一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法技术

本发明专利技术涉及一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法，属于多旋翼无人机飞行控制技术领域。本方法包括如下步骤：（1）无人机上电，对陀螺仪、磁力计、加速度计进行校准，并检查电机解锁后是否运转正常；（2）各个传感器校准完毕，电机解锁后一切正常，手持无人机准备进行抛飞；（3）向上以任意方向抛出无人机，当无人机在空中自由落体的时候，拨动遥控器档位；（4）无人机自由落体时，接收到遥控器的档位变化，根据各个传感器反馈的信息，飞行控制器调用算法，使得自身快速进入平稳飞行状态。该方法增强了飞行控制系统的鲁棒性，同时提高了整个飞行系统状态的收敛速度。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法
本专利技术涉及一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法，属于多旋翼无人机飞行控制

技术介绍
无人机为了提升娱乐性提出了手抛即飞的任务需求，此时飞行控制系统的任务是使无人机能在任意的初始状态收到地面站发出的平衡指令后快速进入平稳飞行状态。在当前的工程实践中，传统的比例积分微分(PID)控制策略依然被广泛采用。在飞行控制系统的设计中，常用的方法是利用小扰动分析建立俯仰、滚转、航向和高度四个通道的近似线性模型。虽然比例积分微分控制策略在分通道控制中具有不错的控制效果，但其更适用于单变量系统。而无人机属于复杂的多变量系统，各个状态之间的耦合较为严重，使用比例积分微分控制策略在设计上通常忽略各个状态之间的耦合影响，控制参数较多，控制参数的设计过程也较为复杂。在抛飞过程中的任意初始状态，无人机需要进行快速翻滚等大机动动作，既要保证比较好的动态品质特性(如快速性与弱超调性)，又要兼顾性能鲁棒性与稳定性。通道间的耦合作用使得比例积分微分控制难以让无人机快速进入平稳飞行状态。
技术实现思路
本专利技术针对无人机在抛飞场景对姿态和高度控制的快速响应要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)无人机上电，对陀螺仪、磁力计、加速度计进行校准，并检查电机解锁后是否运转正常，如果不正常，对无人机下电进行相关检查；(2)各个传感器校准完毕，电机解锁后一切正常，手持无人机准备进行抛飞；(3)向上以任意方向抛出无人机，当无人机在空中自由落体的时候，拨动遥控器档位，使得遥控器档位设置的无人机飞行模式处于抛飞状态；(4)无人机自由落体时，接收到遥控器的档位变化，根据各个传感器反馈的信息，飞行控制器调用算法，使得自身快速进入平稳飞行状态。

【技术特征摘要】
1.一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)无人机上电，对陀螺仪、磁力计、加速度计进行校准，并检查电机解锁后是否运转正常，如果不正常，对无人机下电进行相关检查；(2)各个传感器校准完毕，电机解锁后一切正常，手持无人机准备进行抛飞；(3)向上以任意方向抛出无人机，当无人机在空中自由落体的时候，拨动遥控器档位，使得遥控器档位设置的无人机飞行模式处于抛飞状态；(4)无人机自由落体时，接收到遥控器的档位变化，根据各个传感器反馈的信息，飞行控制器调用算法，使得自身快速进入平稳飞行状态。2.根据权利要求1所述的一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法，其特征在于，步骤(4)中所述飞行控制器调用算法分别在飞行控制器的各个子控制器内部进行运算，按照角速率子控制器、姿态子控制器、速度子控制器、位置子控制器的顺序依次进行解算，具体设计步骤如下：步骤1：对系统状态Xe，设计非线性切换面s1i,s2i为其中s1＝[s11,s12,s13]T,s11为系统切换面s1的第一个切换面，s12为系统切换面s1的第二个切换面，s13为系统切换面s1的第三个切换面，s2＝[s21,s22,s23]T,s21为系统切换面s2的第一个切换面，s22为系统切换面s2的第二个切换面，s23为系统切换面s2的第三个切换面，Xe＝[x1,x2,x3]T,x1为系统状态Xe的第一个分量，x2为系统状态Xe的第二个分量，x3为系统状态Xe的第三个分量，∫Xe＝[∫x1,∫x2,∫x3]T,符号∫xe表示∫xedt，∫x1为系统状态积分∫Xe的第一个分量，∫x2为系统状态积分∫Xe的第二个分量，∫x3为系统状态积分∫Xe的第三个分量，切换面的系数为ck1＝diag{ck11,ck12,ck13},ck11为系数ck1的第一个分量，ck12为系数ck1的第二个分量，ck13为系数ck1的第三个分量，ck2＝diag{ck21,ck22,ck23}，ck21为系数ck2的第一个分量，ck22为系数ck2的第二个分量，ck23为系数ck2的第三个分量，ck3＝diag{ck31,ck32,ck33},ck31为系数ck3的第一个分量，ck32为系数ck3的第二个分量，ck33为系数ck3的第三个分量，ck1i＞ck2i＞0,ck3i＞0,i＝1,2,3，ξ＝q/p,ξ是吸引子，p和q是正奇数且p＞q；步骤2：令z1＝Xe＝[z11,z12,z13]T，z11为z1的第一个分量，z12为z1的第二个分量，z13为z1的第三个分量，方程(25)又表示为步骤3：基于切换面s1i和s2i，定义编号为0i，1i，2i，3i的子空间其数学表达式为：其中：z1i代表z11、z12、z13中的任意一个，z2i代表z21、z22、z23中的任意一个，s1i代表s11、s12、s13中的任意一个，s2i代表s21、s22、s23中的任意一个，i∈[1,2,3]；接着，在切换面s1i和s2i上确定4个点Ps1i+,Ps1i-,Ps2i+和Ps2i-满足如下条件：s1i(Ps1i+)＝0；s1i(Ps1i-)＝0；s2i(Ps2i+)＝0；s2i(Ps2i-)＝0；(28)由Ps1i+,Ps1i-,Ps2i+和Ps2i-两两相连的连线Ps1i-Ps2i-,Ps1i+Ps2i-,Ps1i-Ps2i+,Ps1i+Ps2i+构成四条辅助面h0i,h1i,h2i,h3i，其数学表达式为：hki＝ωki1z1i+ωki2z2i+mi(29)其中ωki1≠0,ωki2≠0,ωki1和ωki2是切换系数，z1i代表z11、z12、z13中第i个状态量，z2i代表z21、z22、z23中第i个状态量，mi＞0，mi是常量，hki为第k子空间的辅助面，下标k表示第几个子空间且k＝0,1,2,3，下标i表示系统状态Xe的第i个状态变量，切换系数ωki1,ωki2需要满足如下条件：ω0i1＝-ω3i1,ω0i2＝-ω3i2,ω1i1＝-ω2i1,ω1i2＝-ω2i2(30)其中ω0i1为第i个状态量对应的辅助面在第0子空间的第一个系数，ω0i2为第i个状态量对应的辅助面在第0子空间的第二个系数，ω1i1为第i个状态量对应的辅助面在第1子空间的第一个系数，ω1i2为第i个状态量对应的辅助面在第1子空间的第二个系数，ω3i1为第i个状态量对应的辅助面在第3子空间的第一个系数，ω3i2为第i个状态量对应的辅助面在第3子空间的第二个系数，ω2i1为第i个状态量对应的辅助面在第2子空间的第一个系数，ω2i2为第i个状态量对应的辅助面在第2子空间的第二个系数；步骤4：当系统状态进入子空间0i，1i，2i，3i后，辅助面就被用来设计控制器输出u，状态Zi的当前辅助面被定义为：hi＝ωi1z1i+ωi2z2i+mi,i＝1,2,3(31)其中mi＞0并且

【专利技术属性】
技术研发人员：陈挚，王道波，傅健，李坤，甄子洋，蒋婉玥，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32