[發(fā)明專(zhuān)利]一種考慮電機(jī)飽和的高機(jī)動(dòng)微型無(wú)人機(jī)控制分配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110048413.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112904876B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡志浩;孫幫樂(lè);趙江;王英勛;李欣
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/08
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京航智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

1.一種考慮電機(jī)飽和的高機(jī)動(dòng)微型無(wú)人機(jī)控制分配方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)飛行環(huán)境以及任務(wù)目標(biāo)劃分微型無(wú)人機(jī)的飛行模式，并分析各飛行模式的特點(diǎn)；

步驟2：根據(jù)各飛行模式的特點(diǎn)，確定各飛行模式的控制分配方程并設(shè)置各飛行模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)；

步驟3：根據(jù)確定的控制分配方程解算各飛行模式對(duì)應(yīng)的電機(jī)拉力，同時(shí)根據(jù)控制輸入優(yōu)先級(jí)，制定各飛行模式對(duì)應(yīng)的電機(jī)防飽和法；

步驟4：設(shè)定飛行狀態(tài)，使得微型無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)能夠在不同的電機(jī)防止飽和方法中無(wú)縫切換，保證微型四旋翼在高機(jī)動(dòng)飛行時(shí)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的魯棒性；

步驟1中，將微型無(wú)人機(jī)的飛行模式劃分為巡航模式、搜索模式和跟蹤模式三種模式中的一種或多種；

各飛行模式特點(diǎn)如下：

巡航模式的模式特點(diǎn)：起飛后，微型無(wú)人機(jī)進(jìn)入預(yù)定航線，并沿指定飛行航線直至目標(biāo)附近；此模式下應(yīng)首先保證位置跟蹤上的準(zhǔn)確性；

搜索模式的模式特點(diǎn)：微型無(wú)人機(jī)到達(dá)目標(biāo)所在區(qū)域后進(jìn)入搜索模式；此模式下應(yīng)首先保證姿態(tài)跟蹤的準(zhǔn)確性；

跟蹤模式的模式特點(diǎn):微型無(wú)人機(jī)搜索到目標(biāo)后，要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤以進(jìn)行下一步的軍事任務(wù)，所以必須對(duì)目標(biāo)進(jìn)行鎖定；此模式下需要對(duì)微型無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)做出修改以減少偏航和目標(biāo)跟蹤誤差；

步驟2中，確定各飛行模式的控制分配方程具體過(guò)程為：

巡航模式和搜索模式的控制分配方程均為：

其中，u為微型無(wú)人機(jī)的控制輸入；F為微型無(wú)人機(jī)的拉力輸入；τ_x,τ_y,τ_z分別為微型無(wú)人機(jī)在各機(jī)體軸上的滾轉(zhuǎn)力矩輸入、俯仰力矩輸入以及偏航力矩輸入；k是電機(jī)反扭力矩拉力系數(shù)；d為微型無(wú)人機(jī)的質(zhì)心至每個(gè)電機(jī)重心的距離；f₁，f₂，f₃，f₄分別為四個(gè)電機(jī)的拉力；

在追蹤模式下對(duì)于偏航控制要求較高，電機(jī)反扭力矩拉力系數(shù)k不再是一個(gè)固定常數(shù)，因此追蹤模式的控制分配方程為：

其中，k_i，i＝1,2,3,4，是第i個(gè)電機(jī)的電機(jī)反扭力矩拉力系數(shù)；

其中，u_i∈[-1,1]是第i個(gè)電機(jī)輸入，f_i,τ_i，i＝1,2,3,4，分別是第i個(gè)電機(jī)的拉力和反扭力矩，分別是電機(jī)拉力系數(shù)和電機(jī)反扭矩系數(shù)；

步驟2中，設(shè)置各飛行模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)如下：

設(shè)置巡航模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)為：拉力輸入偏航力矩輸入；

設(shè)置搜索模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)為：俯仰、滾轉(zhuǎn)力矩輸入偏航力矩輸入；

設(shè)置跟蹤模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)為：偏航力矩輸入俯仰、滾轉(zhuǎn)力矩輸入；

步驟3中具體過(guò)程為：

1)巡航模式

根據(jù)微型無(wú)人機(jī)巡航模式的控制分配方程反解出每個(gè)電機(jī)的拉力：

其中，F(xiàn)_des是期望拉力輸入，τ_x,des,τ_y,des,τ_z,des分別為微型無(wú)人機(jī)在各機(jī)體軸上的期望滾轉(zhuǎn)力矩、期望俯仰力矩和期望偏航力矩；當(dāng)拉力f_i不在[f_min,f_max]內(nèi)時(shí)，則電機(jī)存在飽和，其中，f_min,f_max分別為單個(gè)電機(jī)的最大拉力設(shè)定值和最小拉力設(shè)定值；

根據(jù)步驟2中設(shè)置的巡航模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生飽和時(shí)，通過(guò)消減最違反拉力界限的電機(jī)的拉力以減少偏航力矩，使偏航力矩小于最大偏航力矩設(shè)定值；

2)搜索模式

根據(jù)微型無(wú)人機(jī)搜索模式的控制分配方程(1)反解出每個(gè)電機(jī)的拉力：

當(dāng)拉力f_i不在[f_min,f_max]內(nèi)時(shí)，則電機(jī)存在飽和，根據(jù)步驟2中設(shè)置的搜索模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生飽和時(shí)，通過(guò)消減最違反拉力界限的電機(jī)的拉力以減少偏航力矩，使偏航力矩小于最大偏航力矩設(shè)定值；如果消減拉力之后依然存在電機(jī)飽和，則消減期望拉力輸入，即：

F_des＝F_max

其中，F(xiàn)_max拉力輸入最大值；

3)追蹤模式

根據(jù)微型無(wú)人機(jī)追蹤模式的控制分配方程，通過(guò)迭代反解電機(jī)拉力；

當(dāng)?shù)龅碾姍C(jī)拉力f_i不在[f_min,f_max]內(nèi)，則電機(jī)存在飽和；根據(jù)步驟2中設(shè)置的跟蹤模式的控制輸入優(yōu)先級(jí)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生飽和時(shí)，通過(guò)消減最違反拉力界限的電機(jī)的拉力以減少滾轉(zhuǎn)力矩或俯仰力矩，使?jié)L轉(zhuǎn)力矩小于滾轉(zhuǎn)力矩的最大設(shè)定值或者使俯仰力矩小于俯仰力的最大設(shè)定值矩。