[发明专利]用于无人机的高度估计器

说明书

技术领域

本发明涉及无人机，尤其是诸如四旋翼直升机之类的旋翼无人机和固定翼无人机。

背景技术

固定翼无人机具有由至少一个相应马达驱动的至少一个旋翼。

旋翼无人机配备有由相应马达驱动的多个旋翼，这些马达可按不同的方式来被控制以在姿态和速度方面操纵无人机。

这样的无人机的典型示例是法国巴黎的Parrot SA的AR.Drone、Bebop Drone或Bebop 2，这是配备有一系列传感器(加速度计、3轴陀螺仪、高度计)、捕捉该无人机所朝向的场景的图像的前置相机、以及捕捉飞过地面的图像的俯视相机的四旋翼直升机。

WO 2010/061099 A2和EP2364757 A1(Parrot SA)描述了这样的无人机以及通过具有集成加速度计的触摸屏多媒体电话或媒体播放器(例如，iPhone型蜂窝电话或者iPod Touch或iPad型多媒体播放器或平板(美国Apple公司的注册商标)来操纵它的原理。该无人机由用户通过由设备倾斜传感器所发射的信号来操纵，该倾斜被无人机重复：例如，为使无人机前进，用户将他的设备绕其俯仰轴倾斜，并且为使无人机向右或向左移动，他将这一装置相对于其滚转轴倾斜。以此方式，如果无人机被控制以下倾或“俯冲”(根据俯仰角来倾斜)，它将以倾角越大则越高的速度前进；相反，如果它被控制以在相对方向上“爬升”，其速度将渐进地减缓，随后将反转，从而向后行进。以相同的方式，为控制绕滚转轴的倾斜，无人机将向右或向左倾斜，从而造成向右或向左的水平平移的线性位移。

用户具有供其支配的其他命令，这些命令被显示在触摸屏上，尤其是“上移/下移”(扼流控制)和“右转/左转”(无人机绕其偏航轴旋转)。

本发明更具体地涉及评估无人机的飞行高度。

如本文所使用的，词语“高度”意指在诸如伽利略参考系等固定陆地参考系(其高度零对应于无人机在地面上的位置)中考虑的无人机在垂直方向上的即时位置值。这一“高度”因此是绝对量值。

诸如在上述文档中描述的AR.Drone等无人机具有超声测距仪(也称为US传感器)，包括用于发射和接收超声的电声换能器。这一换能器发射几十或几百微秒的短超声猝发，随后等待到地面的反射之后发回声学回声返回。将猝发发射与回声接收分开的时段使得可能(声音的速度是已知的)估计所行进的声学路径的长度，并从而估计将无人机与反射表面分开的距离。实际上，在US传感器的声束相当宽(通常是开口角约55°的锥体)的限度内，换能器最常接收多种回声，并且区分这些回声中的哪一些对应于最接近点。在密集区间迭代这一测量，使用25Hz的典型超声猝发重现频率。

实现超声测距仪的这样的高度估计器例如在EP2400460A1(Parrot SA)中描述，其中它尤其被用来计算要应用于无人机所飞过的地形的连贯图像的比例因子，尤其用于考虑无人机相对于地面的水平速度，与加速度计数据相组合。

在任何情况下，超声测距仪所提供的结果(此后称为“距离”)是相对量值，无人机所飞过的地形的地貌的函数。的确，测得的距离可能不同于高度(在上文指示的意义内)，尤其是当无人机越过障碍(例如，如果它以恒定高度飞过桌子或墙壁)的情况发生时：对于这一飞行历时，超声测距仪测得的距离将突减，甚至在高度没有改变时。

在只需将高度维持在稳定值时，如果只考虑测距仪的指示，则有使无人机执行“地形跟随”的风险，这不是所寻求的目标，尤其是不平地形。

本发明涉及解决因这一现象造成的某一数目的问题以及超声测距传感器特有的其他缺陷。

这些传感器具有以下特性：

所产生的测量只是高度的相对测量(测距、距离测量)；

在实际情形中，由于地面反射的多个回声、较大或较少反射率的地形以及频繁信号消失(例如，在无人机飞过吸收性地形(灌木……)时)，测量是有很多噪声的；

距离是受限的，在上述文档中描述的AR.Drone的情况下是约6m，并且超过这一值，测距信号突然消失；

另一方面，测量是非常快的，它可能以高频率(通常25Hz)来迭代，并且它的准确度是极好的，在范围从几十厘米到几米的测量尺度上是几厘米的量级。

为补偿这些缺陷，可能与测距传感器相组合地使用另一类型的传感器，即压力传感器或气压传感器，如在EP2644240A1(Parrot SA)中描述的。

气压传感器允许测量飞行期间的压力变化，这样的变化被相关到高度变化。因此，通过整合始自起飞时的高度零的这些变化，获得高度的绝对测量是可能的。

气压传感器具有以下特性：