[發明專利]一種基于U-model的四旋翼無人機控制方法

在審

• 申請號: 201911420756.0
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111258329A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 王蕊;高磊;孫輝
• 申請（專利權）人: 中國民航大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京冠和權律師事務所 11399
• 代理人: 陳國軍

本發明提供了一種基于U?model的四旋翼無人機控制方法，包括：分別建立四旋翼無人機機翼的數學模型和四旋翼無人機軌跡的動力學模型；將所述數學模型通過解耦獲得所述四旋翼無人機機翼獨立控制通道的傳遞函數，其中所述獨立通道包括：俯仰通道，翻滾通道、偏航通道和方向通道；將所述傳遞函數通過基于U?model的極點配置方法，構建所述四旋翼無人機機翼的第一控制規律；根據所述動力學模型通過解耦獲得所述四旋翼無人機機體的軌跡的驅動子函數；根據所述驅動子函數通過基于U模型的極點配置的方法，構建所述四旋翼無人機機體的第二控制規律；根據所述第一控制規律和所述第二控制規律，構建所述四旋翼無人機的復合控制規律。

技術領域

本發明涉及四旋翼無人機控制技術領域，特別涉及一種基于U-model的四旋翼無人機控制方法。

背景技術

四旋翼飛行器是無人飛行器的代表，它可搭載相應任務設備實現不同功能，已被廣泛應用于偵查打擊、毀傷評估、農情巡檢、快遞運輸、編隊表演等軍用領域。四旋翼飛行器在飛行過程中會遭受到陣風擾動、機械振動、執行器故障而軌跡偏離等各種問題，降低飛行器的飛行性能。因此，對于四旋翼無人機飛行過程中軌跡的控制和機翼的控制非常重要。現有技術中，由于四旋翼飛行器可執行的任務多種多樣，這使得它的機型種類繁多。面對不同的機型需要針對性建模之后分別設計出對應的控制器來滿足各自的性能要求，對于軌跡控制和機翼控制會通過單獨設計。因此，不同的機型控制器也是多種多樣的，導致四旋翼無人機控制器設計困難，增加了四旋翼無人機控制器的設計成本，因此對于四旋翼無人機機翼和軌跡的復合式通用控制器設計尤為重要。

發明內容

本發明提供一種基于U-model的四旋翼無人機控制方法，用以解決不同的四旋翼無人機控制器需要進行不同的設計的情況。

一種基于U-model的四旋翼無人機控制方法，包括：

分別建立四旋翼無人機機翼的數學模型和四旋翼無人機航行軌跡的動力學模型；

將所述數學模型通過解耦獲得所述四旋翼無人機機翼獨立控制通道的傳遞函數，其中，所述獨立通道包括：俯仰通道，翻滾通道、偏航通道和方向通道；

將所述傳遞函數通過基于U-model的極點配置方法，獲取所述四旋翼無人機機翼的第一控制規律，以實現對所述四旋翼無人機機翼的控制；

根據所述動力學模型通過解耦獲得所述四旋翼無人機軌跡的驅動子函數；

根據所述驅動子函數通過基于U模型的極點配置的方法，獲取所述四旋翼無人機機體的第二控制規律，以實現對所述四旋翼無人機航行軌跡的控制；

將所述第一控制規律和所述第二控制規律相結合，獲取所述四旋翼無人機的復合式閉環控制規律，實現對所述四旋翼無人機的飛行控制。

進一步地：所述分別建立四旋翼無人機機翼的數學模型和四旋翼無人機機體的動力學模型，包括以下步驟：

建立所述四旋翼無人機機翼的數學模型，包括：

獲取所述四旋翼飛行器的慣性坐標系和飛行坐標系；

提取繞所述慣性坐標系三軸旋轉的翻滾角φ、俯仰角θ和偏航角ψ；獲取所述四旋翼無人機的垂直速度控制量u₁，翻滾輸入控制量u₂，俯仰控制量u₃，偏航控制量u₄，設所述四旋翼無人機在所述慣性坐標系上的位移為I；其中，在在所述慣性坐標系的x軸上位移為I_x，y軸上位移為I_y，z軸上位移為I_z,四旋翼無人機重量為m，得到以非線性運動方程表示的數學模型：