[發明專利]一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法

在審

• 申請號: 202310065839.2
• 申請日: 2023-01-13
• 公開（公告）號: CN116301026A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 白宇;方浩;吳德龍;王奧博;虞睿;楊慶凱;曾憲琳;張睿;李鎖輝
• 申請（專利權）人: 中國建筑一局（集團）有限公司;中建市政工程有限公司;北京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張麗娜

1.一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于該方法的步驟包括：

第一步，采用基于四旋翼無人機動力學系統微分平坦特性的軌跡規劃算法，解算加速度與姿態角之間的耦合關系；

第二步，采用基于minimum?snap的軌跡優化函數，將第一步中的耦合關系作為動力學約束項，求解最優化問題得到可執行的軌跡；

第三步，采用基于復合串級PID的軌跡跟隨控制器，對第二步中的可執行軌跡實現精準、魯棒的閉環控制。

2.根據權利要求1所述的一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于：

所述的第一步中，微分平坦特性為：動力學系統的全部狀態量，都能夠用一組選定的平坦輸出與其有限階導數的函數表示出來。

3.根據權利要求2所述的一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于：

所述的動力學系統狀態量，針對四旋翼無人機系統為：

所述的平坦輸出，針對四旋翼無人機系統為：

σ＝[x,y,z,ψ]^T

其中，x,y,z分別為四旋翼無人機的三維位置，φ,θ,ψ分別為四旋翼無人機姿態的橫滾角、俯仰角、偏航角。

4.根據權利要求1所述的一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于：

所述的第一步中，軌跡規劃算法的映射關系為：

σ→x

加速度與姿態角之間的耦合關系為：

其中，u為電機輸入推力，m為四旋翼無人機平臺質量，為四旋翼無人機系統合加速度，a為電機推力加速度，z_B為四旋翼無人機姿態的方向向量，z_W為垂直于地面向下的方向向量。

5.根據權利要求1所述的一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于：

所述的第二步中，平滑、可執行的軌跡由時間t的高階可導多項式表示，形式為：

p(t)＝[1,t,t²,…,tⁿ]·p

其中，p＝[p₀,p₁,p₂,…,p_n]^T為多項式的系數向量，p₀,p₁,p₂,…,p_n為多項式的系數。

6.根據權利要求5所述的一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于：

軌跡采用多段軌跡相接的形式，用分段多項式表示為：

其中，t₀,t₁,t₂,…,t_m為軌跡上導航點的時間分配。

7.根據權利要求1所述的一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于：

所述的第二步中，最優化問題形式為：

min?f(p)

s.t.A_eqp＝b_eq

s.t.A_ieqp≤b_ieq

其中，A_eqp＝b_eq為等式約束，A_ieqp≤b_ieq為不等式約束，求解目標為p；

minimum?snap的軌跡優化函數形式為：

其中，

r,c為矩陣的行索引和列索引，均從0開始；

動力學約束項形式為：

8.根據權利要求1所述的一種復雜環境下四旋翼無人機大機動敏捷飛行方法，其特征在于：

所述的第三步，復合串級PID控制器結構為：位置環-速度環-加速度環-角度環-角速度環。