[發(fā)明專利]基于全過程約束的四旋翼實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃及降落控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111575635.0
• 申請(qǐng)日: 2021-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN114594783B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張福彪;王亞凱;林德福;莫靂;宋韜;周天澤;陳祺;劉明成;郎帥鵬;孫之問;王昭舜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/10
• 分類號(hào): G05D1/10
• 代理公司: 北京康思博達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11426
• 代理人: 劉冬梅

本發(fā)明公開了一種基于全過程約束的四旋翼實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃及降落控制方法，該方法中，通過通信系統(tǒng)獲得降落平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)信息，通過其攜帶的傳感器獲得其自身的運(yùn)動(dòng)信息，即可獲得一組相對(duì)距離和相對(duì)速度信息，當(dāng)距離較近時(shí)，通過視覺傳感器直接獲得相對(duì)距離和相對(duì)速度信息，其精度較高；進(jìn)而獲得估計(jì)的降落時(shí)間，基于預(yù)測(cè)時(shí)域，將所述降落時(shí)間分為固定份數(shù)，每份之間的臨界點(diǎn)即為采樣點(diǎn)，估計(jì)出飛行器在每個(gè)采用點(diǎn)處的狀態(tài)向量，并據(jù)此控制飛行器沿著估計(jì)軌跡飛行，到達(dá)第一個(gè)采樣點(diǎn)后，重復(fù)上述步驟，重新估計(jì)軌跡，再次控制飛行器到達(dá)第一個(gè)采樣點(diǎn)；直至飛行器到達(dá)降落平臺(tái)，完成飛行器降落。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及四旋翼飛行器制導(dǎo)控制領(lǐng)域，尤其涉及飛行器 的降落追蹤控制，具體涉及一種基基于全過程約束的四旋翼實(shí) 時(shí)軌跡規(guī)劃及降落控制方法。

背景技術(shù)

四旋翼飛行器由于其靈活性和快速部署在工業(yè)中越來越 受歡迎，并在諸如拓?fù)浜娃r(nóng)業(yè)航空攝影、搜索救援行動(dòng)和測(cè)繪 等應(yīng)用中顯示了其實(shí)用性。但由于四旋翼飛行器的有效載荷和 飛行時(shí)間是有限的，難以滿足城市快遞、森林救援和海上探測(cè) 等任務(wù)的需求，所以一些研究人員設(shè)計(jì)出飛行器與移動(dòng)平臺(tái)協(xié) 同進(jìn)行任務(wù)的方案，以最大化任務(wù)能力。飛行器任務(wù)過程中， 首先搭載部分任務(wù)載荷從移動(dòng)平臺(tái)起飛，完成該階段任務(wù)后， 再返回移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行能源補(bǔ)充，并搭載下一部分任務(wù)載荷。其 中，依據(jù)任務(wù)目標(biāo)，移動(dòng)平臺(tái)可以是卡車、船艦和飛機(jī)等海陸 空平臺(tái)。

為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有效完成任務(wù)，需要四旋翼在整個(gè)任務(wù) 過程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠飛行，尤其降落過程對(duì)四旋翼的控制能力 提出了極高的要求。因?yàn)榻德淦脚_(tái)在快速移動(dòng)，而且環(huán)境非常 復(fù)雜，比如高樓林立的城市和樹木叢生的森林，所以平臺(tái)狀態(tài) 沒有規(guī)則地快速變化，導(dǎo)致四旋翼在降落過程中發(fā)生碰撞和傾 覆等事故。

此外，移動(dòng)平臺(tái)在不同環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，在城市道 路中比較平穩(wěn)；在樹林中，隨地形的變化，車輛會(huì)產(chǎn)生不同程 度的傾斜；在海面上，艦艇平臺(tái)會(huì)隨著水面波動(dòng)而上下起伏。 由于四旋翼的最終目標(biāo)是降落在移動(dòng)平臺(tái)上，所以四旋翼的終 端狀態(tài)約束需要匹配移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。另外，由于移動(dòng)平 臺(tái)在持續(xù)移動(dòng)，需要依據(jù)平臺(tái)狀態(tài)的變化，實(shí)時(shí)重規(guī)劃出新的 降落軌跡，以滿足全過程約束。而常規(guī)路徑規(guī)劃算法在考慮全 過程約束的同時(shí)，難以滿足實(shí)時(shí)性要求，無(wú)法在任務(wù)過程中實(shí) 現(xiàn)軌跡重規(guī)劃。

現(xiàn)有技術(shù)中的降落跟蹤算法中，還需要降落平臺(tái)在移動(dòng)過 程中考慮降落飛行器的具體工況，適當(dāng)減速或者保持勻速運(yùn) 動(dòng)，盡量保持平穩(wěn)等等，即降落平臺(tái)的正常工作狀態(tài)受到影響， 需要以接收旋翼飛行器降落作為主要任務(wù)，使其正常的工作狀 態(tài)受到一定的影響。

由于上述原因，本發(fā)明人對(duì)現(xiàn)有的飛行器降落控制方法做 了深入研究，以期待設(shè)計(jì)出一種能夠解決上述問題的新的飛行 器降落控制方法。

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 種基于全過程約束的四旋翼實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃及降落控制方法，該 方法中，通過通信系統(tǒng)獲得降落平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)信息，即速度位置 和加速度等信息，通過其攜帶的傳感器獲得其自身的運(yùn)動(dòng)信 息，即可獲得一組相對(duì)距離和相對(duì)速度信息，該信息相對(duì)來說 誤差較大，適用于距離降落平臺(tái)較遠(yuǎn)的情況，當(dāng)距離較近時(shí)， 通過視覺傳感器直接獲得相對(duì)距離和相對(duì)速度信息，其精度較 高；進(jìn)而獲得估計(jì)的降落時(shí)間，基于預(yù)測(cè)時(shí)域，將所述降落時(shí) 間分為固定份數(shù)，如20份，每份之間的臨界點(diǎn)即為采樣點(diǎn)，每 份時(shí)間長(zhǎng)度即為采樣時(shí)間長(zhǎng)度，估計(jì)出飛行器在每個(gè)采用點(diǎn)處的狀態(tài)向量，并據(jù)此控制飛行器沿著估計(jì)軌跡飛行，到達(dá)第一 個(gè)采樣點(diǎn)后，重復(fù)上述步驟，重新估計(jì)軌跡，再次控制飛行器 到達(dá)第一個(gè)采樣點(diǎn)；直至飛行器到達(dá)降落平臺(tái)，完成飛行器降 落，從而完成本發(fā)明。

具體來說，本發(fā)明的目的在于提供以一種基于全過程約束 的四旋翼實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃及降落控制方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：獲得四旋翼飛行器與降落平臺(tái)的相對(duì)距離P_r和相 對(duì)速度信息V_r；

步驟二：估計(jì)降落所需的時(shí)間，基于預(yù)測(cè)時(shí)域N獲得采樣 時(shí)間長(zhǎng)度；