[發明專利]基于網絡控制的四旋翼飛行器控制方法

在審

• 申請號: 201810275951.8
• 申請日: 2018-03-30
• 公開（公告）號: CN108427430A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 李濤;章櫟;李志鵬;鄧金
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于網絡控制的四旋翼飛行器控制方法，用于解決四旋翼飛行器控制中存在時延的技術問題，首先將四旋翼飛行器模型分解為位置子系統和姿態子系統，同時針對通信時延對姿態子系統穩定性的影響，提出時延補償方案，并利用Truetime工具箱建立時延補償方案的系統模型，并對提出的方案進行驗證。通過仿真驗證，將網絡控制運用到通信時延下的四旋翼飛控系統上具有一定的可行性和有效性。

技術領域

本發明涉及一種四旋翼飛行器控制方法，尤其涉及一種基于網絡控制的四旋翼飛行器控制方法。

背景技術

在無人機領域，四旋翼飛行器具有可懸停、造價低廉、體積小、可低空飛行、噪聲低、控制靈活等優點。因此在軍事和民用上都有廣泛應用，如：噴灑農藥、航空拍攝、安全巡邏、交通監管、地震救援等等。

由于飛行器的操控人員無法在機體上監控飛行器的狀態，因此只能在地面上監測飛行器的飛行狀態并控制其飛行任務，地面站通過建立雙向通信鏈路，來負責監測飛行器的各種飛行數據和飛行狀態，同時還為地面人員提供指令輸入接口，讓操控人員可以發送各種指令數據給飛行器。用于采集地面或周圍數據的飛行器會碰到各式各樣復雜的環境，此時參數會隨之發生變化，還會產生對飛行器與地面站通信造成干擾的問題，這些因素都或多或少地降低了飛行器的飛行穩定性。

四旋翼飛行器和地面站之間是通過無線信號進行通信的，無線信號的強弱直接影響了四旋翼飛行器系統定位的準確性，由于無線信號在空氣中傳播是有損耗的，而且各種障礙物會對無線信號造成反射、折射現象，這使得整個系統中不可避免的存在通信時延，而四旋翼無人機對實時性要求很高，為了對四旋翼飛行器進行準確的運動控制，無時延的姿態控制是必要的。要實現對四旋翼飛行器準確的位姿估計，就要補償系統中各種不同時長的通訊時延。在現有方法中很少考慮四旋翼飛行器在多種工作環境下與地面站的通訊時延問題，這導致無人機在遠距離控制和執行任務時很難實現。

發明內容

發明目的：針對以上問題，本發明提出一種基于網絡控制的四旋翼飛行器控制方法，用于解決四旋翼飛行器控制中存在時延的技術問題。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種基于網絡控制的四旋翼飛行器控制方法，包括步驟：

(1)建立四旋翼飛行器的動力學模型；

(2)解耦成姿態子系統和位置子系統，對子系統的各個通道設計狀態空間模型；

(3)每個狀態空間模型構造具有通信時延情況的狀態反饋控制器；

(4)構造事件觸發機制，包括滿足該事件觸發機制時，對控制器中觸發時刻進行更新；

(5)求解事件觸發機制在通信時延下實現穩定控制的充分條件；

(6)構造滿足充分條件的狀態反饋增益矩陣；

(7)搭建基于TrueTime工具箱的網絡控制系統模型。

所述步驟(1)中，動力學模型為：

其中，x,y,z表示地面坐標系中的坐標值；φ,θ,ψ分別表示橫滾角、俯仰角、偏航角；u_th,u_φ,u_θ,u_ψ分別表示垂直、橫滾、俯仰、偏航方向上的虛擬控制輸入量；g表示重力引起的加速度；m表示四旋翼飛行器的質量；I_xx,I_yy,I_zz分別表示橫滾軸、俯仰軸、偏航軸的慣性轉動慣量；K_t,K_m分別表示升力系數、阻力系數；l表示四旋翼臂長。

所述步驟(3)中，具有通信時延的狀態反饋控制器為：

u(t)＝Kx(t),K＜0