[发明专利]用于多转子旋翼式无人驾驶飞机的高度估计器

说明书

技术领域

本申请涉及旋翼式无人驾驶飞机，例如四螺旋桨直升机等。

背景技术

这种无人驾驶飞机具有多个转子，由相应的马达驱动并以不同的方式进行控制，从而在高度和速度上操控该无人驾驶飞机。

该无人驾驶飞机的典型示例是法国巴黎的鹦鹉(Parrot SA)公司的AR.Drone，四螺旋桨直升机，装备一系列传感器(加速度计，三轴陀螺仪，高度计)、拍摄无人驾驶飞机行驶方向的场景图像的前相机、以及拍摄所飞越地形的图像的俯视相机。

WO2010/061099A2和EP2364757A1(鹦鹉公司)描述了这种无人驾驶飞机，以及通过电话或者带有触屏和集成加速度计的多媒体播放器(例如iPhone型蜂窝电话或者多媒体播放器或者iPod Touch或者iPad(美国苹果公司注册商标)型平板)对无人驾驶飞机进行操控的原理。无人驾驶飞机由用户借助设备倾斜传感器发出的信号进行操控，其中设备的倾斜运动由无人驾驶飞机复制：例如，为了使无人驾驶飞机向前运动，用户将他的设备围绕其俯仰轴倾斜，为了使无人驾驶飞机向右侧或向左侧运动，用户关于翻滚轴倾斜所述设备。这样，如果控制无人驾驶飞机从而倾斜或者向下“俯冲”(围绕俯仰轴倾斜)，它会以更高的速度向前运动，倾斜角很重要；相反，如果控制无人驾驶飞机从而“昂头”在相反方向，它的速度会逐渐地降低，然后会倒转，向后方运动，采用同样的方式，对于控制绕翻滚轴的倾斜，无人驾驶飞机斜向右侧或者左侧，导致向右侧或向左侧的横向平移上的线性位移。用户可以访问在触屏上显示出来的其它指令，尤其是“爬升/下降”(油门控制)和“右旋转/左旋转”(无人驾驶飞机绕其偏航轴的旋转)。

无人驾驶飞机还可以装有定点转换指令：当用户放开他遥控设备的所有指令时，无人驾驶飞机在定点上静止不动并且以全自动模式稳定在那里。

发明内容

本发明尤其涉及对无人驾驶飞机前进所处的高度的评估，以及涉及基于所评估高度在其前进过程中无人驾驶飞机的垂直稳定性。

如这里所使用的，“高度”表示在固定陆地系统(例如伽利略系统)中，无人驾驶飞机在垂直方向上的瞬态位置的值，其高度零点对应于起飞时无人驾驶飞机在陆地上的位置。从而该“高度”为绝对量。

无人驾驶飞机，例如上述文件中提及的AR.Drone，装有包括用于发射和接收超声的电声换能器的超声(US)遥测仪。该换能器发出几十或者几百微秒的短超声猝发，并等待经地面反射后的回波的返回。声速已知，猝发发射与回波接收分离的时间段允许估计所覆盖的声学路径长度并且评估无人驾驶飞机与反射面分离的距离。实际上，由于US传感器的波束相对较宽(通常为大约55°孔径的圆锥体)，换能器通常接收到多个回波，并且在这些回波中区分与最接近的点对应的一个。该测量以紧密间隔反复进行，通常的超声猝发再现频率为25Hz。

实现超声遥测计的这种高度估计器例如在EP2400460A1(鹦鹉)中有描述，其中它特别用于计算用于无人驾驶飞机飞越的地形的连续图像的比例因子，特别用于结合加速度计数据估计无人驾驶飞机相对于地面的水平速度。

超声遥测仪提供的结果(此后称为“距离”)在任何情况下都是相对值，相关于无人驾驶飞机所飞越地形的地貌。实际上，测量的距离与高度(在上文所示的含义内)不同，特别当无人驾驶飞机在障碍物上方通过时，例如，它在等高处飞过桌子或者墙壁：对于飞越期间，超声遥测仪所测量的距离会突然减少，而高度并没有变化。

如果仅仅使用遥测仪指示，那么当仅仅期望将高度保持为稳定值时，风险是使无人驾驶飞机进行本无意进行的“地形跟随”，特别是在不平坦的地势上。本发明的目的在于解决由此现象导致的多个问题，以及针对超声遥测传感器的其它缺点。这种传感器具有如下特征：

-产生的测量值仅仅是高度(遥感勘测，距离测量)的相对测量值；

-实际情况中，由于地面反射的多个回波、或多或少的反射地形以及信号经常消失(例如当无人驾驶飞机飞越吸收地形(灌木丛等)时)，测量会充满噪声，；

-范围有限，在上述文件中描述的AR.Drone的情况下大约为6m，超过该值时遥测信号会突然消失；

-另一方面，测量会非常快，在高频(通常是25Hz)下反复测量，其精确度很高，从几十厘米到几米的测量范围上达到几厘米的量级。

为了弥补这些缺陷，结合遥测传感器，可以使用另一类型的传感器，即压强传感器或者气压传感器。

气压传感器用于测量飞行期间的压强变化，该变化与高度的变化相关。因此可能通过对从起飞时的零高度以来的变化进行积分以获得绝对高度测量值。