[發(fā)明專利]基于混合控制的四旋翼無(wú)人機(jī)增穩(wěn)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210424807.9
• 申請(qǐng)日: 2012-10-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102915037A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李國(guó)棟;劉琳;吳華;宋志立;羅晗;宋志新;李小龍;黃琳華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/10
• 分類號(hào): G05D1/10
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于混合控制的四旋翼無(wú)人機(jī)增穩(wěn)控制方法。

背景技術(shù)

四旋翼無(wú)人機(jī)是一種能夠垂直起降的、多旋翼式的新型無(wú)人飛行器。與常規(guī)旋翼式飛行器相比，四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，能夠產(chǎn)生更大升力，具有操控方便、機(jī)動(dòng)靈活、噪音小、隱蔽性好等特點(diǎn)，無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

但是由于大部分四旋翼無(wú)人機(jī)體積小、重量輕，因此在飛行時(shí)信噪比較大。并且該種無(wú)人機(jī)是一個(gè)具有六個(gè)自由度，而只有四個(gè)控制輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合和抗干擾能力弱的特性，因此使得飛行控制器設(shè)計(jì)變得非常困難。目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)以上問(wèn)題設(shè)計(jì)的單一飛行控制器大多只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部無(wú)風(fēng)環(huán)境下飛行，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室外或?qū)嶋H工程中的復(fù)雜環(huán)境，尚沒(méi)有一種控制器可以支持不同環(huán)境下的穩(wěn)定飛行。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種四旋翼無(wú)人機(jī)增穩(wěn)混合控制方法，它應(yīng)用混合控制的思想，將三個(gè)PID控制器和一個(gè)信號(hào)發(fā)生器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)在起降、有風(fēng)情況下切換相應(yīng)的控制器，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度達(dá)到增穩(wěn)的目的。并且當(dāng)無(wú)人機(jī)失控時(shí)，信號(hào)發(fā)生器可激活失控保護(hù)裝置，避免無(wú)人機(jī)墜毀。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提出一種基于混合控制的四旋翼無(wú)人機(jī)增穩(wěn)控制方法，用以解決目前設(shè)計(jì)的四旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)法在復(fù)雜條件下穩(wěn)定飛行的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種基于混合控制的四旋翼無(wú)人機(jī)增穩(wěn)控制方法，其特征是所示方法包括：

步驟1：設(shè)定四旋翼無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)變量并選取狀態(tài)切換參數(shù)；

所述四旋翼無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)變量包括：四旋翼無(wú)人機(jī)的經(jīng)度x、緯度y、高度z、滾轉(zhuǎn)角φ、俯仰角θ和偏航角ψ；

所述四旋翼無(wú)人機(jī)狀態(tài)切換參數(shù)包括：四旋翼無(wú)人機(jī)的高度z、滾轉(zhuǎn)角φ和俯仰角θ；

步驟2：設(shè)定四旋翼無(wú)人機(jī)的狀態(tài)切換參數(shù)值，其中包括：高度切換值z(mì)_T、滾轉(zhuǎn)角切換值φ_T、俯仰角切換值θ_T、滾轉(zhuǎn)角臨界值φ_max和俯仰角臨界值θ_max；

步驟3：設(shè)定離散狀態(tài)集合包括元素：起降飛行狀態(tài)、正常飛行狀態(tài)、增穩(wěn)飛行狀態(tài)和失控保護(hù)狀態(tài)；

步驟4：設(shè)定離散狀態(tài)遷移過(guò)程和其對(duì)應(yīng)的離散事件集合；其中，所述離散狀態(tài)遷移過(guò)程包括：起降飛行狀態(tài)遷移至正常飛行狀態(tài)、起降飛行狀態(tài)遷移至增穩(wěn)飛行狀態(tài)、正常飛行狀態(tài)遷移至起降飛行狀態(tài)、正常飛行狀態(tài)遷移至增穩(wěn)飛行狀態(tài)、正常飛行狀態(tài)遷移至失控保護(hù)狀態(tài)、增穩(wěn)飛行狀態(tài)遷移至起降飛行狀態(tài)、增穩(wěn)飛行狀態(tài)遷移至正常飛行狀態(tài)和增穩(wěn)飛行狀態(tài)變遷移至失控保護(hù)狀態(tài)；所述離散事件集合為離散狀態(tài)遷移過(guò)程所對(duì)應(yīng)的事件組成的集合；

步驟5：設(shè)定四旋翼無(wú)人機(jī)離散狀態(tài)遷移條件，包括：

當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)的高度z≤z_T時(shí)，四旋翼無(wú)人機(jī)處于起降飛行狀態(tài)；

當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)的高度z＞z_T并且滾轉(zhuǎn)角0≤φ≤φ_T或者俯仰角0≤θ≤θ_T時(shí)，四旋翼無(wú)人機(jī)遷移至平穩(wěn)飛行狀態(tài)；

當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)的高度z＞z_T并且滾轉(zhuǎn)角φ＞φ_max或者俯仰角θ＞θ_max時(shí)，四旋翼無(wú)人機(jī)遷移至失控保護(hù)狀態(tài)；

當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)的高度z＞z_T并且滾轉(zhuǎn)角φ_T＜φ≤φ_max或者俯仰角θ_T≤θ≤θ_max時(shí)，四旋翼無(wú)人機(jī)遷移至增穩(wěn)飛行狀態(tài)；

步驟6：判斷四旋翼無(wú)人機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)處于起降飛行狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行步驟7；當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)遷移至平穩(wěn)飛行狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行步驟8；當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)遷移至增穩(wěn)飛行狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行步驟9；當(dāng)四旋翼無(wú)人機(jī)遷移至失控保護(hù)狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行步驟10；

步驟7：設(shè)計(jì)起降控制器，對(duì)起降控制器進(jìn)行PID參數(shù)整定，使系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于第一設(shè)定值；

步驟8：設(shè)計(jì)平穩(wěn)控制器，對(duì)平穩(wěn)控制器進(jìn)行PID參數(shù)整定，使系統(tǒng)超調(diào)量小于第二設(shè)定值；

步驟9：設(shè)計(jì)增穩(wěn)控制器，對(duì)增穩(wěn)控制器進(jìn)行PID參數(shù)整定，使系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于第三設(shè)定值；

步驟10：設(shè)計(jì)失控保護(hù)裝置，將四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制器輸出與信號(hào)發(fā)生器連接，信號(hào)發(fā)生器輸出連接降落傘彈出裝置。

所述對(duì)起降控制器進(jìn)行PID參數(shù)整定具體是，設(shè)定比例系數(shù)，微分時(shí)間常數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)。