四旋翼无人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无人飞行器及其控制方法，所述四旋翼无人飞行器包括机体和主控制器模块，还包括分别与所述主控制器模块连接的导航模块、传感器模块、通信模块和电机控制模块，所述主控制器模块综合计算所述传感器模块与导航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控制模块。本发明专利技术的四旋翼无人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主控制器模块采用基于结合权值调整量附加“惯性项”的BP神经网络与PID控制结合的控制方案，计算实际的输出控制量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人飞行器
，具体涉及到四旋翼无人飞行器及其控制方法。
技术介绍
四旋翼无人飞行器是一种通过无线远程遥控设备加之自身传感器实现自主飞行的不载人飞行器，其有6个自由度，4个控制输入，由4个无刷直流电机驱动产生的差动力矩实现其俯仰运动和翻滚运动，产生的反扭力矩实现偏航运动,是非线性欠驱动系统。这类飞行器广泛应用于军事和民用领域。四旋翼无人飞行器相比固定翼无人飞行器，由于能垂直起降，起飞和着陆的要求较低，灵活性高，在复杂的地势下有更强的适应性。目前使用最多的控制方法是PID控制，其通过识别目标，然后探测现状与目标的差距，再用行动消除它。PID控制结构简单，控制技术成熟，鲁棒性较好。但是，在四旋翼无人飞行器飞行过程当中，控制器当中的参数难以自动地调整来适应外界变化，因而很难达到预定的目标，影响控制效果。
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无人飞行器(QuadrotorUnmannedAerialVehicle,QUAV)及其控制方法，其基于权值调整量附加“惯性项”的BP神经网络(Back-propagationArtif本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四旋翼无人飞行器，包括机体和主控制器模块，还包括分别与所述主控制器模块连接的导航模块、传感模块、通信模块和电机控制模块，其特征在于所述导航模块采用卫星导航系统对飞行器进行定位并向所述主控制器模块提供位置信息并导航，且在导航过程中修改和固化波特率；所述传感器模块包括分别与所述主控制模块连接的惯性测量单元、气压传感器、电子罗盘、和风速传感器，所述惯性测量单元用于检测飞行器的三轴线加速度、翻滚角速率、俯仰角速率、偏航角速率和航向信息，所述气压传感器用于检测飞行器的高度，所述电子罗盘用于测量飞行器的航向信息，所述风速传感器对飞行器所处的位置的风速进行监测；所述无线通信模块包括遥控器、PPM解码器和...

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼无人飞行器，包括机体和主控制器模块，还包括分别与所述主控制器模块连接的导航模块、传感模块、通信模块和电机控制模块，其特征在于所述导航模块采用卫星导航系统对飞行器进行定位并向所述主控制器模块提供位置信息并导航，且在导航过程中修改和固化波特率；所述传感器模块包括分别与所述主控制模块连接的惯性测量单元、气压传感器、电子罗盘、和风速传感器，所述惯性测量单元用于检测飞行器的三轴线加速度、翻滚角速率、俯仰角速率、偏航角速率和航向信息，所述气压传感器用于检测飞行器的高度，所述电子罗盘用于测量飞行器的航向信息，所述风速传感器对飞行器所处的位置的风速进行监测；所述无线通信模块包括遥控器、PPM解码器和PPM接收机，所述PPM编码器与所述遥控器连接，遥控器的四个通道控制信号将通过PPM编码器编码后无线传递给所述PPM接收机，所述PPM接收机与所述主控制器模块连接；所述电机控制模块包括用于驱动飞行器四个旋翼的四个电机以及分别控制所述四个电机工作的电子调速器，所述电子调速器与所述主控制器模块连接以接收电机控制信号。2.如权利要求1所述的四旋翼无人飞行器，其特征在于还包括水冷-风冷模块，所述水冷-风冷模块分别与所述主控制器模块和所述电机控制模块连接，以对所述主控制器模块和所述电机控制模块散热冷却，并同时接受所述主控制器模块的控制以实现对冷却功率的调节。3.如权利要求2所述的四旋翼无人飞行器，其特征在于所述主控制器模块和所述电机控制模块上分别设置有测温元件，所述测温元件与所述主控制器模块连接以实现温度采集，所述主控制器模块根据所采集到温度信息调节所述水冷-风冷模块的冷却功率。4.如权利要求1所述的四旋翼无人飞行器，其特征在于所述传感器模块包括与所述主控制模块连接的烟雾传感器模块，所述烟雾传感器布置在临近飞行器上的电路板附件以探测所述电路板出现故障产生的烟雾并将烟雾信息反馈至所述主控制器模块。5.一种四旋翼无人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，QUAV的动力学方程为；其中，设φ、θ、ψ分别为四旋翼无人飞行器的翻滚角、俯仰角和偏航角，l为其质心至旋翼中心的距离，Ix、Iy、Iz为惯性主距，Ωi为第i个旋翼转速，Fi为第i个旋翼产生的升力，旋翼产生的升力与旋翼传动速度平方成正比，IR为转动惯量，n1为其升力系数，n2为反扭矩系数；为了把四旋翼飞行器的动力学方程转换成四个独立的控制通道,定义四旋翼飞行器的控制输入为U1U2U3U4=F1+F2+F3+F4F4-F2F3-F1F2+F4-F1-F3=n1Σi=14Ωi2n1(Ω42-Ω22)n1(Ω32-Ω12)n2(Ω12-Ω22+Ω32-Ω42)---(2)]]>S20：设计基于权值调整量附加“惯性项”的BP神经网络与PID控制相结合的控制方法；其中在步骤S10中由四旋翼无人飞行器的动力学方程转换成的四个独立的控制通道分别由控制器控制，且四个通道分别由高度BPNNIPID、翻滚BPNNIPID、俯仰BPNNIPID、偏航BPNNIPID组成，经过控制量的转换控制调节四个旋翼的转速来达到姿态控制，S21:设BP神经网络有3层，其中包括输入层，隐含层和输出层,且其中输入层j含有4个神经元，隐含层i含有5个神经元，输出层k含有3个神经元；令表示连接第l层的第j个神经元和第l+1层的第i个神经元之间的权值，则BP神经网络的输入层神经元的输入为：Oj(1)＝x(j),(j＝1,2,3,4)(3)其中包括r(k),y(k),e(k),1，Bias＝1是神经元单元的偏置；隐含层i的输入为：neti(2)(k)=Σj=14wij(1)xj(i=1,2,3,4,5)---(4)]]>当i＝1时，有：net1(2)(k)＝r(k)w11(1)+y(k)w12(1)+e(k)w13(1)+1·w14(1)(5)隐含层i...

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