四旋翼机组的三维操纵制造技术

描述了一种用于朝向目标位置控制至少两个飞行器的飞行轨道的系统和方法。该系统包括：至少两个飞行器，具有机载惯性测量单元，用于确定和更新至少两个飞行器的方位、角速度、位置和线速度；运动捕捉系统，用于检测至少两个飞行器中的每个的当前位置和速度；以及基础控制器，所述基础控制器与运动捕捉系统通信，并且与多个飞行器通信。基础控制器对于每个飞行器使用分段多项式平滑函数、应用加权因数以及实施重叠约束以预定时间间隔计算最佳轨道路径。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】四旋翼机组的三维操纵相关申请的交叉引用本申请要求于2012年4月30日提交的美国临时专利No.61/640,249的权益。该申请的内容通过引用结合于此。
本专利技术在多旋翼飞行器领域中。更特别地，本专利技术涉及通过使用混合整数二次规划(MIQP)并且使用整数约束生成最佳轨道，以实施碰撞避免的具有复杂障碍物的四旋翼机组的三维操纵。
技术介绍
微型空中机器人、尺寸小于1米并且质量是1kg或更小的自动飞行器在过去十年经历了快速进步。有翼航行器可以从固定翼飞行器到扑翼飞行器，后者主要通过昆虫飞行获得灵感。包括直升飞机、同轴旋翼飞机、涵道风扇、四旋翼和六旋翼的旋翼飞机已被证实更加成熟，四旋翼在机器人研究实验室中最广泛地用于载人平台。在该类设备中，由AscendingTechnologiesGmbH出售的Hummingbird(蜂鸟)四旋翼是非常有能力并且健壮的平台，其具有55cm的端到端翼展、8cm的高度、包括锂聚合物电池的约500克的质量，并且消耗约75瓦特。多旋翼飞行器已经变为日益流行的机器人平台，这是因为它们的机械简单性、动力学能力、以及对室内和室外环境的适用性。特别是，在设计、控制和计划方面存在用于四旋翼(具有四个旋翼的旋翼飞机)的很多最新发展。如以下将解释的，本专利技术涉及用于在具有障碍物的环境中生成用于像图1中所示的那些的异质四旋翼机组的最佳轨道的方法。微型空中机器人具有在很多实际应用中很难克服的有效载荷限制。然而，较大有效载荷可以被操纵，并且通过使用机械爪或电缆的多个UAV传送。诸如要求大区域覆盖或者从多个传感器成像的监视或搜索和救援的应用可以通过协调多个UAV来解决，每个都具有不同传感器。四旋翼可以快速地和准确地遵循的轨道应该继续达到位置的三阶导数(或C3)。这是因为，对于四旋翼来说，横向加速度的不连续要求翻转和螺旋角的瞬时改变，并且横向摆动的不连续要求角速度的瞬间改变。找到C3轨道要求高维度搜索空间的计划，其对于使用可达性算法的方法、增量搜索技术或基于LQR树的搜索是不切实际的。当计划用于多个飞行器时，问题恶化，这是因为这进一步扩展搜索空间的尺寸。本专利技术解决缩减四旋翼平台的问题，以开发真正小的微型UAV。尺寸缩减的最重要和明显益处是四旋翼以紧密编队在紧密约束环境下操作的能力。虽然四旋翼的有效载荷能力明显下降，但是可以部署协作以克服该限制的多个四旋翼。再次，小尺寸是有益的，这是因为较小飞行器可以比大飞行器以更接近近程操作。缩减的另一个感兴趣益处是敏捷。较小四旋翼呈现允许对干扰的更快适应的更高加速度和更高稳定性。专利技术人的在先工作显示，用于四旋翼的动力学模型是微分平整的。专利技术人使用该事实，以得出轨道生成算法，其允许将约束自然地嵌入期望位置、速度、加速度、摆动和输入，同时满足对轨道的平滑度的要求。专利技术人延伸根据本专利技术的该方法，以包括多个四旋翼和障碍物。该方法允许不同四旋翼之间的不同尺寸、能力、以及变化动力学效果。专利技术人使用整数约束实施碰撞避免，整数约束将它们的二次规划(QP)变换为混合整数二次规划(MIQP)。本专利技术的在先工作还从广泛文献提取混合整数线性规划(MILP)以及到轨道计划的应用，Schouwenaars等人的“DecentralizedCooperativeTrajectoryPlanningofMultipleAircraftwithHardSafetyGuarantees”，ProceedingsoftheAIAAGauidance，Navigation，以及ControlConferenceandExhibit，Providence，RI，2004年8月。在此描述的方法依赖这样的工作。
技术实现思路
在此描述的方法和系统表示用于固定翼飞行器和旋翼飞机的类似轨道计划问题的整数约束的权力和灵活性。该方法中的关键差异在于，使用分段平滑多项式函数合成平坦输出空间中的轨道。使用分段平滑多项式函数允许实施航路点之间的连续性达到位置的任何期望导数。在此描述的轨道生成的另一个差异是使用二次成本函数，得到与MILP相反的MIOP。在示例性实施例中，描述一种用于朝向目标位置控制至少两个飞行器的飞行轨道的系统。该系统包括：至少两个飞行器，所述至少两个飞行器具有机载惯性测量单元，用于确定并且更新至少两个飞行器的方位、角速度、位置和线速度；运动捕捉系统，所述运动捕捉系统用于检测至少两个飞行器中的每个的当前位置和速度；基础控制器，所述基础控制器与运动捕捉系统通信并且与多个飞行器通信，基础控制器对于每个飞行器，使用分段平滑多项式函数，应用加权因数，并且实施重叠约束，以预定时间间隔计算最佳轨道路径。基于所计算的最佳轨道路径，基础控制器还将命令发送至每个飞行器，以单独控制它们的状态，使得至少两个飞行器遵循所计算的最佳轨道路径，同时避免碰撞。本专利技术还包括一种用于朝向目标位置和方位控制至少两个飞行器的状态的轨道生成方法。在示例性实施例中，该方法包括：确定飞行器的方位和角速度；通过控制飞行器的至少一个电机，控制飞行器的方位和角速度；确定每个飞行器的当前位置和速度；通过指定期望方位和角速度以及至少一个电机所要求的净推力，控制每个飞行器的位置和速度。对于每个飞行器，通过使用分段平滑多项式函数，以及应用加权因数，并且实施重叠约束，以预定时间间隔计算最佳轨道路径。然后，基于所计算的最佳轨道路径，将命令发送至每个飞行器，以单独控制它们的状态，使得这样的飞行器遵循所计算的最佳轨道路径，同时避免碰撞。提供每个飞行器的更新后的当前位置和速度，并且以多个预定时间间隔迭代地执行该过程。在示例性实施例中，飞行器的每个状态都包括其方位和角速度、以及位置和线速度。可以在每个飞行器上估计方位误差和控制方位。在最佳轨道路径的计算期间，应用至至少两个飞行器中的每个的加权因数对于不同飞行器可以不同。而且，整数约束可以在最佳轨道路径的计算期间被使用，以实施与障碍物和其他飞行器的碰撞约束，并且最优地分配用于至少两个飞行器的目标位置。计算用于每个飞行器的最佳轨道路径还可以包括：生成在指定时间tw处平滑经过nw个期望航路点的轨道，同时根据以下等式最小化用于nq个四旋翼的位置的kr阶导数的平方的积分：其中，rTq＝[xTq,yTq,zTq]表示用于四旋翼q的轨道，并且rwq表示用于四旋翼q的期望航路点。还可以通过将飞行器建模为具有边长Ix、Iy和Iz的通过通用坐标系定向的矩形棱柱体，提供至少两个飞行器之间的碰撞避免，其中，边长Ix、Iy和Iz足够大，使得飞机可以翻转、倾斜和侧滑到任何角度并且待在棱柱体内。然后，棱柱体可以航行通过具有no个凸起障碍物的环境，其中，每个凸起障碍物o由具有nf(o)个面的构形空间中的凸起区域表示，并且对于每个面f，在时间tk处的飞行器的期望位置rTq(tk)在障碍物o外侧的条件被表示为：nof·rTq(tk)≤sof其中，nof是到构形空间中的障碍物的面f的法向矢量，并且sof是标量，由此，如果用于在时间tk处的飞行器的位置的等式被满足用于至少一个面，则矩形棱柱体并且因此飞机不与障碍物碰撞。飞机q在时间tk处不与障碍物o碰撞的条件可以通过二进制变量bqofk进一步被实施为：其中，M是大正数。在示例性实施例中，后者等式被代入前者等式，用于在航本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于朝向目标位置和方位控制至少两个飞行器的状态的轨道生成方法，所述方法包括以下步骤：确定所述飞行器的方位和角速度；通过控制所述飞行器的至少一个电机，控制所述飞行器的所述方位和角速度；确定每个所述飞行器的当前位置和速度；通过指定期望的方位和角速度以及所述至少一个电机所要求的净推力，控制每个所述飞行器的所述位置和速度；对于每个所述飞行器，通过使用分段平滑多项式函数，应用加权因数，并且实施重叠约束，以预定时间间隔计算最佳轨道路径；基于所计算的最佳轨道路径，将命令发送至每个所述飞行器，以单独控制它们的状态，使得这样的飞行器遵循所计算的最佳轨道路径，同时避免碰撞；以及更新每个所述飞行器的当前位置和速度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.30 US 61/640,2491.一种用于朝向目标位置和方位控制至少两个飞行器的状态的轨道生成方法，所述方法包括以下步骤：确定所述飞行器的方位和角速度；通过控制所述飞行器的至少一个电机，控制所述飞行器的所述方位和角速度；确定每个所述飞行器的当前位置和速度；通过指定期望的方位和角速度以及所述至少一个电机所要求的净推力，控制每个所述飞行器的所述位置和速度；对于每个所述飞行器，通过使用分段平滑多项式函数，应用所述至少两个飞行器之间的相对成本加权因数，并且实施重叠约束，以预定时间间隔计算最佳单独的轨道路径，其中所述相对成本加权因数使得一些飞行器比其他飞行器遵循相对容易的轨道，或者基于用户偏好将飞行器区分优先次序；通过将所述飞行器建模为具有边长Ix、Iy和Iz的利用通用坐标系定向的矩形棱柱体，提供所述至少两个飞行器之间的碰撞避免，其中，所述边长Ix、Iy和Iz足够大，使得飞机能够翻转、倾斜和侧滑到任何角度并且待在所述棱柱体内；基于所计算的最佳轨道路径，将命令发送至每个所述飞行器，以单独控制它们的状态，使得这样的飞行器遵循所计算的最佳轨道路径，同时避免碰撞；以及更新每个所述飞行器的当前位置和速度。2.根据权利要求1所述的方法，其中，飞行器的每个状态包括其方位和角速度、以及位置和线速度。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在每个所述飞行器上估计方位误差和控制所述方位。4.根据权利要求1所述的方法，其中，应用至所述至少两个飞行器中的每个的所述加权因数是不同的。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法以多个所述预定时间间隔迭代地执行。6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：使用整数约束来实施与障碍物和其他飞行器的碰撞约束，并且最佳地分配用于所述至少两个飞行器的目标位置。7.根据权利要求1所述的方法，其中，计算用于每个飞行器的最佳轨道路径包括：生成在指定时间tw平滑地经过nw个期望航路点的轨道，同时根据以下等式最小化用于nq个飞行器的位置的第kr阶导数的平方的积分：或空闲，或空闲，或空闲，其中，rTq＝[xTq，yTq，zTq]表示用于飞行器q的轨道，并且rwq表示用于飞行器q的期望航路点。8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：使所述棱柱体航行通过具有no凸起障碍物的环境，其中，每个凸起障碍物o都由具有nf(o)个面的构形空间中的凸起区域表示，并且对于每个面f，在时间tk处的所述飞行器的期望位置rTq(tk)在障碍物o外侧的条件被表示为：nof·rTq(tk)≤sof其中，nof是到构形空间中的障碍物o的面f的法向矢量，并且sof是标量，由此，如果用于在时间tk处的所述飞行器的位置的等式被满足用于至少一个所述面，则所述矩形棱柱体并且因此所述飞机不与所述障碍物碰撞。9.根据权利要求8所述的方法，其中，飞机q在时间tk处不与障碍物碰撞的条件通过二进制变量bqofk实施为：bqofk＝0或1其中，M是大正数。10.根据权利要求9所述的方法，其中，权利要求9的等式被代入到权利要求7的等式中，用于航路点之间的nk个中间时间步幅处的所有障碍物的所有nq个飞机。11.根据权利要求7所述的方法，其中，当通过实施在航路点之间的nk个中间时间步幅处的约束，在飞行器的轨道路径上的航路点之间转换时，所述飞行器相互保持安全距离，其中，所述约束能够由以下约束集合在数学上被表示用于飞行器1和2：或或或其中，d项表示飞行器1和2之间的安全距离。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述飞行器轴向对称，并且dx12＝dx21＝dy12＝dy21。13.根据权利要求6所述的方法，其中，所述整数约束被用于通过应用以下整数约束用于每个飞行器q和目标g，找到用于所述飞行器的最佳目标分配：其中，βqg是用于实施最佳目标分配的二进制变量。14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：应用以下约束以保证至少ng个飞行器达到期望的目标位置：15.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：将所述飞行器组织成多个组，其中，所述多个组中的每个被单独协调；以及生成用于所述多个组中的每个的轨道，以对目标位置分组。16.根据权利要求15所述的方法，其中，用于所述飞行器的环境被划分为nr个凸起子区域，其中，每个子区域包含相同数量的飞行器起始和目标位置，并且对于每个子区域内的所述飞行器生成单独轨道，由此使用对所述飞行器的所述位置的线性约束，要求所述飞行器待在它们自己的子区域内。17.一种用于朝向目标位置控制至少两个飞行器的飞行轨道的系统，所述系统包括：至少两个飞行器，所述至少两个飞行器具有机载惯性测量单元，用于确定并且更新所述至少两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：维贾伊·库马尔，阿莱克山德·库什莱耶夫，丹尼尔·麦林格，
申请(专利权)人：宾夕法尼亚大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US