CN111708379A - 无人机控制系统、方法和控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机控制系统、方法和控制器。控制系统包括操控模块、传输模块、映射模块和控制指令计算模块。操控模块包括：主操纵部件，生成第一操纵指令和第二操纵指令，副操纵部件，生成第三操纵指令和第四操纵指令，模式切换部件，生成模式切换指令。传输模块将第一至第四操纵指令中的一个或多个以及模式切换指令传输至映射模块。映射模块根据预先存储的对应关系，确定与模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，根据所确定的映射模式将第一至第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令。控制指令计算模块用于根据飞行控制指令计算舵机指令。本发明实现了无人机单手操作、设置灵活、分配合理、使用便捷。

Description

无人机控制系统、方法和控制器

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及无人机技术领域，具体地，涉及一种无人机控制系统、方法和控制器。

背景技术

小型无人机，尤其是微型无人机紧凑便携，需要同样紧凑小巧的控制器搭配使用。

现有的无人机通常采用手机和双手手持遥控器组合的方式操纵，存在以下不足：首先，手机和双手手持遥控器外形尺寸和重量偏大，与小型或微型无人机不匹配；其次，手机和双手手持遥控器需要两只手同时操纵，不便于在工作、骑行、驾驶等场合下使用；再次，现有的手机和双手手持遥控器组合的方式相对固定，不适合特种场合下的便捷应用。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，在第一方面，本发明的实施方式提供了一种无人机控制系统，包括操控模块、传输模块、映射模块和控制指令计算模块，其中，所述操控模块设置在控制器上，所述控制指令计算模块设置在无人机上。所述操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，其中，所述主操纵部件用于根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令，所述副操纵部件用于根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，所述模式切换部件用于根据用户的操作生成模式切换指令，其中所述模式切换指令用于指示所述无人机待切换到的飞行模式。所述传输模块用于将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个以及所述模式切换指令传输至所述映射模块。所述映射模块用于根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与所述模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令。所述控制指令计算模块用于根据所述飞行控制指令计算舵机指令，所述舵机指令适于控制所述无人机的舵机。

在一些实施方式中，所述映射模式包括：所述第一操纵指令和所述第二操纵指令映射为纵向-横向飞行控制指令或纵向-航向飞行控制指令，所述第三操纵指令和所述第四操纵指令映射为垂向-航向飞行控制指令或垂向-横向飞行控制指令。

在一些实施方式中，所述模式切换指令中包含的飞行模式包括悬停模式，与所述悬停模式相对应的映射模式包括：所述第一操纵指令映射为侧向速度指令，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令，所述第四操纵指令映射为偏航角速度指令。

在一些实施方式中，所述飞行模式包括前飞模式，与所述前飞模式相对应的映射模式包括：所述第一操纵指令映射为滚转角指令或转向角速度指令，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令或飞行高度指令，所述第四操纵指令映射为侧向速度指令或无映射。

在一些实施方式中，所述飞行模式包括航线模式，与所述航线模式相对应的映射模式包括：所述第一操纵指令映射为航点切换指令，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令或飞行高度指令，所述第四操纵指令无映射。

在一些实施方式中，所述映射模块还用于：根据预先存储的飞行模式和无人机状态信息与映射模式的对应关系确定相对应的映射模式，并且，根据所述相对应的映射模式和无人机状态信息生成飞行控制指令。在所述飞行模式包括航线模式并且所述无人机状态信息包括所述无人机是否抵达目标航点的信息时，所述相对应的映射模式包括：所述第一操纵指令无映射，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令或飞行高度指令，所述第四操纵指令无映射，并且，所述映射模块生成航点切换指令。

在一些实施方式中，所述映射模块设置在所述控制器或者所述无人机上。

在第二方面，本发明的实施方式提供了一种无人机控制方法，所述无人机控制方法应用于无人机控制系统，所述无人机控制系统包括操控模块、传输模块、映射模块和控制指令计算模块，其中，所述操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件。所述方法包括：通过所述主操纵部件根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令，通过所述副操纵部件根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，通过所述模式切换部件根据用户的操作生成模式切换指令，其中所述模式切换指令用于指示所述无人机待切换到的飞行模式；通过所述传输模块将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个以及所述模式切换指令传输至所述映射模块；通过所述映射模块根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与所述模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令；通过所述控制指令计算模块根据所述飞行控制指令计算舵机指令，所述舵机指令适于控制所述无人机的舵机。

在第三方面，本发明的实施方式提供了一种无人机控制器，包括操控模块、传输模块、映射模块和通信模块。其中，所述操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，其中，所述主操纵部件位于所述控制器上端，用于根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令；所述副操纵部件位于所述控制器上端、下端、前端或侧端，用于根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，所述模式切换部件用于根据用户的操作生成模式切换指令，其中所述模式切换指令包括飞行模式。所述传输模块用于将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个以及所述模式切换指令传输至所述映射模块。所述映射模块用于根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与所述模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令。所述通信模块用于将所述飞行控制指令传输至所述无人机。

在一些实施方式中，所述控制器还包括提示装置，用于通过光电、声音和振动中的一种或多种向用户提示所述无人机当前的飞行模式。

本发明的实施方式提供的无人机控制系统、方法和控制器通过映射模块对控制器的主操纵部件和副操纵部件的映射重构，实现了控制器操控任务的合理分配。从而在各种飞行模式下，可以将操纵任务繁重的操作分配给主操纵部件，将操纵任务较轻的操作分配给副操纵部件。实现了无人机控制的单手操作、设置灵活、分配合理、使用便捷，能够实现对无人机尤其是微型无人机，以及其他设备的远程单手操控。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的实施方式的无人机控制系统的模块框图；

图2示出了根据本发明的实施方式的无人机控制系统的结构框图；

图3示出了根据本发明的实施方式的无人机控制方法的示意图；

图4示出了根据本发明的实施方式的映射模块的示意图；

图5示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的框图；

图6示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的功能示意图；

图7示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的顶部的斜侧视图；

图8示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的底部的斜侧视图；

图9示出了根据本发明的另一实施方式的无人机控制器的顶部的斜侧视图。

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。

在一个方面，本发明的实施方式提供了一种无人机控制系统。

参考图1，其示出了根据本发明的实施方式的无人机控制系统100的模块框图，包括操控模块101、传输模块102、映射模块103和控制指令计算模块104。其中，操控模块101可以设置在控制器上，控制指令计算模块104可以设置在无人机上。需要注意，图1中各模块之间的连线仅表示信号关系和可通信的连接，而不以任何方式限制通信的方式。

操控模块101包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，其中，主操纵部件用于根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令，副操纵部件用于根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，模式切换部件用于根据用户的操作生成模式切换指令，其中模式切换指令用于指示无人机待切换到的飞行模式。

传输模块102用于将第一操纵指令、第二操纵指令、第三操作指令、第四操纵指令中的一个或多个以及模式切换指令传输至映射模块。

映射模块103用于根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将第一操纵指令、第二操纵指令、第三操作指令、第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令。

控制指令计算模块104用于根据飞行控制指令计算舵机指令，舵机指令适于控制无人机的舵机。

作为本发明的实施方式，根据具体的应用场景和需求，映射模块103可以设置在无人机上或无人机的控制器上，或者，设置在与无人机和控制器可通信地连接的另一实体上。需要注意，在本说明书中，术语“映射”也可称为“映射重构”，二者可互换使用。

作为本发明的实施方式，映射模式可以包括：第一操纵指令和第二操纵指令映射为纵向-横向飞行控制指令或纵向-航向飞行控制指令，第三操纵指令和第四操纵指令映射为垂向-航向飞行控制指令或垂向-横向飞行控制指令。通过这种方式，将操纵任务繁重的纵向-横向控制和纵向-航向控制分配给主操纵部件，将操纵任务较轻的垂向-航向和垂向-横向控制分配给副操纵部件，便于用户操作，分配合理，使用便捷。

作为本发明的一个实施方式，映射模块可以设置在无人机上。参考图2，其示出了根据本发明的实施方式的无人机控制系统的结构框图。在图2所示的实施方式中，无人机控制系统包括控制器、无线通信模块和飞行控制单元。其中飞行控制单元设置在无人机上。在该实施方式的场景中，无线通信模块是上述传输模块的一种具体实现方式。在实际应用中，无线通信模块可以实现为分别设置在控制器和无人机上的无线通信装置，用于在控制器和无人机之间建立无线链路，从而实现无线通信。

如图2所示，控制器包括主操纵部件、副操纵部件、模式切换部件和提示装置，其中：主操纵部件用于输入主操纵指令u₁和u₂，即上文提到的第一操纵指令和第二操纵指令；副操纵部件用于输入副操纵指令u₃和u₄，即上文提到的第三操纵指令和第四操纵指令；模式切换部件用于输入模式切换指令u_Mod从而设置和切换飞行模式；提示装置用于通过光电、声音、振动等方式的一种或多种，向使用者提示无人机当前的飞行模式。

无线通信模块用于将控制器的主操纵指令u₁、u₂，副操纵指令u₃、u₄，以及模式切换指令u_Mod组合为操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T，并发送给飞行控制单元。

飞行控制单元包括映射重构模块和控制指令计算模块，其中：映射重构模块根据操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T获取无人机当前的飞行模式，并且根据当前飞行模式，选择相应的映射重构方案，将操纵指令转化为飞行控制指令U＝[U₁,U₂,U₃,U₄]^T；控制指令计算模块，根据预设算法，计算舵机指令S＝[S_lat,S_lon,S_Col,S_Ped]^T，实现无人机的自动飞行。同时，飞行控制单元将当前映射关系通过无线通信模块发给手持控制器，并通过提示装置向使用者提示当前的飞行模式。

本发明的实施方式还提出了一种无人机控制方法，该无人机控制方法应用于无人机控制系统，无人机控制系统包括操控模块、传输模块、映射模块和控制指令计算模块，其中，操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件。该方法包括：通过主操纵部件根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令，通过副操纵部件根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，通过模式切换部件根据用户的操作生成模式切换指令，其中模式切换指令用于指示无人机待切换到的飞行模式；通过传输模块将第一操纵指令、第二操纵指令、第三操作指令、第四操纵指令中的一个或多个以及模式切换指令传输至映射模块；通过映射模块根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将第一操纵指令、第二操纵指令、第三操作指令、第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令；通过控制指令计算模块根据飞行控制指令计算舵机指令，舵机指令适于控制无人机的舵机。

以下结合图3描述根据本发明的一个实施方式的无人机控制方法的一个具体示例。

参考图3，其示出了根据本发明的实施方式的无人机控制方法的示意图。根据该实施方式的无人机飞行控制方法包括以下步骤：在无人机飞行过程中，通过控制器的主操纵部件和副操纵部件分别输入主操纵指令u₁和u₂以及副操纵指令u₃和u₄，通过控制器的模式切换部件，选择期望的飞行模式，并将主操纵指令u₁和u₂、副操纵指令u₃和u₄以及对应的模式切换指令u_Mod通过无线通信模块发送给飞行控制单元的映射重构模块；映射重构模块收到模式切换指令u_Mod后，选择对应的映射类型和映射方式；根据当前映射方式，由操纵指令u₁、u₂、u₃和u₄映射重构得到对应的飞行控制指令U₁、U₂、U₃和U₄，传送给控制指令计算模块；控制指令计算模块，根据飞行控制指令U₁、U₂、U₃和U₄以及预设控制算法计算舵机指令，实现无人机的操纵飞行。

该方法能够根据控制器输入的操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T，映射得到飞行控制指令U＝[U₁,U₂,U₃,U₄]^T，并计算得到舵机指令S＝[S_lat,S_lon,S_Col,S_Ped]^T，实现无人机的自动控制飞行。具体地，根据本发明的实施方式的无人机飞行控制方法具体包括以下步骤：

第一步：控制器通过无线链路，向无人机的飞行控制单元发送操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T；

第二步：飞行控制单元的映射重构模块根据u_Mod判断当前飞行模式，并根据当前映射模式，计算得到飞行控制指令U＝[U₁,U₂,U₃,U₄]^T。

参考图4，其示出了根据本发明的实施方式的映射模块的示意图，其中，映射模式主要包括低速映射类、高速映射类和其他映射类三大类，其中：

低速映射类，包括悬停映射和速度映射两种映射方式，用于实现无人机在悬停模式和低速飞行模式下的单手操控，其中：

悬停映射，用于悬停飞行控制，操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T被映射为

其中：主操纵指令u₁映射为侧向速度指令u_Vy，主操纵指令u₂映射为前向速度指令u_Vx，副操纵指令u₃映射为垂向速度指令u_Vz，副操纵指令u₄映射为偏航角速度指令u_R，即：

其中，f_1i(),i＝1,2,3,4是悬停映射函数，可选择比例映射方式。

速度映射，用于低速飞行控制，操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T被映射为U＝[u_Vy,u_Vx,u_Vz,u_R]^T，其中：主操纵指令u₁映射为侧向速度指令u_Vy，主操纵指令u₂映射为前向速度指令u_Vx，副操纵指令u₃映射为垂向速度指令u_Vz，副操纵指令u₄映射为偏航角速度指令u_R，即：

其中，f_2i(),i＝1,2,3,4是速度映射函数，可选择比例映射方式。

速度映射与悬停映射的映射方式相同，当松开主操纵部件和副操纵部件时，无人机自动进入悬停模式。

高速映射类，包括前飞映射和航线映射两种映射方式，用于实现无人机在高速前飞模式下的单手操控，其中：

前飞映射，用于高速前飞控制，操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T被映射为U＝[u_φ,u_Vx,u_Vz,u_Vy]^T或

或

等形式，其中：主操纵指令u₁映射为滚转角指令u_φ或转向角速度指令

主操纵指令u₂映射为前向速度指令u_Vx，副操纵指令u₃映射为垂向速度指令u_Vz或飞行高度u_Z，副操纵指令u₄映射为侧向速度指令u_Vy，即：

其中，f_3i(),i＝1,2,3,4是前飞映射函数，可选择比例映射方式。

可选地，为简化副操纵部件的操作方式，可在前飞映射中通过协调转弯的形式，用滚转角指令u_φ或转向角速度指令

实现横航向操纵，从而切除副操纵指令u₄的映射关系；因此前飞映射只需要主操纵指令u₁、u₂和副操纵指令u₃，即可实现无人机的高速前飞控制，即：

航线映射，用于航线飞行控制，操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T被映射为U＝[ΔWP,u_Vx,u_Vz,--]^T或U＝[ΔWP,u_Vx,u_Z,0]^T，其中：主操纵指令u₁映射为航点切换指令ΔWP，WP表示航点，主操纵指令u₂映射为前向速度指令u_Vx，副操纵指令u₃映射为垂向速度指令u_Vz或飞行高度u_Z，副操纵指令u₄无映射；从而，航线映射只需要主操纵指令u₁、u₂和副操纵指令u₃，即可实现无人机的高速前飞控制。

作为本发明的实施方式，映射模块还用于：根据预先存储的飞行模式和无人机状态信息与映射模式的对应关系确定相对应的映射模式，并且，根据相对应的映射模式和无人机状态信息生成飞行控制指令。以航线映射作为示例，通过判断无人机是否抵达目标航点而自动生成航点切换指令ΔWP，从而进一步切除主操纵指令u₁的映射关系，实现仅用主操纵指令u₂和副操纵指令u₃完成航线飞行控制，即：

其中，f_4i(),i＝1,2,3是航线映射函数，可选择比例映射方式。

其他映射类，包括遥控映射、增稳映射和姿态映射三种映射方式，用于实现无人机在遥控模式、增稳模式和姿态模式下的单手操控，其中：

遥控映射，用于纯手动遥控，操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T被直接映射为舵机指令S＝[S_lat,S_lon,S_Col,S_Ped]^T，其中：主操纵指令u₁映射为滚转遥控指令u_Ch1，主操纵指令u₂映射为俯仰遥控指令u_Ch2，副操纵指令u₃映射为油门遥控指令u_Ch3和总距遥控指令u_Ch6，副操纵指令u₄映射为偏航遥控指令u_Ch4，即：

其中，f_5i(),i＝1,2,3,4是遥控映射函数，可选择比例映射方式。

增稳映射，用于角速度增稳辅助遥控，操纵指令u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T被映射为U＝[u_P,u_Q,u_Col,u_R]^T或U＝[u_P,u_Q,u_Vz,u_R]^T，其中：主操纵指令u₁映射为滚转角速度指令u_P，主操纵指令u₂映射为俯仰角速度指令u_Q，副操纵指令u₃映射为油门指令u_Tho、总距指令u_Col或垂速指令u_Vz，副操纵指令u₄映射为偏航角速度指令u_R；，即：

其中，f_6i(),i＝1,2,3,4是增稳映射函数，可选择比例映射方式。

姿态映射，用于姿态增稳辅助遥控，u＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u_Mod]^T被映射为U＝[u_φ,u_θ,u_Col,u_R]^T或U＝[u_φ,u_θ,u_Vz,u_ψ]^T等，其中：主操纵指令u₁映射为滚转角指令u_φ，主操纵指令u₂映射为俯仰角指令u_θ，副操纵指令u₃映射为油门指令u_Tho、总距指令u_Col或垂速指令u_Vz，副操纵指令u₄映射为偏航角速度指令u_R或航向角指令u_ψ，即：

其中，f_7i(),i＝1,2,3,4是姿态映射函数，可选择比例映射方式；可选地，仅保留速度映射和前飞映射，可实现无人机的悬停、低速和高速飞行控制。

可选地，根据具体场景和需求，也可以仅保留速度映射、前飞映射和航线映射，可实现无人机的悬停、低速、高速和航线飞行控制。

第三步：控制指令计算模块根据飞行控制指令U＝[U₁,U₂,U₃,U₄]^T，计算得到舵机指令S＝[S_Lat,S_Lon,S_Col,S_Ped]^T用于实现无人机的自动飞行控制。其中，S_Lat表示横向操纵控制量，S_Lon表示纵向操纵控制量，S_Col表示垂向操纵控制量，S_Ped表示航向操纵控制量。

悬停映射和速度模式下，

其中，F_1i(),i＝1,2,3,4是悬停和速度控制函数，可选择PID(比例积分微分)算法；

前飞映射模式下，

或

其中，F_2i(),i＝1,2,3,4是前飞控制函数，可选择PID算法；R表示偏航角速度，φ表示无人机滚转角，θ表示无人机俯仰角，V_x表示前向速度，g为重力加速度。

航线映射模式下，

其中，F_3i(),i＝1,2,3,4是航线控制函数，可选择PID算法。

遥控映射模式下，

其中，F_4i(),i＝1,2,3,4是遥控控制函数，可选择PID算法或等比例映射。

增稳映射模式下，

其中，F_5i(),i＝1,2,3,4是增稳控制函数，可选择PID算法。P表示无人机滚转角速度，Q表示无人机俯仰角速度，R表示无人机偏航角速度，V_Z表示无人机垂向速度。

姿态映射模式下，

其中，F_6i(),i＝1,2,3,4是姿态控制函数，可选择PID算法或等比例映射。

通过模式切换部件，选择期望的飞行模式，并将对应的模式切换指令u_Mod通过无线链路发送给飞行控制单元；飞行控制单元收到模式切换指令u_Mod后，由映射重构选择对应的映射关系；根据当前映射关系，由操纵指令u₁、u₂、u₃、u₄映射重构得到对应的飞行控制指令U₁、U₂、U₃、U₄，传送给控制指令计算并据此计算舵机指令操纵无人机的飞行；同时，飞行控制单元将当前映射关系通过无线链路发给手持控制器，并通过提示装置向使用者提示当前的飞行模式。

可选地，模式切换部件以多个键组合的方式，快速选择飞行模式。

可选地，飞行控制单元通过对比无人机前向速度V_x与预设前向速度阈值V_xlim的差异，自动选择当前飞行模式，其中：

基于主副操纵部件控制器的无人机飞行控制系统及方法能够以握持方式单手操作；通过控制器的主操纵部件输入无人机的主操纵指令，通过副操纵部件输入无人机的副操纵指令，通过模式切换部件实现飞行模式的切换；通过无线链路将控制器的指令传送给无人机飞行控制单元；飞行控制单元通过映射重构得到不同飞行模式下的指令映射关系，通过控制指令计算计算舵机指令，实现无人机飞行控制。

本发明的实施方式提供的无人机控制系统通过映射模块对控制器的主操纵部件和副操纵部件的映射重构，实现了控制器操控任务的合理分配，其中，在各种飞行模式下，可以将操纵任务繁重的无人机纵向-横向控制和纵向-航向控制分配给主操纵部件；将操纵任务较轻的无人机垂向-航向和垂向-横向控制分配给副操纵部件；在航线模式下，还可进一步将主操纵部件和副操纵部件分别简化为纯纵向控制和纯垂向控制。本发明的实施方式提供的无人机控制系统的优点包括：单手操作、设置灵活、分配合理、使用便捷，能够实现对无人机尤其是微型无人机，以及其他设备的远程单手操控。

作为本发明的另一种实施方式，映射模块可以设置在控制器上。

本发明的一个实施方式提供了一种无人机控制器，包括操控模块、传输模块、映射模块和通信模块。其中，操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，其中，主操纵部件位于控制器上端，用于根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令；副操纵部件位于控制器上端、下端、前端或侧端，用于根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，模式切换部件用于根据用户的操作生成模式切换指令，其中模式切换指令包括飞行模式。传输模块用于将第一操纵指令、第二操纵指令、第三操作指令、第四操纵指令中的一个或多个以及模式切换指令传输至映射模块。映射模块用于根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将第一操纵指令、第二操纵指令、第三操作指令、第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令。通信模块用于将飞行控制指令传输至无人机。

可选地，控制器还包括提示装置，用于通过光电、声音和振动中的一种或多种向用户提示无人机当前的飞行模式。

可选地，当映射模块设置在控制器上时，传输模块可以实现为采集模块，采集模块用于检测操控模块的输入，并发送给映射模块。

以下结合图5和图6描述根据本发明的实施方式的无人机控制器的一个具体示例。

参考图5和图6，其中图5示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的框图，图6示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的功能示意图。该控制器包括操控模块、采集模块、映射模块和通信模块。

操控模块，包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，其中：主操纵部件可以位于单手控制器上端，可采用2自由度摇杆、1自由度摇杆+键盘、纯键盘等形式，用于输入主操纵指令u1和u2，主操纵部件和副操纵部件采用多种形式，便于适用不同的操纵习惯和使用场合；副操纵部件位于单手控制器上端、下端、前端或者侧端，可采用2自由度摇杆、1自由度摇杆+键盘、纯键盘等形式，用于输入副操纵指令u3和u4；模式切换部件可以由一个或多个按键或开关组成，用于设置和切换飞行模式。

可选地，模式切换部件位于主操纵部件顶端，或与主操纵部件集成一体，通过按下主操纵部件实现模式切换部件的功能。

采集模块，用于检测操控模块的输入，并发送给映射模块。采集模块可以采用比例摇杆传感器和按键传感器，例如，PS2游戏摇杆传感器。在一些实施方式中，采集模块通过实时读取主操纵部件指令u₁和u₂、副操纵部件指令u₃和u₄，以及模式切换按键的数值，从而实时检测操控模块的指令输入，并以数据形式实时发送给映射模块。

映射模块，可以包括悬停映射、前飞映射和其他映射。其中，悬停映射用于实现无人机在悬停状态和低速飞行模式下的单手操控，前飞映射用于实现无人机在高速前飞模式下的单手操控，其他映射用于实现无人机在遥控、姿态等其他飞行模式下的单手操控；悬停映射、前飞映射和其他映射的具体形式可根据使用习惯和应用场合灵活设置。在一些实施方式中，映射模块是通过在微处理器上运行预设映射算法而实现。具体映射方式根据不同飞行模式而改变。

作为本发明的实施方式，通过映射重构，使主操纵部件在悬停模式和前飞模式下，分别用于无人机的纵向-横向控制和纵向-航向控制；同时使副操纵部件在悬停模式和前飞模式下，分别用于无人机的垂向-航向和垂向-横向控制。可选地，通过映射重构，副操纵部件在前飞模式下可仅用于垂向控制。

在悬停映射形式时，主操纵指令u₁映射为侧向速度指令u_Vy，主操纵指令u₂映射为前向速度指令u_Vx，副操纵指令u₃映射为垂向速度指令u_Vz，副操纵指令u₄映射为偏航角速度指令u_R。

在前飞映射形式时，主操纵指令u₁映射为滚转角指令u_φ或转向角速度指令

主操纵指令u₂映射为前向速度指令u_Vx，副操纵指令u₃映射为垂向速度指令u_Vz或飞行高度u_Z，副操纵指令u₄映射为侧向速度指令u_Vy；为进一步简化副操纵部件的操作方式，还可在前飞映射中切除副操纵指令u4的映射关系。

可选地，在其他映射时，主操纵指令u₁映射为滚转遥控指令u_Ch1或滚转角指令u_φ，主操纵指令u₂映射为俯仰遥控指令u_Ch2或俯仰角指令u_θ，副操纵指令u₃映射为油门遥控指令u_Ch3、总距遥控指令u_Ch6、油门指令u_Tho或总距指令u_Col，副操纵指令u₄映射为偏航遥控指令u_Ch4、偏航角速度指令u_R或航向角指令

更多的映射模式在上文对无人机控制系统的实施方式中已经进行详细描述，在此不再赘述。无人机控制系统的实施方式中已经描述的所有映射模式均可应用于控制器中的映射模块的实施方式。

通过模式切换部件，选择悬停模式、前飞模式或其他模式作为当前飞行模式；映射模块根据当前飞行模式，按照所述悬停映射、前飞映射或其他映射的映射关系，由操纵指令u₁、u₂、u₃、u₄映射重构得到相应飞行控制指令U₁、U₂、U₃、U₄，并传送给通信模块；通过上述映射重构，确保主操纵部件在悬停模式和前飞模式下，分别用于无人机的纵向-横向控制和纵向-航向控制；同时确保副操纵部件在悬停模式和前飞模式下，分别用于无人机的垂向-航向和垂向-横向控制；可选地，如进一步简化，副操纵部件在前飞模式下可以仅用于垂向控制。

通信模块，用于将飞行控制指令U₁、U₂、U₃、U₄装帧后，以有线通信或无线通信的方式向无人机等设备发送出去，实现单手控制。其中通信模块可以直接将飞行控制指令传输至无人机，也可以经由第三方传输机制传输给无人机，例如，通过有线方式传输至无线发射装置，再由无线发射装置无线发送给无人机。

以下结合图7和图8描述根据本发明的实施方式的无人机控制器的一个示例的结构。其中，图7示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的顶部的斜侧视图；图8示出了根据本发明的实施方式的无人机控制器的底部的斜侧视图。如图7-8所示，控制器1000包括主操纵部件1001、副操纵部件1002和模式切换部件1003。其中，主操纵部件1001实现为2自由度操纵杆，设置在控制器的上端的上侧。副操纵部件1002实现为2自由度操纵杆，设置在控制器的下端。模式切换部件1003实现为按键，设置在主操纵部件1001的顶端。

以下结合图9描述根据本发明的实施方式的无人机控制器的另一示例的结构。图9示出了根据本发明的另一实施方式的无人机控制器的顶部的斜侧视图。如图9所示，控制器2000包括主操纵部件2001、副操纵部件2002和模式切换部件2003。其中，主操纵部件2001实现为2自由度操纵杆，设置在控制器的上端的上侧。副操纵部件2002实现为键盘，设置在控制器的上端的下侧。模式切换部件2003实现为按键，设置在主操纵部件1001的顶端。

本发明提供的主-副操纵部件映射切换无人机单手控制器，能够实现单手操纵的小型和微型无人机单手控制器，以握持方式单手操作；为了降低无人机的单手操纵难度，将主要飞行控制指令集中在主操纵部件上，将次要飞行控制指令集中在副操纵部件上；通过主操纵部件输入无人机的主操纵指令，通过副操纵部件输入无人机的副操纵指令；通过模式切换部件实现飞行模式的切换，通过映射模块得到不同飞行模式下的飞行控制指令，通过通信模块将飞行控制指令发送给无人机并实现远程控制。通过分析无人机在悬停模式和前飞模式的操纵差异，设计了基于飞行模式的映射重构方案；通过主-副操纵部件的映射重构，确保任何飞行模式下，主操纵部件都以主要操纵装置控制无人机的飞行，同时副操纵部件不会承担过多的操纵任务负担。本发明的优点在于：单手操作、设置灵活、分配合理、使用便捷，能够实现对无人机尤其是微型无人机，以及其他设备的远程单手操控。

出于示意的目的，已经给出了本发明的实施方式的前述说明，其并非是穷举性的也并非要将本发明限制为所公开的确切形式。本领域技术人员可以理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可以做出各种变化，并且可以将其中的元件替换为等同物。另外，在不偏离本发明的基本范围的情况下，可以进行很多修改以使得特定的情况或材料适应于本发明的教导。因此，本发明不试图限制于所公开的作为用于实现本发明所预期的最佳模式的特定实施方式，本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (10)

1.一种无人机控制系统，其特征在于，包括操控模块、传输模块、映射模块和控制指令计算模块，其中，所述操控模块设置在控制器上，所述控制指令计算模块设置在无人机上，

所述操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，其中，所述主操纵部件用于根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令，所述副操纵部件用于根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，所述模式切换部件用于根据用户的操作生成模式切换指令，其中所述模式切换指令用于指示所述无人机待切换到的飞行模式；

所述传输模块用于将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个以及所述模式切换指令传输至所述映射模块；

所述映射模块用于根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与所述模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令；

所述控制指令计算模块用于根据所述飞行控制指令计算舵机指令，所述舵机指令适于控制所述无人机的舵机。

2.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述映射模式包括：所述第一操纵指令和所述第二操纵指令映射为纵向-横向飞行控制指令或纵向-航向飞行控制指令，所述第三操纵指令和所述第四操纵指令映射为垂向-航向飞行控制指令或垂向-横向飞行控制指令。

3.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述模式切换指令中包含的飞行模式包括悬停模式，与所述悬停模式相对应的映射模式包括：

所述第一操纵指令映射为侧向速度指令，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令，所述第四操纵指令映射为偏航角速度指令。

4.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述飞行模式包括前飞模式，与所述前飞模式相对应的映射模式包括：

所述第一操纵指令映射为滚转角指令或转向角速度指令，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令或飞行高度指令，所述第四操纵指令映射为侧向速度指令或无映射。

5.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述飞行模式包括航线模式，与所述航线模式相对应的映射模式包括：所述第一操纵指令映射为航点切换指令，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令或飞行高度指令，所述第四操纵指令无映射。

6.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述映射模块还用于：根据预先存储的飞行模式和无人机状态信息与映射模式的对应关系确定相对应的映射模式，并且，根据所述相对应的映射模式和无人机状态信息生成飞行控制指令，

在所述飞行模式包括航线模式并且所述无人机状态信息包括所述无人机是否抵达目标航点的信息时，所述相对应的映射模式包括：所述第一操纵指令无映射，所述第二操纵指令映射为前向速度指令，所述第三操纵指令映射为垂向速度指令或飞行高度指令，所述第四操纵指令无映射，并且，所述映射模块生成航点切换指令。

7.根据权利要求1所述的无人机控制系统，其特征在于，所述映射模块设置在所述控制器或者所述无人机上。

8.一种无人机控制方法，其特征在于，所述无人机控制方法应用于无人机控制系统，所述无人机控制系统包括操控模块、传输模块、映射模块和控制指令计算模块，其中，所述操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，

所述方法包括：

通过所述主操纵部件根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令，通过所述副操纵部件根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，通过所述模式切换部件根据用户的操作生成模式切换指令，其中所述模式切换指令用于指示所述无人机待切换到的飞行模式；

通过所述传输模块将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个以及所述模式切换指令传输至所述映射模块；

通过所述映射模块根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与所述模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令；

通过所述控制指令计算模块根据所述飞行控制指令计算舵机指令，所述舵机指令适于控制所述无人机的舵机。

9.一种无人机控制器，其特征在于，包括操控模块、传输模块、映射模块和通信模块，其中，

所述操控模块包括主操纵部件、副操纵部件和模式切换部件，其中，所述主操纵部件位于所述控制器上端，用于根据用户的操作生成第一操纵指令和第二操纵指令；所述副操纵部件位于所述控制器上端、下端、前端或侧端，用于根据用户的操作生成第三操纵指令和第四操纵指令，所述模式切换部件用于根据用户的操作生成模式切换指令，其中所述模式切换指令包括飞行模式；

所述传输模块用于将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个以及所述模式切换指令传输至所述映射模块；

所述映射模块用于根据预先存储的飞行模式与映射模式之间的对应关系，确定与所述模式切换指令中包括的飞行模式相对应的映射模式，并且根据所确定的映射模式将所述第一操纵指令、所述第二操纵指令、所述第三操作指令、所述第四操纵指令中的一个或多个映射为飞行控制指令；

所述通信模块用于将所述飞行控制指令传输至所述无人机。

10.根据权利要求9所述的无人机控制器，其特征在于，所述控制器还包括提示装置，用于通过光电、声音和振动中的一种或多种向用户提示所述无人机当前的飞行模式。

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