[發(fā)明專利]基于頻域辨識的多旋翼無人機(jī)建模方法

在審

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• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN113138602A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋韜;李亮;王江;張福彪;葉建川;郭凱陽;于懌男
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京康思博達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11426
• 代理人: 劉冬梅;范國鋒

本發(fā)明公開了一種基于頻域辨識的多旋翼無人機(jī)建模方法，該方法中通過人工提供輸入信號來指揮旋翼無人機(jī)飛行，進(jìn)而獲得對應(yīng)的輸出信息，在對輸入輸出信息做卡爾曼濾波處理后，解算得到頻率響應(yīng)對，再通過各個(gè)參數(shù)的不確定性和不靈敏度判斷該參數(shù)的影響程度，最終將影響較小的參數(shù)設(shè)置為0，將影響較大的參數(shù)保留在原始狀態(tài)空間矩陣中，進(jìn)而得到最終的多旋翼無人機(jī)的動力學(xué)模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人機(jī)建模分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于頻域辨識的多旋翼無人機(jī)建模方法。

背景技術(shù)

當(dāng)前時(shí)代，無人飛行器行業(yè)發(fā)展迅速，無人機(jī)平臺在軍、民用場景下均有十分廣泛的用途。一方面，無人機(jī)應(yīng)用于航拍、電力線巡航、森林消防和遙感測繪等，復(fù)雜而變化迅速的應(yīng)用場景對無人機(jī)的飛行性能有著極高要求，為了提高無人機(jī)飛行性能，使其能高效迅速完成各種任務(wù)，對無人機(jī)精確的建模分析十分重要；另一方面，無人機(jī)在傳統(tǒng)方法在開發(fā)效率、建模精度和控制器性能方面難以滿足未來需求，也急需更高效、更準(zhǔn)確的無人機(jī)建模方法。

多旋翼無人機(jī)體積、重量相對較小，有別于大型固定翼飛機(jī)和直升機(jī)，并且四旋翼無人機(jī)模態(tài)變化迅速，傳統(tǒng)對固定翼飛機(jī)和直升機(jī)建模的方法難以應(yīng)用于四旋翼無人機(jī)。

國內(nèi)外的一些研究也都只對多旋翼無人機(jī)懸停下的狀態(tài)進(jìn)行了建模研究，但無人機(jī)前飛狀態(tài)和懸停狀態(tài)差距很大，以此設(shè)計(jì)的控制器難以滿足要求，因此急需提出新的方法對多旋翼懸停和前飛進(jìn)行更完整的建模。

系統(tǒng)辨識的方法作為與風(fēng)洞試驗(yàn)方法、物理機(jī)理建模的方法相提并論的三大飛行器建模方法之一，正在越來越受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。這種方法尤其適合于需要快速研制與開發(fā)的無人機(jī)平臺。其原因在于開展辨識實(shí)驗(yàn)相對容易，省時(shí)省力，快速便捷；其次，辨識結(jié)果基于飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的模型更為準(zhǔn)確，更具有工程價(jià)值，所以目前亟需一種能夠針對前飛狀態(tài)的多旋翼無人機(jī)進(jìn)行建模分析的方法。

由于上述原因，本發(fā)明人對現(xiàn)有的多旋翼無人機(jī)建模方法做了深入分析，以期待設(shè)計(jì)出一種能夠解決上述問題的新的多旋翼無人機(jī)建模方法。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了銳意研究，設(shè)計(jì)出一種基于頻域辨識的多旋翼無人機(jī)建模方法，該方法中通過人工提供輸入信號來指揮旋翼無人機(jī)飛行，進(jìn)而獲得對應(yīng)的輸出信息，在對輸入輸出信息做卡爾曼濾波處理后，解算得到頻率響應(yīng)對，再通過各個(gè)參數(shù)的不確定性和不靈敏度判斷該參數(shù)的影響程度，最終將影響較小的參數(shù)設(shè)置為0，將影響較大的參數(shù)保留在原始狀態(tài)空間矩陣中，進(jìn)而得到最終的多旋翼無人機(jī)的動力學(xué)模型，從而完成本發(fā)明。

具體來說，本發(fā)明的目的在于提供一種基于頻域辨識的多旋翼無人機(jī)建模方法，該方法包括如下步驟：

步驟1，為待建模的多旋翼無人機(jī)提供輸入信號，該待建模的多旋翼無人機(jī)按照該輸入信號飛行，獲得無人機(jī)的輸出信息；

步驟2，對輸入信號和輸出信息做卡爾曼濾波處理，得到運(yùn)動學(xué)一致的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，

步驟3，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)獲得輸入輸出頻率響應(yīng)對；

步驟4，通過最小代價(jià)函數(shù)J獲得最佳傳遞函數(shù)；

步驟5，解算各個(gè)參數(shù)的不確定性和不靈敏度，并將不確定性和不靈敏度滿足特定條件的參數(shù)標(biāo)記為有益參數(shù)，其余參數(shù)設(shè)置為零；

步驟6，根據(jù)有益參數(shù)得到多旋翼無人機(jī)的動力學(xué)模型。

其中，步驟1中的輸入信號為多旋翼無人機(jī)的控制指令，包括無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)輸入、俯仰輸入、偏航輸入、高度軸輸入，四軸輸入對應(yīng)控制無人機(jī)四軸的運(yùn)動，從而控制無人機(jī)飛行。

其中，在所述待建模的多旋翼無人機(jī)上設(shè)置有傳感器和存儲芯片，所述傳感器在無人機(jī)飛行過程中實(shí)時(shí)探測獲得無人機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，并將之存儲在所述存儲芯片中。