不限于电可擦除可编程只读存储器、相变存储器、电阻式存储器，等等。
[0051]
计算装置600还可包括输入/输出(i/o)装置604(例如，显示器(例如，触摸屏显示
器)、键盘、光标控制、遥控器、游戏控制器、图像捕捉装置，等等)和通信接口605(例如网络接口卡、调制解调器、红外接收器、无线电接收器(例如，蓝牙)，等等)。通信接口605可以以有线或无线地方式与其他设备进行通信以交换数据。例如，通过该通信接口605，遥控器501可以把数据发送给无人机和/或无人机控制装置502，或者无人机控制可以将控制指令发送给至少一个无人机。
[0052]
上述计算装置600的元素可经由系统总线606相互耦合，系统总线606表示一个或多个总线。在多个总线的情况下，它们可由一个或多个总线桥(未示出)来桥接。这些元素的每一者可执行本领域中已知的其传统功能。具体地，可以采用存储器602和大容量存储装置603来存储用于遥控装置和无人机控制装置的操作的编程指令的工作拷贝和永久拷贝。各种元素可由(一个或多个)处理器601所支持的汇编指令或者可被编译成这种指令的高级别语言来实现。编程指令的永久拷贝可在工厂被放入大容量存储装置603中，或者在现场通过例如分发介质(未示出)(比如致密盘(cd))，或者通过通信接口605(从分发服务器(未示出))来分发。因此，在一些实施例中，本技术提供一种计算机可读存储介质，存储有指令，所述指令在被处理器执行时使得处理器执行上述遥控对示教无人机的控制，或者使得处理器执行无人机控制装置对至少一个无人机的控制。
[0053]
应理解，图中示出了遥控器和无人机控制装置的通用部分，作为遥控器的实现方式，其还包括摇杆607(在图6中以虚线示出)以用于做出飞行指示。在一些实施例中，一种用于遥控无人机的遥控器，包括：遥杆607；和处理器601，其中处理器601被配置为将遥控器的摇杆607变化量转化成对于无人机输出的目标空间向量，以便无人机根据目标空间向量来进行位置控制。在一些实施例中，处理器601被配置为将无人机的目标空间向量确定为无人机的当前位置加上通过遥杆607的测量值转化而得到的增量位移，其中，该增量位移根据607遥杆的测量值、遥杆的遥杆值规范化到飞行速率的系数以及松放摇杆607时所述无人机刹车的补偿值而确定。在一些实施例中，处理器601被配置为通过以下方式来确定松放摇杆607时无人机刹车的补偿值：通过在松放遥杆607时遥杆607的测量值小于用于区分遥杆607是否摇动的阈值的情况下，对无人机飞行过程时间积分得到的刹车距离进行刹车时间内微分并渐变累加。
[0054]
在图6中，各元件的数目、能力和/或容量可以有变化，这取决于计算装置600是被用作固定的计算装置，还是被用作移动计算装置。在各种实现方式中，计算装置600可包括膝上型电脑、上网本、笔记本、超极本、智能电话、平板设备、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、超移动pc、移动电话或者数码相机的一个或多个组件。在另外的实现方式中，计算装置600可以是任何其他处理数据的电子装置。
[0055]
以上对本发明的实施例的详细描述涵盖了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。上面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更清楚的理解。本发明绝不限于下面所提出的任何具体配置和方法步骤，而是在不脱离本发明的教导的前提下覆盖了相关元素、部件和方法步骤的任何修改、替换和改进。
[0056]
应当注意，在权利要求中，单词“包含”或“包括”并不排除存在未列在权利要求中的元件或组件。位于元件或组件之前的冠词“一”或“一个”也并不排除存在多个这样的元件
或组件的情况。
[0057]
此外，还应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。关于本发明的范围，说明书中所做的描述都是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。