基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，包括以下步骤：S1、通过旋翼台架试验，测试PWM波占空比和旋翼转速、升力、力矩数据，通过数据处理，得到PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系。S2、根据步骤1中PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系，建立多旋翼飞行器动力学方程。S3、根据实际PWM波占空比，解算动力学方程，得到导航信息。本发明专利技术所述的基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，通过PWM波占空比，解算多旋翼无人机的动力学方程，获得导航信息。通过该方法实现多旋翼飞行器的自主导航功能。无需外源导航信息和额外硬件设备；原理简单，易于实现；成本低。

【技术实现步骤摘要】
基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法
本专利技术涉及飞行器设计
，具体地说是一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法。
技术介绍
目前，随着技术的发展，多旋翼飞行器的应用越来越广泛。多旋翼飞行器在飞行过程中需要导航系统提供导航信息。目前通常使用卫星导航系统(GPS、北斗等)和惯性导航系统等提供导航信息。卫星导航系统对外源信息的依赖十分严重，并且容易受到天气和地形障碍的干扰，极大地限制了多旋翼飞行器的应用场景。惯性导航需要额外惯性原件进行惯性测量，会增加飞行器重量，不利于旋翼飞行器的轻量化。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，用于解决现有的卫星导航系统对外源信息的依赖十分严重，并且容易受到天气和地形障碍的干扰，极大地限制了多旋翼飞行器的应用场景的缺点。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，包括以下步骤：S1、通过旋翼台架试验，测试PWM波占空比和旋翼转速、升力、力矩数据，通过数据处理，得到PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系。S2、根据步骤1中PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系，建立多旋翼飞行器动力学方程。S3、根据实际PWM波占空比，解算动力学方程，得到导航信息。作为优选步骤S1中，具体的，单个旋翼产生的升力、力矩分别表示为：Fi＝f(ωi)(1)Mi＝h(ωi)(2)式中，ωi表示第i个旋翼的PWM波占空比，Fi表示第i个旋翼产生的升力，Mi表示第i个旋翼产生的力矩；旋翼转速Ω表示为Ωi＝k(ωi)(3)。作为优选步骤S2中，建立多旋翼飞行器动力学方程的具体步骤如下：S21设定，a、四旋翼飞行器为刚体，机体严格对称；b、质量和重力加速为常值；c、地面坐标系为惯性系；d、忽略地球曲率的影响；e、忽略空气阻力。S22、四旋翼飞行器在空间的运动需要六个自由度才能完全描述，包括飞行器质心沿着地面惯性坐标系的三个坐标轴的平动位移，即线运动，以及飞行器绕机体坐标系的三个坐标轴的转动运动，即角运动。S221、线运动方程：在地面惯性坐标系中，四旋翼飞行器在合外力作用下的线运动方程为：其中，m为飞行器质量，g为重力加速度；位置坐标为x、y和z；姿态角θ、φ、ψ分别为俯仰角、滚转角和偏航角；四个旋翼产生的总升力T为：T＝F1+F2+F3+F4(5)。S222、角运动方程：在地面惯性坐标系中，四旋翼飞行器的角运动方程为：式中，p、q和r分别表示机体坐标系下的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度；Ix、Iy和Iz分别为绕机体x,y,z三轴的转动惯量；Mx、My和Mz表示机体坐标系下力矩分量，作用在旋翼飞行器上的力矩的计算公式如下：其中，l表示旋翼中心到飞行器质心的距离，Ir表示旋翼的转动惯量；旋翼飞机力矩由气动力矩和陀螺力矩两部分组成，分别对应式(8)右侧两项。作为优选步骤S3中，在多旋翼飞行器飞行过程中，测量旋翼PWM波占空比ω1至ω4，通过式(1)、(2)和(3)分别求解每个旋翼升力Fi、力矩Mi和转速Ωi，代入方程(6)至(8)求解姿态角速率p、q和r，以及姿态角θ、φ、ψ；将升力和姿态角代入式(4)求解位置x、y、z和速度最终得到全部导航信息。与现有技术相比较，本专利技术所述的基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，通过PWM波占空比，解算多旋翼无人机的动力学方程，获得导航信息。该方法适用于多旋翼飞行器，且要求旋翼升力的方向始终垂直于飞行器的机体平面。通过该方法实现多旋翼飞行器的自主导航功能。由于多旋翼飞行器的升力、力矩是通过各旋翼高速旋转产生的，升力的方向始终与机体平面垂直。当需要改变飞行方向时，通过改变各旋翼的转速来实现。这也是多旋翼飞行器不同于固定翼飞行器的地方。通过PWM波占空比实现旋翼转速的控制。针对多旋翼飞行器的这种特性，提出一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法。这种方法仅适用于多旋翼飞行器。本专利技术所述的基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，是一种全新的导航方式；无需外源导航信息和额外硬件设备；原理简单，易于实现；成本低，对于多旋翼飞行器的工程应用具有重要价值。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术基于PWM波占空比多旋翼飞行器导航方法的实现流程图。图2是本专利技术四旋翼飞行器示意图。具体实施方式如图1和图2所示，一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，包括以下步骤：S1、通过旋翼台架试验，测试PWM波占空比和旋翼转速、升力、力矩数据，通过数据处理，得到PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系。步骤S1中，具体的，单个旋翼产生的升力、力矩分别表示为：Fi＝f(ωi)(1)Mi＝h(ωi)(2)式中，ωi表示第i个旋翼的PWM波占空比，Fi表示第i个旋翼产生的升力，Mi表示第i个旋翼产生的力矩；旋翼转速Ω表示为Ωi＝k(ωi)(3)。S2、根据步骤1中PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系，建立多旋翼飞行器动力学方程。步骤S2中，建立多旋翼飞行器动力学方程的具体步骤如下：S21设定，a、四旋翼飞行器为刚体，机体严格对称；b、质量和重力加速为常值；c、地面坐标系为惯性系；d、忽略地球曲率的影响；e、忽略空气阻力。S22、四旋翼飞行器在空间的运动需要六个自由度才能完全描述，包括飞行器质心沿着地面惯性坐标系的三个坐标轴的平动位移，即线运动，以及飞行器绕机体坐标系的三个坐标轴的转动运动，即角运动。S221、线运动方程：在地面惯性坐标系中，四旋翼飞行器在合外力作用下的线运动方程为：其中，m为飞行器质量，g为重力加速度；位置坐标为x、y和z；姿态角θ、φ、ψ分别为俯仰角、滚转角和偏航角；四个旋翼产生的总升力T为：T＝F1+F2+F3+F4(5)。S222、角运动方程：在地面惯性坐标系中，四旋翼飞行器的角运动方程为：式中，p、q和r分别表示机体坐标系下的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度；Ix、Iy和Iz分别为绕机体x,y,z三轴的转动惯量；Mx、My和Mz表示机体坐标系下力矩分量，作用在旋翼飞行器上的力矩的计算公式如下：其中，l表示旋翼中心到飞行器质心的距离，Ir表示旋翼的转动惯量；旋翼飞机力矩由气动力矩和陀螺力矩两部分组成，分别对应式(8)右侧两项。S3、根据实际PWM波占空比，解算动力学方程，得到导航信息。步骤S3中，在多旋翼飞行器飞行过程中，测量旋翼PWM波占空比ω1至ω4，通过式(1)、(2)和(3)分别求解每个旋翼升力Fi、力矩Mi和转速Ωi，代入方程(6)至(8)求解姿态角速率p、q和r，以及姿态角θ、φ、ψ；将升力和姿态角代入式(4)求解位置x、y、z和速度最终得到全部导航信息。本专利技术所述的基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，该方法适用于多旋翼飞行器，且要求旋翼升力的方向始终垂直于飞行器的机体平面。通过该方法实现多旋翼飞行器的自主导航功能。首先，测试多旋翼飞行器的旋翼得到升力、力矩、转速与PWM波占空比的对应关系；然后，根据上述关系建立多旋翼飞行器的动力学方程。最后，根据PWM波占空比，解算多旋翼飞行器的动力学方程，获得导航信息。脉冲宽度调制(PWM)是英文“PulseWidthModulation”的缩写，旋翼电机受飞控系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，其特征在于包括以下步骤：S1、通过旋翼台架试验，测试PWM波占空比和旋翼转速、升力、力矩数据，通过数据处理，得到PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系；S2、根据步骤1中PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系，建立多旋翼飞行器动力学方程；S3、根据实际PWM波占空比，解算动力学方程，得到导航信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，其特征在于包括以下步骤：S1、通过旋翼台架试验，测试PWM波占空比和旋翼转速、升力、力矩数据，通过数据处理，得到PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系；S2、根据步骤1中PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系，建立多旋翼飞行器动力学方程；S3、根据实际PWM波占空比，解算动力学方程，得到导航信息。2.根据权利要求1所述的基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，其特征在于：步骤S1中，具体的，单个旋翼产生的升力、力矩分别表示为：Fi＝f(ωi)(1)Mi＝h(ωi)(2)式中，ωi表示第i个旋翼的PWM波占空比，Fi表示第i个旋翼产生的升力，Mi表示第i个旋翼产生的力矩；旋翼转速Ω表示为Ωi＝k(ωi)(3)。3.根据权利要求2所述的基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，其特征在于：步骤S2中，建立多旋翼飞行器动力学方程的具体步骤如下：S21设定，a、四旋翼飞行器为刚体，机体严格对称；b、质量和重力加速为常值；c、地面坐标系为惯性系；d、忽略地球曲率的影响；e、忽略空气阻力；S22、四旋翼飞行器在空间的运动需要六个自由度才能完全描述，包括飞行器质心沿着地面惯性坐标系的三个坐标轴的平动位移，即线运动，以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文雅，李论，徐典，李哲，马宏图，王泽霖，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21