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CN118938986A - 一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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CN118938986A
CN118938986A CN202410992275.1A CN202410992275A CN118938986A CN 118938986 A CN118938986 A CN 118938986A CN 202410992275 A CN202410992275 A CN 202410992275A CN 118938986 A CN118938986 A CN 118938986A
Authority
CN
China
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unmanned aerial
aerial vehicle
take
uav
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202410992275.1A
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English (en)
Inventor
冯建辉
姜虹云
普碧才
王耀龙
李�昊
周帅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nujiang Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Original Assignee
Nujiang Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CN202410992275.1A priority Critical patent/CN118938986A/zh
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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Abstract

本申请提出了一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备及存储介质，该方法包括：获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；基于初始姿态和初始倾斜角度，确定无人机的目标起飞模式；基于目标起飞模式，确定无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；基于控制信号调整无人机的各个旋翼的速度为对应的目标速度，以控制无人机执行起飞任务。本申请能够根据倾斜角度自动调整起飞策略，确保旋翼不与表面接触，减少了因起飞不当导致的设备损坏风险，解决无人机在灾难情况下从倾斜表面起飞的问题，从而有效提高无人机在灾难情况下飞行的灵活性和安全性。

Description

一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本申请涉及无人机控制技术领域，尤其是涉及一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAVs)在应对灾害情况时展现出了巨大的潜力。它们以其卓越的灵活性、高度的安全性、简便的操作流程以及相对较低的运行成本，成为执行灾害监测和救援任务的理想选择。为了提高无人机的起降能力，多个研究团队致力于开发先进的控制系统。Samir Bouabdallah通过建立数学模型，为四轴飞行器提供了模拟和控制的理论基础，并设计了五种不同的控制器，以优化飞行器的姿态、高度和位置控制。S.Park采用鲁棒性控制方法(Robust Integral Control，RIC)，将模型不确定性和传感器噪声纳入干扰因素，增强了控制系统的鲁棒性。Bruno Herisse提出了一种非线性控制策略，专为垂直起降无人机的垂直着陆设计。D.Cabecinhas则利用混合自动机模型，根据飞行器的不同动态行为，实现了状态的动态切换。
尽管这些研究为无人机的垂直起降提供了有效的解决方案，但现有技术大多集中在“平面动力学”上，即假设无人机在平坦表面上起降。然而，在实际的灾害环境中，由于自然灾害造成的破坏，如道路和建筑物的损毁，无人机往往难以找到合适的平坦起飞场地。此外，如果无人机在恶劣条件下强行垂直起飞，可能会造成设备的损坏，影响任务的执行。
前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备及存储介质，能够解决无人机在灾难情况下从倾斜表面起飞的问题，有效提高无人机在灾难情况下飞行的灵活性和安全性。
为解决上述技术问题，本申请提供一种无人机飞行控制方法，包括如下步骤：
获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；
基于所述初始姿态和所述初始倾斜角度，确定所述无人机的目标起飞模式；
基于所述目标起飞模式，确定所述无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；
基于所述控制信号调整所述无人机的各个旋翼的速度为对应的所述目标速度，以控制所述无人机执行起飞任务。
进一步地，在本申请的一些实施例中，在所述控制所述无人机执行起飞任务后，所述方法还包括：
实时获取所述无人机执行起飞任务过程中的实时状态向量；
基于所述实时状态向量和参考状态向量，生成对应的误差信号；
基于所述误差信号对所述无人机的控制参数进行实时调整。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述方法还包括：
若检测到所述实时状态向量符合预设悬停条件，生成模式切换信号；
响应所述模式切换信号，基于所述实时状态向量确定悬停控制信号；
基于所述悬停控制信号调整所述无人机的控制参数，以使所述无人机根据所述控制参数执行悬停任务。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述预设悬停条件包括位置误差、高度阈值和姿态阈值，所述方法还包括：
基于所述实时状态向量计算无人机当前的位置信息、高度信息和姿态信息；
检测所述位置信息、所述高度信息和所述姿态信息是否符合预设悬停条件。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述基于所述实时状态向量确定悬停控制信号，包括：
从所述实时状态向量中提取目标分量；
基于所述目标分量确定位置信息，并基于比例微分控制器确定高度信息和桨距角信息；
基于所述位置信息、所述高度信息和所述桨距角信息确定悬停控制信号。
进一步地，在本申请的一些实施例中，还包括：
基于所述无人机的设备参数，构建对应的无人机动力学模型；
基于所述无人机动力学模型构建所述无人机从倾斜表面起飞的动态混合系统，所述动态混合系统包括起飞模式和悬停模式分别对应的控制策略。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述基于所述初始姿态和所述初始倾斜角度，确定所述无人机的目标起飞模式，包括：
若所述初始倾斜角度大于0且不大于预设第一阈值，则确定所述无人机的目标起飞模式为第一起飞模式；
若所述初始倾斜角大于预设第一阈值且不大于预设第二阈值，则确定所述无人机的目标起飞模式为第二起飞模式；
若所述初始倾斜角大于预设第二阈值且不大于预设第三阈值，则确定所述无人机当前无法直接起飞。
相应地，本申请还提供了一种无人机飞行控制装置，包括：
获取模块，用于获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；
第一确定模块，用于基于所述初始姿态和所述初始倾斜角度，确定所述无人机的目标起飞模式；
第二确定模块，用于基于所述目标起飞模式，确定所述无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；
调整模块，用于基于所述控制信号调整所述无人机的各个旋翼的速度为对应的所述目标速度，以控制所述无人机执行起飞任务。
本申请还提供了一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时如上所述的无人机飞行控制方法的步骤。
本申请还提供了一种存储介质，存储有能够被处理器加载并执行如上所述的无人机飞行控制方法的计算机程序。
实施本申请实施例，具有如下有益效果：
如上所述，本申请提供的一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备及存储介质，其中无人机飞行控制方法包括：获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；基于初始姿态和初始倾斜角度，确定无人机的目标起飞模式；基于目标起飞模式，确定无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；基于控制信号调整无人机的各个旋翼的速度为对应的目标速度，以控制无人机执行起飞任务。本申请能够根据倾斜角度自动调整起飞策略，确保旋翼不与表面接触，减少了因起飞不当导致的设备损坏风险，解决无人机在灾难情况下从倾斜表面起飞的问题，从而有效提高无人机在灾难情况下飞行的灵活性和安全性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的无人机飞行控制方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的四轴飞行器动力学模型的示意图；
图3是本申请实施例提供的放置在斜面上的四轴飞行器简化模型的示意图；
图4是本申请实施例提供的四轴飞行器状态切换的示意图；
图5是本申请实施例提供的无人机飞行控制装置的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请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、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本申请不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或者“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或者“单元”可以混合地使用。
目前配备遥感仪器的无人机(UAV)在灾害相关情况下提供了许多使用机会。现有技术开发了许多控制系统，使无人机能够垂直起降。例如，Samir Bouabdallah提出了模拟和控制四轴飞行器的数学模型，并开发了五种不同的控制器来比较姿态、高度和位置控制器。S.Park提出了一种RIC方法来设计控制器，将模型的不正确部分和传感器噪声视为干扰。Bruno Herisse提出了一种用于垂直起降无人机垂直着陆的非线性控制器。D.Cabecinhas提出了一种使用混合自动机的模型，其中状态对应于不同的动态行为。但是目前无人机从倾斜表面起飞还没有得到很好的研究。由于自然灾害通常会造成巨大损失，而道路和建筑物总是被拆除，因此可能很难找到起飞的飞机。如果无人机在如此恶劣的环境下垂直起飞，就会造成自身损坏，亟需一种能够解决上述问题的无人机控制方法。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的无人机飞行控制方法的流程示意图。本实施例提供的无人机飞行控制方法具体可以包括如下步骤：
S1.获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；
具体的，对于步骤S1，主要是获取无人机当前的初始姿态和初始倾斜角度，其中，初始姿态通常指的是无人机相对于一个参考坐标系(通常是地球坐标系)的方位，包括俯仰角(pitch)、横滚角(roll)和偏航角(yaw)；初始倾斜角度特指无人机与水平面的夹角，这个角度影响无人机起飞时的稳定性和所需的升力。初始姿态的测量方式可以是使用传感器如惯性测量单元(IMU)，集成加速度计和陀螺仪，来测量无人机的姿态信息；初始倾斜角度的测量方式可以通过IMU中的加速度计测量无人机相对于重力方向的倾斜，或者使用其他传感器如倾斜仪或视觉传感器来获取。
初始姿态和倾斜角度是决定无人机起飞行为的关键参数，直接影响起飞控制策略的选择和起飞过程中升力(推力)的计算。传感器数据需要通过数据融合算法处理，以提高测量的准确性和可靠性，尤其是在多传感器系统中。另外，初始姿态和倾斜角度的测量需要实时进行，以便控制系统能够快速响应并调整起飞策略。
本实施例通过精确获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度，无人机的飞行控制系统可以更有效地规划起飞路径，计算所需的升力和推力，从而确保无人机能够安全、稳定地从倾斜表面起飞。这一步骤是实现复杂环境下无人机自主起飞的基础。
S2.基于初始姿态和初始倾斜角度，确定无人机的目标起飞模式；
具体的，对于步骤S2，起飞模式指的是无人机从静止状态到离地升空的飞行控制策略，根据无人机的初始条件定制化设计。根据初始姿态和倾斜角度的不同，可能存在多种起飞模式。例如，平地起飞、小角度倾斜起飞、大角度倾斜起飞等。在具体的实施例中，无人机控制系统内置决策逻辑，根据测量得到的初始姿态和倾斜角度，选择最合适的起飞模式，每种起飞模式都对应一套特定的控制参数，包括但不限于旋翼转速、升力需求、姿态调整量等。确定起飞模式后，飞行控制系统需要动态响应，调整控制参数以适应当前的起飞条件。
本实施例通过基于初始姿态和初始倾斜角度来确定目标起飞模式，无人机能够适应不同的起飞条件，提高从倾斜表面起飞的成功率和安全性。
S3.基于目标起飞模式，确定无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；
具体的，对于步骤S3，每种起飞模式都对应一组特定的旋翼速度设置，这些设置是根据无人机的动力学模型和预期的飞行行为确定的。利用无人机的动力学模型，分析不同起飞模式下的力和力矩平衡，从而计算出所需的旋翼推力和速度；根据起飞模式的要求，确定每个旋翼的目标速度，以产生足够的升力来克服重力和其他外力，如地面效应或风力；根据计算出的目标旋翼速度，生成控制信号；这些信号将被送往无人机的飞行控制系统，用于调整旋翼的实际转速。在具体的实施过程中可以通过使用控制算法，如PID(比例-积分-微分)控制器，根据旋翼的目标速度和实际速度之间的误差来调节控制信号。在多旋翼无人机中，需要协调各个旋翼的速度，以保持无人机的平衡和控制其姿态。
通过这一环节，无人机能够根据目标起飞模式，精确调整旋翼速度，生成合适的控制信号，确保无人机能够安全、稳定地从倾斜表面起飞。这是无人机智能飞行控制系统中的关键技术之一，对于实现复杂环境下的自主起飞至关重要。
S4.基于控制信号调整无人机的各个旋翼的速度为对应的目标速度，以控制无人机执行起飞任务；
具体的，对于步骤S4，控制信号是飞行控制系统的输出，用于直接驱动无人机的旋翼调整至所需的目标速度。根据起飞模式和动力学模型计算出的目标速度，控制系统生成相应的控制信号，通过电子调速器(ESC)调整每个旋翼的转速。旋翼速度的调整直接影响无人机的推力和升力。通过精确控制旋翼速度，无人机能够获得足够的升力来克服重力，实现平稳起飞。旋翼速度的不对称调整可以改变无人机的姿态。例如，增加某些旋翼的速度可以使得无人机进行俯仰或横滚，以适应起飞时的倾斜角度。
另外，还可以通过传感器获取的实时飞行数据反馈给控制系统，控制系统根据实际飞行状态与目标状态之间的偏差，动态调整控制信号。无人机的控制系统还需要能够适应不同的环境条件，如风速和风向，通过调整旋翼速度来补偿环境对飞行的影响。
通过上述步骤，无人机的飞行控制系统能够精确地调整旋翼速度，生成并执行控制信号，确保无人机能够根据目标起飞模式安全、有效地执行从倾斜表面起飞的任务。
本实施例提供的无人机飞行控制方法，通过根据初始姿态和倾斜角度确定目标起飞模式，实现精确控制无人机起飞过程；无人机能够适应不同的起飞条件，包括不同的初始姿态和倾斜角度，增强了飞行任务的灵活性，实现了从倾斜表面起飞的效果；通过调整旋翼速度以匹配目标速度，确保无人机在起飞过程中的稳定性。可见，本实施例提供的无人机飞行控制方法提高了飞行任务的成功率，尤其是在复杂或灾难情况下的起飞任务，为无人机在多样化条件下的安全、有效飞行提供了有力支持。
进一步地，在一些实施例中，在控制无人机执行起飞任务后，无人机飞行控制方法具体还可以包括：
实时获取无人机执行起飞任务过程中的实时状态向量；
基于实时状态向量和参考状态向量，生成对应的误差信号；
基于误差信号对无人机的控制参数进行实时调整。
具体的，在控制无人机开始起飞之后，本实施例提供的无人机飞行控制方法具体还可以包括实时监控和实时调整步骤，具体流程如下：在无人机起飞过程中，持续收集关于无人机速度、姿态、位置和高度等的实时数据，形成一个实时状态向量；设定参考状态向量，其中参考状态向量是一组预定义的理想状态数据，用于与实时状态向量进行比较，确定无人机的当前飞行状态是否符合预期；通过比较实时状态向量和参考状态向量，计算两者之间的差异，生成误差信号，误差信号反映了无人机飞行状态的偏差程度；利用误差信号，控制系统动态调整无人机的飞行控制参数，可以包括调整旋翼速度、改变飞行路径或其他控制输入，以减少误差。该过程形成一个闭环控制系统，其中无人机的实时状态被用作反馈，以不断优化控制输入，确保无人机按照预定轨迹飞行。
通过实时监控和控制参数的实时调整，使得无人机更有可能成功完成起飞和后续的飞行任务，尤其是在复杂或变化的环境中，增强了无人机飞行控制系统的智能化和适应性，为无人机安全、准确地执行起飞和飞行任务提供了有力保障。
进一步地，在一些实施例中，无人机飞行控制方法还包括：
若检测到实时状态向量符合预设悬停条件，生成模式切换信号；
响应模式切换信号，基于实时状态向量确定悬停控制信号；
基于悬停控制信号调整无人机的控制参数，以使无人机根据控制参数执行悬停任务。
具体的，在控制无人机起飞之后，实时获取无人机自身的实时状态向量，包括但不限于位置、速度、姿态和高度等参数；根据实时获取的状态向量与预设的参考状态向量(期望的悬停状态)之间的差异生成误差信号；根据误差信号和预设的悬停条件(如位置误差、高度阈值和姿态阈值)判断无人机是否满足悬停要求。当无人机满足悬停条件时，控制系统生成模式切换信号，指示无人机从起飞模式切换到悬停模式。同时，控制系统基于无人机的实时状态向量和悬停条件，确定悬停所需的控制信号，可能包括对旋翼速度、推力和扭矩的精确控制，以实现稳定悬停。
在确定需要转换为悬停模式后，响应模式切换信号，控制系统实时调整无人机的控制参数，以适应悬停状态；并且通过调整控制参数，无人机进入并维持悬停状态，控制系统需要持续监控并调整以对抗外部扰动，如风速变化等。
本实施例提供了一种全面的无人机飞行控制方法，通过实时监测和调整无人机状态，实现从起飞到悬停的平滑过渡，确保了飞行的稳定性和安全性，提高了任务执行的精确性和可靠性。
进一步地，在一些实施例中，所述预设悬停条件包括位置误差、高度阈值和姿态阈值，本实施例中的无人机飞行控制方法还包括：
基于实时状态向量计算无人机当前的位置信息、高度信息和姿态信息；
检测位置信息、高度信息和姿态信息是否符合预设悬停条件。
具体的，本实施例中的预设悬停条件可以包括但不限于位置误差、高度阈值和姿态阈值中的一种或多种，这些参数定义了无人机达到悬停状态所需的精度和稳定性标准。基于无人机的传感器数据，实时计算无人机当前的位置信息、高度信息和姿态信息，将计算得到的当前状态与预设的悬停条件进行比较，判断无人机是否已经处于或接近悬停状态。其中，从实时状态向量中提取关键的状态分量，如位置、高度和姿态，这些是判断悬停条件是否满足的基础。然后，评估当前状态与悬停条件之间的误差，如果误差在可接受范围内，则无人机可以进入悬停模式；如果误差超出阈值，则需要进一步调整。根据是否满足悬停条件，调整无人机的控制策略。如果满足条件，则执行悬停控制信号；如果不满足，则继续调整飞行参数以减小误差。本实施例通过明确悬停条件并实现实时监测和评估，为无人机提供了一种精确、可靠的悬停控制方法，确保了飞行任务的顺利执行。
进一步地，在一些实施例中，所述基于所述实时状态向量确定悬停控制信号，包括：
从实时状态向量中提取目标分量；
基于目标分量确定位置信息，并基于比例微分控制器确定高度信息和桨距角信息；
基于位置信息、高度信息和桨距角信息确定悬停控制信号。
具体的，从无人机的传感器数据中提取实时状态向量，该向量包含了无人机当前的位置、速度、姿态和高度等信息，从实时状态向量中提取关键的目标分量，这些分量对于无人机的悬停控制至关重要。基于目标分量，计算无人机当前的位置信息，位置信息是悬停控制中需要精确维持的关键参数。使用比例微分控制器(PD控制器)来确定无人机的高度信息和桨距角信息。PD控制器通过比例和微分环节来调整控制输入，以减少误差并提高系统的稳定性。最后结合位置信息、高度信息和桨距角信息，生成悬停控制信号，这些信号将用于调整无人机的旋翼速度，以实现稳定悬停。在具体的实施过程中，飞行控制系统根据悬停控制信号动态调整无人机的飞行参数，确保无人机能够在指定位置和高度上稳定悬停。通过精确的控制信号生成和实时调整，确保无人机在悬停状态下的安全性和稳定性，为执行各种任务提供了可靠的飞行平台。
本实施例通过生成悬停控制信号，提高无人机飞行控制系统的智能化和自动化水平，确保了无人机能够在各种条件下实现精确、稳定的悬停。
进一步地，在一些实施例中，无人机飞行控制方法还包括：
基于无人机的设备参数，构建对应的无人机动力学模型；
基于无人机动力学模型构建无人机从倾斜表面起飞的动态混合系统，动态混合系统包括起飞模式和悬停模式分别对应的控制策略。
具体的，在实施本实施例提供的无人机飞行控制方法之前，本实施例还提供了无人机动力学模型和动态混合系统的构建，包括基于无人机的设备参数构建动力学模型，并基于该模型建立动态混合系统，该系统包括起飞模式和悬停模式对应的控制策略。首先，利用无人机的设备参数，例如旋翼速度、电机特性、质心位置、质量、尺寸等，进行详细分析，为建立精确的动力学模型提供基础数据。然后根据无人机的物理特性和飞行原理，构建一个数学模型，该模型能够描述无人机在飞行中的动力、稳定性和控制响应。接着，利用构建的动力学模型，开发一个动态混合系统，该系统能够模拟无人机从倾斜表面起飞到悬停的全过程。动态混合系统包括起飞模式的控制策略和悬停模式的控制策略，前者为起飞模式设计特定的控制策略，确保无人机能够根据初始姿态和倾斜角度安全地从各种表面起飞，后者为悬停模式设计控制策略，使无人机能够在达到一定高度后，准确地保持位置和高度，实现稳定悬停。将起飞和悬停模式的控制策略集成到飞行控制系统中，确保无人机在整个飞行过程中的平滑过渡和稳定控制。动态混合系统能够适应不同的环境条件，确保无人机在各种初始条件下的安全起飞和稳定悬停。通过构建精确的动力学模型和设计有效的控制策略，提高了无人机飞行控制的精确性、稳定性和环境适应性。
在本实施例中选择了四轴飞行器作为研究对象，由于其灵活性和便携性，在实验中配备了旋翼。四个转子分别标记为1至4，在机体内同一水平对称分布，其结构和半径相同，假设roter1和roter3逆时针旋转，roter2和roter4顺时针旋转。飞控计算机和外部设备放置在四轴飞行器支架的中间，四轴飞行器通过改变旋翼的速度来实现升力的变化，从而控制其姿态和位置。图2显示了四个转子的推力矢量和旋转方向。
接着，构建四轴飞行器在起飞时的仿真系统，该系统在闭环PD控制结构中对四轴飞行器控制进行了建模。
四轴飞行器有四个控制环，即位置控制环、姿态控制环、高度控制环和偏航控制环。四轴飞行器的输入是四个旋翼的速度，四轴飞行器的输出是状态向量，然后状态向量x反馈到输入变量以产生误差信号。
然后，构建动态混合系统，如图3所示，图3为放置在斜面上的四轴飞行器的简化模型。
其中，虚线表明四轴飞行器从不同角度的表面起飞，水平θ被描述为四轴飞行器坐标中的状态变量，俯仰角被认为是绕四轴飞行器y轴的旋转角度。
由于四轴飞行器的对称性，本实施例仅提出起飞机动，其中旋转发生在一侧，导致θ≥0。α，γ被描述为绕四轴飞行器x轴、z轴的旋转角度，h是四轴飞行器保持初始姿态以避免旋翼坠落到表面的高度，误差变量可以写成期望变量和测试值之间的差异，如下公式所示：
其中，θq，αq，βq是从状态向量x中提取的分量。h的计算与图1中的d相关，d是四轴飞行器电机到质心的距离。
本实施例认为当误差小于0.01时满足条件。换句话说，只有当方程满足条件3后，四轴飞行器可以从起飞模式切换到悬停模式。
Δ被定义为确保安全的一点增量。
以下部分深入介绍混合框架使用的起飞模式和悬停模式。
进一步地，在一些实施例中，所述基于所述初始姿态和所述初始倾斜角度，确定所述无人机的目标起飞模式，包括：
若初始倾斜角度大于0且不大于预设第一阈值，则确定无人机的目标起飞模式为第一起飞模式；
若初始倾斜角大于预设第一阈值且不大于预设第二阈值，则确定无人机的目标起飞模式为第二起飞模式；
若初始倾斜角大于预设第二阈值且不大于预设第三阈值，则确定无人机当前无法直接起飞。
具体的，本实施例中的无人机的起飞模式包括三种，即起飞方式分为四轴飞行器通常从不同表面起飞的三种类型。第一种情况，当满足条件时发
生，在起飞模式状态下可以保持其俯仰角θ。第二种情况，当时，使得俯仰角θ仅在第一次起飞时保持。一段时间后，四轴飞行器开始在指定的条件下飞行，即此时，控制器最重要的就是保证四轴飞行器不撞到斜面。第三种情况，发生在的情况下，四轴飞行器因俯仰角过大而无法起飞。每种类型对应不同的控制器设计，由比例微分控制器控制。
其中τp,τr,τy表示机身所需的俯仰、横滚和偏航扭矩，T指推力，ω0为旋翼速度。
关于四旋翼悬浮，本实施例中的悬停模式旨在实现两点，第一点是将姿态改变为水平，第二点是悬停在固定点上方。从状态向量x中提取的四个分量(x,y,z,θ)，由PD控制器控制。xy位置误差在世界坐标系中计算并通过旋转矩阵进行旋转。高度由比例微分控制器控制。
桨距角由比例微分控制器控制。
如图4所示，图4表示四轴飞行器的两种模式，A块为起飞模式，认为四轴飞行器以固定角度倾斜飞行；B块为悬停模式，认为四轴飞行器将姿态调整至水平，然后悬停至一点。混合框架的不同状态对应于图4所示的四轴飞行器所考虑的两种模式，其中q被描述为模式变量。一旦满足变换条件，起飞模式立即切换到悬停模式。条件被定义为实际值和期望值之间的误差。
综上所述，本实施例提供的无人机飞行控制方法，能够根据初始姿态和倾斜角度，自动确定目标起飞模式，适应不同的起飞环境，包括在灾难情况下的倾斜表面。通过计算和生成控制信号，精确调整各个旋翼的目标速度，确保无人机旋翼提供适当的升力和推力，实现稳定起飞。通过智能选择起飞模式和精确控制旋翼速度，降低起飞过程中可能发生的碰撞或损坏风险，特别是在复杂或灾难环境中。起飞过程中实时获取无人机状态，及时调整控制参数，保证无人机按照预定轨迹飞行，提高飞行任务的成功率。结合混合控制系统和动态混合模型，提供了一种创新的飞行控制策略，提升了无人机在多样化环境下的飞行性能和任务执行能力。
为便于更好的实施本申请实施例的无人机飞行控制方法，本申请实施例还提供一种无人机飞行控制装置。其中名词的含义与上述无人机飞行控制方法中相同，具体实现细节可以参考方法实施例中的说明。
请参阅图5，图5为本申请实施例提供的无人机飞行控制装置的结构示意图，其中该无人机飞行控制装置具体可以包括获取模块201、第一确定模块202、第二确定模块203和调整模块204，具体可以如下：
获取模块201，用于获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；
第一确定模块202，用于基于初始姿态和初始倾斜角度，确定无人机的目标起飞模式；
第二确定模块203，用于基于目标起飞模式，确定无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；
调整模块204，用于基于控制信号调整无人机的各个旋翼的速度为对应的目标速度，以控制无人机执行起飞任务。
本实施例提供的无人机飞行控制装置，通过获取模块201获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度后，通过第一确定模块202基于初始姿态和初始倾斜角度，确定无人机的目标起飞模式；通过第二确定模块203基于目标起飞模式，确定无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；最后通过调整模块204基于控制信号调整无人机的各个旋翼的速度为对应的目标速度，以控制无人机执行起飞任务。在本实施例提供的无人机飞行控制方案中，能够根据倾斜角度自动调整起飞策略，确保旋翼不与表面接触，减少了因起飞不当导致的设备损坏风险，解决无人机在灾难情况下从倾斜表面起飞的问题，从而有效提高无人机在灾难情况下飞行的灵活性和安全性。
此外，本申请实施例还提供一种电子设备，如图6所示，其示出了本申请实施例所涉及的电子设备的结构示意图，具体来讲：该电子设备可以包括一个或者一个以上处理核心的处理器301、一个或一个以上计算机可读存储介质的存储器302、电源303和输入单元304等部件。本领域技术人员可以理解，图6中示出的电子设备结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。其中：
处理器301是该电子设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部分，通过运行或执行存储在存储器302内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器302内的数据，执行电子设备的各种功能和处理数据，从而对电子设备进行整体监控。可选的，处理器301可包括一个或多个处理核心；优选的，处理器301可集成应用处理器和调制解调处理器，其中，应用处理器主要处理操作系统、用户界面和应用程序等，调制解调处理器主要处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调处理器也可以不集成到处理器301中。
存储器302可用于存储软件程序以及模块，处理器301通过运行存储在存储器302的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及无人机飞行控制方法。存储器302可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据电子设备的使用所创建的数据等。此外，存储器302可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。相应地，存储器302还可以包括存储器控制器，以提供处理器301对存储器302的访问。
电子设备还包括给各个部件供电的电源303，优选的，电源303可以通过电源管理系统与处理器301逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电、以及功耗管理等功能。电源303还可以包括一个或一个以上的直流或交流电源、再充电系统、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态指示器等任意组件。
该电子设备还可包括输入单元304，该输入单元304可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户设置以及功能控制有关的键盘、鼠标、操作杆、光学或者轨迹球信号输入。
尽管未示出，电子设备还可以包括显示单元等，在此不再赘述。具体在本实施例中，电子设备中的处理器301会按照如下的指令，将一个或一个以上的应用程序的进程对应的可执行文件加载到存储器302中，并由处理器301来运行存储在存储器302中的应用程序，从而实现各种功能，如下：
基于初始姿态和初始倾斜角度，确定无人机的目标起飞模式；基于目标起飞模式，确定无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；基于控制信号调整无人机的各个旋翼的速度为对应的目标速度，以控制无人机执行起飞任务。
以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。
本申请实施例能够根据倾斜角度自动调整起飞策略，确保旋翼不与表面接触，减少了因起飞不当导致的设备损坏风险，解决无人机在灾难情况下从倾斜表面起飞的问题，从而有效提高无人机在灾难情况下飞行的灵活性和安全性。
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
为此，本申请实施例提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请实施例所提供的任一种无人机飞行控制方法中的步骤。例如，该指令可以执行如下步骤：
基于初始姿态和初始倾斜角度，确定无人机的目标起飞模式；基于目标起飞模式，确定无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；基于控制信号调整无人机的各个旋翼的速度为对应的目标速度，以控制无人机执行起飞任务。
以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。
其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，ReadOnlyMemory)、随机存取记忆体(RAM，RandomAccessMemory)、磁盘或光盘等。由于该存储介质中所存储的指令，可以执行本申请实施例所提供的任一种无人机飞行控制方法中的步骤，因此，可以实现本申请实施例所提供的任一种无人机飞行控制方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
以上对本申请实施例所提供的一种无人机飞行控制方法、装置、电子设备以及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种无人机飞行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；
基于所述初始姿态和所述初始倾斜角度，确定所述无人机的目标起飞模式；
基于所述目标起飞模式，确定所述无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；
基于所述控制信号调整所述无人机的各个旋翼的速度为对应的所述目标速度，以控制所述无人机执行起飞任务。
2.根据权利要求1所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，在所述控制所述无人机执行起飞任务后，所述方法还包括：
实时获取所述无人机执行起飞任务过程中的实时状态向量；
基于所述实时状态向量和参考状态向量，生成对应的误差信号；
基于所述误差信号对所述无人机的控制参数进行实时调整。
3.根据权利要求2所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
若检测到所述实时状态向量符合预设悬停条件，生成模式切换信号；
响应所述模式切换信号，基于所述实时状态向量确定悬停控制信号；
基于所述悬停控制信号调整所述无人机的控制参数，以使所述无人机根据所述控制参数执行悬停任务。
4.根据权利要求3所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述预设悬停条件包括位置误差、高度阈值和姿态阈值，所述方法还包括：
基于所述实时状态向量计算无人机当前的位置信息、高度信息和姿态信息；
检测所述位置信息、所述高度信息和所述姿态信息是否符合预设悬停条件。
5.根据权利要求3所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述基于所述实时状态向量确定悬停控制信号，包括：
从所述实时状态向量中提取目标分量；
基于所述目标分量确定位置信息，并基于比例微分控制器确定高度信息和桨距角信息；
基于所述位置信息、所述高度信息和所述桨距角信息确定悬停控制信号。
6.根据权利要求1所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，还包括：
基于所述无人机的设备参数，构建对应的无人机动力学模型；
基于所述无人机动力学模型构建所述无人机从倾斜表面起飞的动态混合系统，所述动态混合系统包括起飞模式和悬停模式分别对应的控制策略。
7.根据权利要求1所述的无人机飞行控制方法，其特征在于，所述基于所述初始姿态和所述初始倾斜角度，确定所述无人机的目标起飞模式，包括：
若所述初始倾斜角度大于0且不大于预设第一阈值，则确定所述无人机的目标起飞模式为第一起飞模式；
若所述初始倾斜角大于预设第一阈值且不大于预设第二阈值，则确定所述无人机的目标起飞模式为第二起飞模式；
若所述初始倾斜角大于预设第二阈值且不大于预设第三阈值，则确定所述无人机当前无法直接起飞。
8.一种无人机飞行控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取无人机的初始姿态和初始倾斜角度；
第一确定模块，用于基于所述初始姿态和所述初始倾斜角度，确定所述无人机的目标起飞模式；
第二确定模块，用于基于所述目标起飞模式，确定所述无人机的各个旋翼对应的目标速度，并生成对应的控制信号；
调整模块，用于基于所述控制信号调整所述无人机的各个旋翼的速度为对应的所述目标速度，以控制所述无人机执行起飞任务。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时如权利要求1-7任一项所述的无人机飞行控制方法的步骤。
10.一种存储介质，其特征在于，存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1-7任一项所述的无人机飞行控制方法的计算机程序。
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