[發(fā)明專利]一種空間六自由度獨(dú)立可控四旋翼無(wú)人飛行器及其控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710046123.2
• 申請(qǐng)日: 2017-01-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106892094B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋彥國(guó);王煥瑾;陳忠俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B64C27/08
• 分類號(hào): B64C27/08;B64C27/14;B64C27/59
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔;徐曉鷺

1.一種空間六自由度獨(dú)立可控四旋翼無(wú)人飛行器的控制方法，其特征在于：該方法基于一種空間六自由度獨(dú)立可控四旋翼無(wú)人飛行器，所述飛行器包括機(jī)身(5)、機(jī)臂(2)、控制器(7)、起落架(3)，所述機(jī)臂(2)呈十字形對(duì)稱分布在所述機(jī)身(5)上，每條機(jī)臂(2)的末端設(shè)有旋翼短艙系統(tǒng)，所述旋翼短艙系統(tǒng)包括前旋翼短艙系統(tǒng)(1)、后旋翼短艙系統(tǒng)(6)、左旋翼短艙系統(tǒng)(4)、右旋翼短艙系統(tǒng)(8)；

旋翼短艙系統(tǒng)由電機(jī)(16)、變速器(17)，旋翼軸(23)，舵機(jī)(14)、槳轂(9)、自動(dòng)傾斜器(13)以及上拉桿(12)、下拉桿(21)等組成；所述槳轂(9)為中心鉸式；所述電機(jī)(16)通過(guò)變速器(17)驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)；每套旋翼短艙系統(tǒng)設(shè)有至少三個(gè)所述舵機(jī)(14)，每個(gè)舵機(jī)通過(guò)下拉桿(21)與自動(dòng)傾斜器(13)相連，實(shí)現(xiàn)所述自動(dòng)傾斜器(13)的三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，包括沿旋翼軸上下運(yùn)動(dòng)，左右傾斜、前后傾斜，所述自動(dòng)傾斜器(13)的三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋翼的三個(gè)自由度操縱運(yùn)動(dòng)，包括總距、縱向周期變距、橫向周期變距；所有旋翼的三個(gè)自由度操縱運(yùn)動(dòng)和電機(jī)轉(zhuǎn)速由所述控制器(7)控制，實(shí)現(xiàn)所有旋翼的操縱運(yùn)動(dòng)自由度、轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)自由度的組合、協(xié)調(diào)；

該四旋翼無(wú)人飛行器采用空間六自由度多變量解耦控制算法，將飛行器空間六自由度輸入信號(hào)變換為12個(gè)所述舵機(jī)(14)的運(yùn)動(dòng)指令和4個(gè)所述電機(jī)(16)的轉(zhuǎn)速指令，并通過(guò)旋翼的操縱運(yùn)動(dòng)自由度、轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行組合、協(xié)調(diào)，使飛行器完全跟蹤空間六自由度輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)飛行器的空間六自由度解耦控制；

其中所述空間六自由度多變量解耦控制算法的具體步驟為：

步驟1：建立全量實(shí)時(shí)非線性飛行動(dòng)力學(xué)模型；

步驟2：將六自由度期望輸入信號(hào)作為全量實(shí)時(shí)非線性飛行動(dòng)力學(xué)模型的輸入，對(duì)飛行動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行配平計(jì)算；

步驟3：通過(guò)配平計(jì)算結(jié)果獲得四套旋翼操縱自由度、轉(zhuǎn)速自由度的組合協(xié)調(diào)關(guān)系，從而確定單套旋翼短艙系統(tǒng)的三個(gè)操縱自由度和一個(gè)轉(zhuǎn)速自由度；

步驟4：根據(jù)舵機(jī)(14)與自動(dòng)傾斜器(13)的相對(duì)位置，建立舵機(jī)搖臂(15)與單個(gè)旋翼操縱自由度的運(yùn)動(dòng)關(guān)系方程以及電機(jī)轉(zhuǎn)速與旋翼轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系；

步驟5：根據(jù)以上的關(guān)系方程，計(jì)算得到單個(gè)舵機(jī)的控制指令和單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速；

所述建立的全量實(shí)時(shí)非線性空間六自由度獨(dú)立可控四旋翼無(wú)人飛行器飛行動(dòng)力學(xué)模型形式為：

式中，t為時(shí)間，X＝[u,v,w,p,q,r,φ,θ,ψ]^T，為飛行器狀態(tài)向量，其中u，v，w為飛行器體軸系下的線速度分量，p，q，r為體軸系下的角速率分量，θ，ψ為歐拉角；

為飛行器輸入矩陣，每行由三個(gè)操縱自由度和一個(gè)轉(zhuǎn)速自由度組成，其中R表示旋翼，D表示運(yùn)動(dòng)自由度，R_iD_j表示第i個(gè)旋翼的第j個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，i,j＝1,2,3,4，D₁、D₂、D₃分別為總距自由度、縱向周期變距自由度、橫向周期變距自由度，D₄為電機(jī)轉(zhuǎn)速自由度；

所述配平計(jì)算方法為求解非線性方程組：

f(X₀,U₀)＝0

得到四套旋翼短艙系統(tǒng)的操縱自由度和轉(zhuǎn)速自由度的組合協(xié)調(diào)關(guān)系，即U₀；

所述舵機(jī)搖臂(15)與單個(gè)旋翼操縱自由度的運(yùn)動(dòng)關(guān)系方程、電機(jī)轉(zhuǎn)速與旋翼轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系方程為：

式中，S_i1，S_i2，S_i3分別表示第i個(gè)旋翼短艙系統(tǒng)中的三個(gè)舵機(jī)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，i＝1,2,3,4，f₁，f₂，f₃分別為總距、縱向周期變距、橫向周期變距與三個(gè)舵機(jī)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度的機(jī)械傳動(dòng)關(guān)系函數(shù)；Ω_Ri為第i個(gè)旋翼短艙系統(tǒng)中的旋翼轉(zhuǎn)速，i＝1,2,3,4，k為旋翼與電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比；所述旋翼操縱自由度的多種飛行器操縱協(xié)調(diào)關(guān)系，包括總距同步、總距差動(dòng)、橫向周期變距同步、橫向周期變距差動(dòng)、縱向周期變距同步、縱向周期變距差動(dòng)，其中：

在執(zhí)行總距同步操縱時(shí)，對(duì)應(yīng)舵機(jī)搖臂(15)通過(guò)下拉桿(21)使所述自動(dòng)傾斜器(13)同時(shí)上下平動(dòng)相同位移量，使對(duì)應(yīng)旋翼有相同的總距大小，產(chǎn)生相同大小的拉力；

在執(zhí)行總距差動(dòng)操縱時(shí)，對(duì)應(yīng)舵機(jī)搖臂(15)通過(guò)下拉桿(21)使所述自動(dòng)傾斜器(13)上下平動(dòng)不同位移量，使對(duì)應(yīng)旋翼有不同的總距大小，產(chǎn)生不同大小的拉力；

在執(zhí)行橫向周期變距同步操縱時(shí)，對(duì)應(yīng)舵機(jī)搖臂(15)通過(guò)下拉桿(21)使所述自動(dòng)傾斜器(13)同時(shí)傾斜，使對(duì)應(yīng)旋翼產(chǎn)生相同的橫向周期變距，對(duì)應(yīng)槳盤(pán)產(chǎn)生相同的側(cè)倒；

在執(zhí)行橫向周期變距差動(dòng)操縱時(shí)，對(duì)應(yīng)舵機(jī)搖臂(15)通過(guò)下拉桿(21)使所述自動(dòng)傾斜器(13)傾斜不同角度，使對(duì)應(yīng)旋翼產(chǎn)生不同的橫向周期變距，對(duì)應(yīng)槳盤(pán)產(chǎn)生不同的側(cè)倒；

在執(zhí)行縱向周期變距同步操縱時(shí)，對(duì)應(yīng)舵機(jī)搖臂(15)通過(guò)下拉桿(21)使所述自動(dòng)傾斜器(13)同時(shí)傾斜，使對(duì)應(yīng)旋翼產(chǎn)生相同的縱向周期變距，對(duì)應(yīng)槳盤(pán)產(chǎn)生相同的前倒或后倒；

在執(zhí)行縱向周期變距差動(dòng)操縱時(shí)，對(duì)應(yīng)舵機(jī)搖臂(15)通過(guò)下拉桿(21)使所述自動(dòng)傾斜器(13)傾斜不同角度，使對(duì)應(yīng)旋翼產(chǎn)生不同的縱向周期變距，對(duì)應(yīng)槳盤(pán)產(chǎn)生不同的前倒或后倒。