四旋翼飞行器及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种四旋翼飞行器及其控制方法，所述四旋翼飞行器包括机体和飞行器控器模块，还包括分别与所述飞行器控模块连接的导航与惯性测量模块、电源模块、通信模块和电机驱动模块，所述主控制器模块综合计算所述导航与惯性测量模块所反馈的实时飞行姿态信息和通信模块的控制信息后输出电机控制信号以控制电机驱动模块。本发明专利技术的四旋翼飞行器能够自动适应外界环境的变化以调制飞行参数来达到预定的控制效果，其中的控制方法主要由飞行控制器模块采用基于神经模糊自整定PID控制方案，计算实际的输出控制量，以提高飞行器的飞行鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞行器
，具体涉及到四旋翼飞行器及其控制方法。
技术介绍
四旋翼飞行器有6个自由度，通过四个独立电机驱动螺旋桨产生升力、推力，从而使四旋翼飞行器实现空中悬停和改变飞行姿态，是一类多输入多输出、强耦合、欠驱动非线性系统。PID控制因其简单，稳定性好，较好的鲁棒性且技术相对其他控制算法比较成熟，仍然是目前大多数飞行器首选的控制算法。但是由于四旋翼飞行器本身的不确定性以及飞行过程中外部的干扰等，使PID控制中的参数无法自调整，从而影响飞行器的飞行姿态，难以达到实际的预期。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本专利技术提供一种四旋翼飞行器及其控制方法，其是基于神经网络生成模糊规则与PID(Proportion Integration Differentiation)控制相结合的控制方法来控制四旋翼飞行器，使得飞行器抗干扰能力得到加强，自身鲁棒性得到提高，在受到外部干扰时能够实时的对飞行器的飞行姿态进行自调整。一种四旋翼飞行器，包括机体和飞行控制器模块还包括分别与所述飞行控制模块连接的导航与惯性测量模块、电源模块、通信模块和电机驱动模块，其特征在于所述电源模块为飞行器提供电能；所述导航与测量模块包括卫星导航系统、三轴加速度计、陀螺仪和磁力计，所述卫星导航系统对飞行器的实时位置进行测量定位，所述三轴加速度计用于测量飞行器的线加速度，所述陀螺仪用于测量飞行器的角加速度，所述磁力计用于测量飞行器所处位置的地磁强度；所述通信模块还用于与地面控制站进行数据交换；所述飞行器控制模块获取飞行器的所述线加速度、角加速度、实时位置及磁力强度数据信息以及获取由地面控制站通过所述通信模块输入的控制信息后并计算转换成电机控制信号输出以控制所述电机驱动模块，所述电机驱动模块包括电调和电机，所述电调接收所述电机控制信号以控制所述电机工作。本专利技术提供的四旋翼飞行器中，主控制器模块是控制系统的核心部分，其作用是是每个控制周期内实时采集处理导航与惯性测量单元的线加速度、角加速度、实时位置及磁力强度数据信息以及获取由地面控制站通过所述通信模块输入的控制信息，并根据预定的信号处理算法，求解出飞行器当前的位置与姿态角，而后结合神经模糊自整定PID控制方案，计算每个电机的实际的驱动量，进而通过电调控制4个电机的转速，通过电机转速的改变使4个旋翼产生的升力和转矩产生相应的变化，从而使飞行器能够结合外部的干扰进行自适应调整以实现稳定飞行，达到预期的飞行效果。进一步的，所述飞行器控制系统还将飞行器的所述线加速度、角加速度、实时位置及磁力强度数据信息通过所述通信模块发送至地面控制中心。如此，可以方便地面控制中心的控制人员实时掌握当前的飞行参数信息，为进一步控制飞行器提供参照。所述四旋翼飞行器的飞行控制方法，主要由所述飞行控制器模块来执行，具体包括以下步骤：S10：建立四旋翼飞行器的动力学模型，设m为四旋翼飞行器的质量，g为重力加速度，μx、μy、μz为X轴、Y轴、Z轴三个方向的空气阻力系数，Jx、Jz、Jz为四旋翼飞行器绕X轴、Y轴、Z轴的转动惯量，Ir为四旋翼飞行器的旋翼相对于旋转轴的转动惯量，l为旋翼中心点到坐四旋翼飞行器质量中心的距离w1、w2、w3为飞行器的角速度，x、y、z为飞行器的位置，Ωi(i＝1,2,3,4)为各个旋翼的转速，θ、φ、ψ分别为飞行器的俯仰姿态角、滚转姿态角、偏航姿态角，通过牛顿-欧拉方程和坐标转换矩阵建立飞行器的动力学的数学模型如式(1) mx ′ ′ = Σc T Ω i 2 ( cos θ sin φ cos ψ + sin θ sin ψ ) - μ x x ′ 2 my ′ ′ = Σc T Ω i 2 ( cos θ sin φ cos ψ - sin θ cos ψ ) - μ y 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四旋翼飞行器，包括机体(10)和飞行控制器模块(20)，还包括分别与所述飞行控制模块(20)连接的导航与惯性测量模块(40)、电源模块(50)、通信模块(30)和电机驱动模块(60)，其特征在于所述电源模块(50)为飞行器提供电能；所述导航与测量模块(40)包括卫星导航系统、三轴加速度计、陀螺仪和磁力计，所述卫星导航系统对飞行器的实时位置进行测量定位，所述三轴加速度计用于测量飞行器的线加速度，所述陀螺仪用于测量飞行器的角加速度，所述磁力计用于测量飞行器所处位置的地磁强度；所述通信模块(30)还用于与地面控制站进行数据交换；所述飞行器控制模块(20)获取飞行器的所述线加速度、角加速度、实时位置及磁力强度数据信息以及获取由地面控制站通过所述通信模块输入的控制信息后并计算转换成电机控制信号输出以控制所述电机驱动模块(60)，所述电机驱动模块(60)包括电调和电机，所述电调接收所述电机控制信号以控制所述电机工作。

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼飞行器，包括机体(10)和飞行控制器模块(20)，还包括分别与所述飞行控制模块(20)连接的导航与惯性测量模块(40)、电源模块(50)、通信模块(30)和电机驱动模块(60)，其特征在于所述电源模块(50)为飞行器提供电能；所述导航与测量模块(40)包括卫星导航系统、三轴加速度计、陀螺仪和磁力计，所述卫星导航系统对飞行器的实时位置进行测量定位，所述三轴加速度计用于测量飞行器的线加速度，所述陀螺仪用于测量飞行器的角加速度，所述磁力计用于测量飞行器所处位置的地磁强度；所述通信模块(30)还用于与地面控制站进行数据交换；所述飞行器控制模块(20)获取飞行器的所述线加速度、角加速度、实时位置及磁力强度数据信息以及获取由地面控制站通过所述通信模块输入的控制信息后并计算转换成电机控制信号输出以控制所述电机驱动模块(60)，所述电机驱动模块(60)包括电调和电机，所述电调接收所述电机控制信号以控制所述电机工作。2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于所述飞行器控制系统还将飞行器的所述线加速度、角加速度、实时位置及磁力强度数据信息通过所述通信模块发送至地面控制中心。3.一种四旋翼飞行器的飞行控制方法，包括以下步骤：S10：建立四旋翼飞行器的动力学模型，设m为四旋翼飞行器的质量，g为重力加速度，μx、μy、μz为X轴、Y轴、Z轴三个方向的空气阻力系数，Jx、Jz、Jz为四旋翼飞行器绕X轴、Y轴、Z轴的转动惯量，Ir为四旋翼飞行器的旋翼相对于旋转轴的转动惯量，l为旋翼中心点到坐四旋翼飞行器质量中心的距离w1、w2、w3为飞行器的角速度，x、y、z为飞行器的位置，Ωi(i＝1,2,3,4)为各个旋翼的转速，θ、φ、ψ分别为飞行器的俯仰姿态角、滚转姿态角、偏航姿态角，通过牛顿-欧拉方程和坐标转换矩阵建立飞行器的动力学的数学模型如式(1) mx ′ ′ = Σc T Ω i 2 ( cos θ sin φ cos ψ + sin θ sin ψ ) - μ x x ′ 2 my ′ ′ = Σc T Ω i 2 ( cos θ sin φ cos ψ - sin θ cos ψ ) - μ y y ′ 2 mz ′ ′ = Σc T Ω i 2 cos θ cos φ - μ z z ′ 2 - m g J x w 1 ′ = - J z w 3 w 2 + J y w 3 w 2 + I r w 2 U f + lc T U 1 J y w 2 ′ = J z w 3 w 1 - J x w 3 w 1 - I r w 1 U f + lc T U 2 J z w 3 ′ = - J y w 2 w 1 + J x w 2 w 1 + cc T U 3 U 1 = - Ω 1 2 - Ω 2 2 + Ω 3 2 + Ω 4 2 U 2 = - Ω 1 2 + Ω 2 2 + Ω 3 2 - Ω 4 2 U 3 = Ω 1 2 - Ω 2 2 + Ω 3 2 - Ω 4 2 U 4 = Ω 1 2 + Ω 2 2 + Ω 3 2 + Ω 4 2 U f = Ω 1 - Ω 2 + Ω 3 - Ω 4 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵帅，罗晓曙，钟海鑫，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：发明
国别省市：广西;45