多旋翼无人机的控制方法、装置、存储介质和无人机转让专利
申请号 : CN202110505157.X
文献号 : CN112925338B
文献日 : 2021-08-06
发明人 : 毛一年 , 夏华夏 , 郝文凯 , 刘宝旭 , 陈刚
申请人 : 北京三快在线科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种多旋翼无人机的控制方法,其特征在于,所述方法包括:在多旋翼无人机执行飞行任务的情况下,获取所述多旋翼无人机的电池的供电电压和所述多旋翼无人机的每个旋翼的转速控制信号;
获取每个所述旋翼的实际转速;
将每个所述旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,得到该旋翼的处理后的转速控制信号;
根据所述供电电压,所述处理后的转速控制信号以及所述实际转速,确定所述多旋翼无人机是否存在故障;
在所述多旋翼无人机存在故障的情况下,控制所述多旋翼无人机进行降落;
所述根据所述供电电压,所述处理后的转速控制信号以及所述实际转速,确定所述多旋翼无人机是否存在故障,包括:根据所述供电电压和所述处理后的转速控制信号,利用预设转速对应关系,确定每个所述旋翼的期望转速,所述预设转速对应关系为所述供电电压、所述转速控制信号与所述旋翼的期望 转速之间的对应关系;
根据所述期望转速和所述实际转速,确定所述多旋翼无人机是否存在故障;
所述将每个所述旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,得到该旋翼的处理后的转速控制信号,包括:将每个所述旋翼的转速控制信号,输入到低通滤波器进行低通滤波处理,以使该旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上对齐,得到该旋翼的处理后的转速控制信号;
所述低通滤波器为一阶低通滤波器,所述一阶低通滤波器的传递函数表示为:FLps(s)=
1/(T•s + 1),T为时间常数,s为拉普拉斯算子;
所述预设转速对应关系表示为:* inv
wrotor = f(k Laplace {(uctrl/s)•FLps(s)},U),* inv
其中,w rotor为所述期望转速,U为所述供电电压,uctrl为所述转速控制信号,Laplace(.)表示拉普拉斯逆变换,fk表示函数关系。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述期望转速和所述实际转速,确定所述多旋翼无人机是否存在故障,包括:针对每个所述旋翼,将该旋翼的期望转速和该旋翼的实际转速的差值,作为该旋翼对应的转速偏差;
在任一旋翼对应的转速偏差大于或等于预设转速偏差的情况下,确定所述多旋翼无人机存在故障。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述获取所述多旋翼无人机的电池的供电电压和所述多旋翼无人机的每个旋翼的转速控制信号之前,所述方法还包括:获取所述多旋翼无人机的飞行状态信息,所述飞行状态信息包括所述多旋翼无人机的位置和所述多旋翼无人机的姿态;
所述获取所述多旋翼无人机的电池的供电电压和所述多旋翼无人机的每个旋翼的转速控制信号,包括:
根据所述飞行状态信息,确定每个所述旋翼的转速控制信号。
4.一种多旋翼无人机的控制装置,其特征在于,所述装置包括:获取模块,被配置成用于在多旋翼无人机执行飞行任务的情况下,获取所述多旋翼无人机的电池的供电电压和所述多旋翼无人机的每个旋翼的转速控制信号;
所述获取模块,还被配置成用于获取每个所述旋翼的实际转速;
确定模块,被配置成用于将每个所述旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,得到该旋翼的处理后的转速控制信号;
所述确定模块,还被配置成用于根据所述供电电压,所述处理后的转速控制信号以及所述实际转速,确定所述多旋翼无人机是否存在故障;
控制模块,被配置成用于在所述多旋翼无人机存在故障的情况下,控制所述多旋翼无人机进行降落;
所述确定模块包括:
转速确定子模块,被配置成用于根据所述供电电压和所述处理后的转速控制信号,利用预设转速对应关系,确定每个所述旋翼的期望转速,所述预设转速对应关系为所述供电电压、所述转速控制信号与所述旋翼的期望 转速之间的对应关系;
故障确定子模块,被配置成用于根据所述期望转速和所述实际转速,确定所述多旋翼无人机是否存在故障;
所述确定模块被配置成用于:
将每个所述旋翼的转速控制信号,输入到低通滤波器进行低通滤波处理,以使该旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上对齐,得到该旋翼的处理后的转速控制信号;所述低通滤波器为一阶低通滤波器,所述一阶低通滤波器的传递函数表示为:FLps(s)=
1/(T•s + 1),T为时间常数,s为拉普拉斯算子;
所述预设转速对应关系表示为:* inv
wrotor = f(k Laplace {(uctrl/s)•FLps(s)},U),* inv
其中,w rotor为所述期望转速,U为所述供电电压,uctrl为所述转速控制信号,Laplace(.)表示拉普拉斯逆变换,fk表示函数关系。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述故障确定子模块被配置成用于:针对每个所述旋翼,将该旋翼的期望转速和该旋翼的实际转速的差值,作为该旋翼对应的转速偏差;
在任一旋翼对应的转速偏差大于或等于预设转速偏差的情况下,确定所述多旋翼无人机存在故障。
6.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现权利要求1‑3中任一项所述方法的步骤。
7.一种多旋翼无人机,其特征在于,包括:存储器,其上存储有计算机程序;
处理器,用于执行所述存储器中的所述计算机程序,以实现权利要求1‑3中任一项所述方法的步骤。
说明书 :
多旋翼无人机的控制方法、装置、存储介质和无人机
技术领域
背景技术
统的进行故障检测,以确保无人机的安全性。当前,针对无人机的动力系统的故障检测主要
包括基于动力学模型的检测方法和基于信息反馈的检测方法两种。
在实际应用中无法对无人机的所有运动模态进行精准建模,且基于动力学模型的检测方法
需要消耗巨大的算力。而基于信息反馈的检测方法是将动力系统的电调的温度、电压和电
机转速等信息反馈给无人机的控制器进行故障检测。然而,基于信息反馈的检测方法只能
针对过温、过流等故障,无法实现对动力系统性能下降等故障进行检测,这也会影响无人机
的安全性。
发明内容
所述旋翼的转速之间的对应关系;
信号。
供电电压、所述转速控制信号与所述旋翼的转速之间的对应关系;
信号。
飞行状态信息,所述飞行状态信息包括所述多旋翼无人机的位置和所述多旋翼无人机的姿
态;
每个旋翼的实际转速,再将每个旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对
齐处理,得到该旋翼的处理后的转速控制信号,并根据供电电压,处理后的转速控制信号以
及实际转速,确定多旋翼无人机是否存在故障,最后在多旋翼无人机存在故障的情况下,控
制多旋翼无人机进行降落。本公开只需要通过供电电压,转速控制信号以及实际转速,就能
快速、准确地检测多旋翼无人机是否存在故障,能够检测出由于动力系统性能下降导致的
故障,检测过程简单,所需消耗的算力较小,同时可以在多旋翼无人机故障时及时控制多旋
翼无人机降落,从而确保多旋翼无人机的安全性和可靠性。
附图说明
具体实施方式
中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附
权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
故障检测的场景。例如,该应用场景可以是通过多旋翼无人机进行外卖配送、军事侦查、火
灾探测、环境监测和交通监测时,对多旋翼无人机进行故障检测的场景。其中,该多旋翼无
人机可以包括控制器和至少一个动力系统,控制器用于输出转速控制信号,来对动力系统
进行控制,以使多旋翼无人机完成相应的飞行任务。动力系统可以包括电池、电子调速器
(英文:Electronic Speed Control,中文:电调)、电机以及旋翼,当动力系统为多个时,多
个动力系统可以共用同一个电池,也可以每个动力系统各自包括一个独立的电池。电池用
于为动力系统供电,电调用于将控制器输出的转速控制信号转换为三相交流电输出给电
机,以控制电机按照一定的转速带动旋翼旋转。进一步的,本公开的多旋翼无人机的控制方
法不仅可以应用于多旋翼无人机的控制,还可以应用于其他无人机的控制,例如,单旋翼无
人机以及其他具有该动力系统的无人机(例如,固定翼无人机),本公开对此不作具体限定。
险。为了确保多旋翼无人机的安全性,可以利用在多旋翼无人机飞行过程中动力系统的电
动特性,来实时对动力系统进行故障检测,从而保证多旋翼无人机的安全性。其中,该电动
特性用于指示在多旋翼无人机的飞行过程中,控制器输出的转速控制信号、动力系统的电
池的供电电压与动力系统的旋翼的转速之间的映射关系。
旋翼的实际转速,电压传感器用于采集电池的供电电压。在多旋翼无人机执行飞行任务时,
控制器可以实时根据多旋翼无人机的飞行状态(例如,多旋翼无人机的位置、姿态等),输出
每个旋翼的转速控制信号,来对动力系统进行控制,以调节动力系统的各个旋翼的转速。其
中,转速控制信号可以为PWM(英文:Pulse Width Modulation,中文:脉冲宽度调制)信号,
也可以为CAN(英文:Controller Area Network,中文:控制器域网)信号,每个旋翼的转速
控制信号用于指示在理想情况下,多旋翼无人机处于当前飞行状态时该旋翼应当达到的理
想转速。故障检测模块可以实时获取当前电压传感器采集到的供电电压,控制器输出的每
个旋翼的转速控制信号以及转速采集传感器采集到的每个旋翼的实际转速。
个独立的电池,则电压传感器需要采集每个电池的供电电压,故障检测模块需要获取每个
电池的供电电压。以下以多个动力系统共用同一个电池为例对本公开的多旋翼无人机的控
制方法进行进一步说明,但本公开的多旋翼无人机的控制方法并不仅限定于多个动力系统
共用同一个电池这一种情况,也可以适用于每个动力系统各自包括一个独立的电池这一种
情况。
的准确性,在获取到供电电压、每个旋翼的转速控制信号和每个旋翼的实际转速后,可以先
将每个旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,以使该旋翼的转
速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上对齐,得到该旋翼的处理后的转速控制信号。然
后可以由故障检测模块根据供电电压和每个旋翼的处理后的转速控制信号,利用电动特
性,确定每个旋翼的期望转速。其中,每个旋翼的期望转速为在当前供电电压和转速控制信
号的条件下,该旋翼应当达到的转速。然后,故障检测模块可以根据每个旋翼的实际转速和
该旋翼的期望转速,确定该旋翼所属的动力系统是否存在故障。若确定该旋翼所属的动力
系统存在故障,则确定多旋翼无人机存在故障,若确定该旋翼所属的动力系统不存在故障,
则确定多旋翼无人机不存在故障。通过利用电动特性来进行故障检测,所需消耗的算力小,
硬件成本较低,并且,考虑了多旋翼无人机在执行飞行任务过程中由于电池的供电电压下
降导致的旋翼的转速下降,来判断动力系统是否存在故障,能够对动力系统老化、性能下降
等软性故障进行有效的检测。
航/高度”四通道控制架构,来实现多旋翼无人机六个自由度的控制时,若确定多旋翼无人
机存在故障,控制器可以根据发生故障的动力系统,结合多旋翼无人机的控制期望(例如,
横滚控制期望力矩、俯仰控制期望力矩、偏航控制期望力矩和高度控制期望力矩等)与飞行
状态,通过控制分配重构的方式,实现多旋翼无人机的容错控制或降自由度控制(例如可以
选择偏航控制通道作为损失自由度来进行降自由度控制),以最大化地减小故障所可能带
来的负面影响,并控制多旋翼无人机进行降落。
的实际转速,再将每个旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,
得到该旋翼的处理后的转速控制信号,并根据供电电压,处理后的转速控制信号以及实际
转速,确定多旋翼无人机是否存在故障,最后在多旋翼无人机存在故障的情况下,控制多旋
翼无人机进行降落。本公开只需要通过供电电压,转速控制信号以及实际转速,就能快速、
准确地检测多旋翼无人机是否存在故障,能够检测出由于动力系统性能下降导致的故障,
检测过程简单,所需消耗的算力较小,同时可以在多旋翼无人机故障时及时控制多旋翼无
人机降落,从而确保多旋翼无人机的安全性和可靠性。
架试验提前测定。在对该关系测定完成后,可以将该关系作为预设转速对应关系进行存储,
以用于判断动力系统是否存在故障。在获取到供电电压、每个旋翼的处理后的转速控制信
号和每个旋翼的实际转速后,故障检测模块可以根据供电电压和每个旋翼的处理后的转速
控制信号,利用预设转速对应关系,确定每个旋翼的期望转速。然后可以针对每个旋翼,将
该旋翼的期望转速和该旋翼的实际转速的差值,作为该旋翼对应的转速偏差。在任一旋翼
对应的转速偏差大于或等于预设转速偏差的情况下(预设转速偏差可以为300rpm/min),说
明旋翼的期望转速与旋翼的实际转速相差较大,将转速偏差大于或等于预设转速偏差的旋
翼所属的动力系统确定为故障,并进一步确定多旋翼无人机存在故障。
号。
信号存在一定的延时,即旋翼的实际转速,与通过转速控制信号确定的旋翼的期望转速之
间存在延时,这会影响对动力系统进行故障检测的准确性。为了避免这种情况的发生,可以
针对每个旋翼,将该旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,并
根据该旋翼的处理后的控制信号和供电电压,利用预设转速对应关系,确定该旋翼的期望
转速,以使旋翼的实际转速与旋翼的期望转速在时间上对齐,并利用对齐后的旋翼的实际
转速与旋翼的期望转速,来对动力系统进行故障检测。
控制信号输入到低通滤波器进行低通滤波处理,以使转速控制信号与实际转速在时间上对
齐,并滤除转速控制信号中所含的噪声(该噪声是指转速控制信号中变化非常频繁,以至于
动力系统无法对其进行有效响应的成分)。其中,低通滤波器可以是一阶低通滤波器,例如,
该一阶低通滤波器的传递函数可以表示为:FLps(s)= 1/(T•s + 1),T为时间常数,s为拉普拉
斯算子,T与控制器的输出延时,动力系统的响应延时以及动力系统的响应时间相关。此时
inv
经过低通滤波处理后得到的处理后的转速控制信号可以表示为Laplace {(uctrl/s)•
inv
FLps(s)},uctrl表示转速控制信号,Laplace (.)表示拉普拉斯逆变换。
* inv *
关系可以表示为:w rotor = f(k Laplace {(uctrl/s)•FLps(s)},U),其中,w rotor为旋翼的期望
转速,U为供电电压,fk表示函数关系。
机的位置和多旋翼无人机的姿态。然后可以根据飞行状态信息以及多旋翼无人机的控制期
望,通过控制分配解算的方式,确定每个旋翼的转速控制信号。
的实际转速,再将每个旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,
得到该旋翼的处理后的转速控制信号,并根据供电电压,处理后的转速控制信号以及实际
转速,确定多旋翼无人机是否存在故障,最后在多旋翼无人机存在故障的情况下,控制多旋
翼无人机进行降落。本公开只需要通过供电电压,转速控制信号以及实际转速,就能快速、
准确地检测多旋翼无人机是否存在故障,能够检测出由于动力系统性能下降导致的故障,
检测过程简单,所需消耗的算力较小,同时可以在多旋翼无人机故障时及时控制多旋翼无
人机降落,从而确保多旋翼无人机的安全性和可靠性。
号。
状态信息包括多旋翼无人机的位置和多旋翼无人机的姿态。
的实际转速,再将每个旋翼的转速控制信号与该旋翼的实际转速在时间上进行对齐处理,
得到该旋翼的处理后的转速控制信号,并根据供电电压,处理后的转速控制信号以及实际
转速,确定多旋翼无人机是否存在故障,最后在多旋翼无人机存在故障的情况下,控制多旋
翼无人机进行降落。本公开只需要通过供电电压,转速控制信号以及实际转速,就能快速、
准确地检测多旋翼无人机是否存在故障,能够检测出由于动力系统性能下降导致的故障,
检测过程简单,所需消耗的算力较小,同时可以在多旋翼无人机故障时及时控制多旋翼无
人机降落,从而确保多旋翼无人机的安全性和可靠性。
303,输入/输出(I/O)接口304,以及通信组件305中的一者或多者。
多旋翼无人机300的操作,这些数据例如可以包括用于在该多旋翼无人机300上操作的任何
应用程序或方法的指令,以及应用程序相关的数据,例如联系人数据、收发的消息、图片、音
频、视频等等。该存储器302可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合
实现,例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,简称SRAM),电可擦除可
编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read‑Only Memory,简称
EEPROM),可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read‑Only Memory,简称
EPROM),可编程只读存储器(Programmable Read‑Only Memory,简称PROM),只读存储器
(Read‑Only Memory,简称ROM),磁存储器,快闪存储器,磁盘或光盘。多媒体组件303可以包
括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏,音频组件用于输出和/或输入音频信号。
例如,音频组件可以包括一个麦克风,麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可
以被进一步存储在存储器302或通过通信组件305发送。音频组件还包括至少一个扬声器,
用于输出音频信号。I/O接口304为处理器301和其他接口模块之间提供接口,上述其他接口
模块可以是按钮。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件305用于该多旋翼无人
机300与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信,例如Wi‑Fi,蓝牙,近场通信(Near
Field Communication,简称NFC),2G、3G、4G、NB‑IOT、eMTC、或其他5G等等,或它们中的一种
或几种的组合,在此不做限定。因此相应的该通信组件305可以包括:Wi‑Fi模块,蓝牙模块,
NFC模块等等。
Signal Processor,简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device,
简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,简称PLD)、现场可编程门阵列
(Field Programmable Gate Array,简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元
件实现,用于执行上述的多旋翼无人机的控制方法。
读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器302,上述程序指令可由多旋翼无人机300的
处理器301执行以完成上述的多旋翼无人机的控制方法。
执行上述的多旋翼无人机的控制方法的代码部分。
单变型,这些简单变型均属于本公开的保护范围。
能的组合方式不再另行说明。