一种四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法技术

本发明专利技术所述的四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法，主要对携带不平衡负载的飞行器进行重新建模，串级PID控制其稳定飞行，利用神经网络自适应来逼近负载晃动，当负载的重心位置严重偏离出机体之外时仍然能够稳定飞行。

A control method for the stable flight of a four rotor vehicle with unbalanced load

The four rotor aircraft carrying the unbalanced load control method for stable flight, mainly carry on the unbalanced load of vehicle for re modeling, cascade PID control the stable flight, to approximate the load sway by using neural network adaptive, when the load of the centroid position of the serious deviation from the outside of the body still can fly stably.

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法
：本专利技术属于飞行控制
其突出特点是四旋翼飞行器在携带负载飞行的过程中重物突然偏离，使四旋翼飞行器的重心偏离出机身之外，破环其飞行的稳定性，但是在本文的改进的模型和算法下四旋翼飞行器依然能够稳定飞行。
技术介绍
：随着微电子技术、传感器技术以及各种控制算法的进步，四旋翼飞行器成为人们研究的热点。它常被用来搜救、航拍、物流服务、军事侦察以及目标打击等诸多领域。2016年12月7日亚马逊在英国成功完成了首次无人机送货。2017年二月中旬顺丰快递公司也在开发无人机运送快递。国内外的很多学者研究了四旋翼飞行器稳定控制。多数针对挂在四旋翼质心位置下的摇摆不定的负载问题进行建模仿真研究。都未考虑到负载严重失衡的情况下飞行器的整体模型，针对这一问题，本专利技术将针对四旋翼飞行器在不平衡负载下稳定飞行进行研究，具有很大的实用价值。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题是对携带不平衡负载的飞行器进行重新建模，串级PID控制其稳定飞行，利用神经网络自适应来逼近负载晃动，当负载的重心位置严重偏离出机体之外时仍然能够稳定飞行。(1)根据起飞姿态信息，重新计算不平衡负载下飞行器重心位置在不平衡负载下，以机体坐标系下，飞行器的重心位置由之前的O(0，0，0)移至G(xg，yg，0)，重心位置通过从开机到离地这段时间的飞行参数来估计，因此，起飞时根据MPU6050传感器采集到的姿态信息推导出飞行器的姿态角和重心坐标之间存在如下的关系：其中，θ，ψ分别为飞行器绕x轴、y轴和z轴的旋转角度，M为飞行器加负载之后的总质量，最终可以得到重心位置的坐标，根据重心坐标对系统模型进行修正；(2)力学平衡方程的建立设四旋翼的总质量为M＝m+m′，m′为负载的质量，四旋翼在空中悬停时四个螺旋桨的升力和与四旋翼的重力相等，F1～F4分别为四只螺旋桨产生的升力，可以写为公式(2)，F1+F2+F3+F4＝Mg(2)每个电机电机到机身中心的距离均为l转动过程中每个螺旋桨产生的绕x轴和y轴的力矩平衡方程为：悬停时还需要保证反扭矩为0，式中M1,M3,M2,M4为1-4号电机角速度为ω1,ω2,ω3,ω4产生的反转矩M1+M3＝M2+M4(4)结合(1)(2)(3)得到在不平衡负载下，飞行器在空中悬停的受力平衡方程组(5)；(3)角速度平衡方程的建立F＝Hω2，是螺旋桨参数式，F为螺旋桨产生的升力，C为升力系数，只和螺旋桨的几何参数有关，S为螺旋桨在地面的投影面积，ρ是空气密度,ω1+ω3＝ω2+ω4＝ω(6)为了同时保证式(5)和式(6)同时成立，可以对式(6)做如下修改：(ω0+Δω13)+(ω0-Δω13)＝(ω0+Δω24)+(ω0-Δω24)(7)其中，ω0是飞行器在平衡负载下每只螺旋桨的平均转速，由式(5)和式(7)，可以得出Δω13和Δω24分别为：那么在不平衡负载下，四只螺旋桨的转速做下面的修正，达到预期位置和姿态；4)不平衡负载下飞行器的运动学分析将四旋翼飞行器看作一个在空间中运动的刚体在地面坐标系下的受力分析为Fx、Fy和Fz分别是飞行器的总升力沿地面坐标系x轴、y轴和z轴方向上的分力Sx、Sy和Sz分别为飞行器沿x、y和z轴方向上的位移，其一阶导数表示速度，二阶导数表示加速度；在不平衡负载下飞行器的动力学模型为：根据以上论述，结合欧拉公式得到不平衡负载下的四旋翼飞行器的整体动力学模型：θ,ψ的一阶导数表示角速度，二阶导数表示角加速度，Jx、Jy和Jz分别是飞行器三个轴的转动惯量；可以发现，当重心位置G(xg,yg,0)在机体坐标原点的时候，即当xg=0，yg=0时，该系统模型就和一般的平衡负载模型一致。5)姿态解算四旋翼飞行器飞行过程中期望的姿态角为0，应用欧拉角方法将四旋翼飞行器在空中飞行的姿态信息反馈到主控制器中，根据期望输出与实际输出的误差设计串级PID控制器控制，计算出控制量，转化为相应的控制信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行。2、一种四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法，其特征在于，所述串级PID控制器考虑到四旋翼飞行器在工作过程中受到非线性的因素的影响，在串级PID的基础设计了神经网络自适应控制算法逼近系统的非线性部分，算法设计如下：假设：不确定性为连续的且有界，满足有ρi为一正常数。将公式(13)所描述的四旋翼飞行器运动方程写成如下形式：将RBF神经网络的输出代替未知函数可得控制律为：具体推导步骤及证明过程如下x为网络的输入；i为网络的输入个数；j为网络隐含层第j个节点；h=[h1h2…hn]T为高斯函数的输出；ε为网络的逼近误差ε≤εn。网络的输入取则RBF网络输出为：设计自适应律为：得到推倒过程中闭环系统表达式最优权值为：定义模型逼近误差为：得到最终的闭环方程：设Lyapunov函数为V＝V1+V2Υ为正常数，矩阵P为对称正定的且满足如下Lyapunov方程：ATP+PA＝-Q最终得到将自适应律代入上式，可得：由于可通过设计神经网络，使逼近误差ζ＝ρ-ρd足够小，从而可使从而系统收敛。附图说明图1是不平衡负载下飞行器的受力图；图2是挂重物重心位置变化图；图3整个专利技术的流程图；图4翻滚角仿真实验结果；图5俯仰角仿真实验结果；图6偏航角仿真实验结果；图中曲线说明：本专利技术进行了仿真和实验验证，做了两组对比实验：(1)在已有的串级PID为控制算法，分别控制常规的四旋翼模型(曲线1)和本专利技术推导的四旋翼模型(曲线2)；(2)以本专利技术所推导的模型为控制对象，分别用本专利技术的算法(曲线3)和已有专利技术的串级PID算法(曲线2)进行对比，发现本专利技术控制的四旋翼飞行器更稳定；图7为实际飞行过程中负载在距中心10cm时翻滚角比较；图8为实际飞行过程中负载在距中心10cm时俯仰角角比较；图9为实际飞行过程中负载在距中心20cm时翻滚角比较；图10为实际飞行过程中负载在距中心20cm时俯仰角比较；图11为实际飞行过程中双边负载在距中心20cm时翻滚角比较；图12为实际飞行过程中双边负载在距中心20cm时俯仰角比较；具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细的描述本专利技术所述的四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法，主要对携带不平衡负载的飞行器进行重新建模，串级PID控制其稳定飞行，利用神经网络自适应来逼近负载晃动，当负载的重心位置严重偏离出机体之外时仍然能够稳定飞行。参阅图1，图2，所述的四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的方法包括四旋翼飞行器的重新建模：(1)根据起飞姿态信息，重新计算不平衡负载下飞行器重心位置在不平衡负载下，以机体坐标系下，飞行器的重心位置由之前的O(0，0，0)移至G(xg，yg，0)，重心位置通过从开机到离地这段时间的飞行参数来估计，因此，起飞时根据MPU6050传感器采集到的姿态信息推导出飞行器的姿态角和重心坐标之间存在如下的关系：其中，θ，ψ分别为飞行器绕x轴、y轴和z轴的旋转角度，M为飞行器加负载之后的总质量，最终可以得到重心位置的坐标，根据重心坐标对系统模型进行修正；(2)力学平衡方程的建立根据四旋翼飞行器在空间的悬停状态时，升力与重力大小相等，反扭矩和为0以及绕x轴和y轴的力矩平衡方程，得到在不平衡负载下，飞行器在空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)根据起飞姿态信息，重新计算不平衡负载下飞行器重心位置在不平衡负载下，以机体坐标系下，飞行器的重心位置由之前的O(0，0，0)移至G(xg，yg，0)，重心位置通过从开机到离地这段时间的飞行参数来估计，因此，起飞时根据MPU6050传感器采集到的姿态信息推导出飞行器的姿态角和重心坐标之间存在如下的关系：

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)根据起飞姿态信息，重新计算不平衡负载下飞行器重心位置在不平衡负载下，以机体坐标系下，飞行器的重心位置由之前的O(0，0，0)移至G(xg，yg，0)，重心位置通过从开机到离地这段时间的飞行参数来估计，因此，起飞时根据MPU6050传感器采集到的姿态信息推导出飞行器的姿态角和重心坐标之间存在如下的关系：其中，θ，ψ分别为飞行器绕x轴、y轴和z轴的旋转角度，M为飞行器加负载之后的总质量，最终可以得到重心位置的坐标，根据重心坐标对系统模型进行修正；(2)力学平衡方程的建立根据四旋翼飞行器在空间的悬停状态时，升力与重力大小相等，反扭矩和为0以及绕x轴和y轴的力矩平衡方程，得到在不平衡负载下，飞行器在空中悬停的受力平衡方程组；其中，M1、M2、M3和M4分别为四只螺旋桨对飞行器产生的反扭矩，四只电机到机身中心的距离均为l，F1～F4分别为四只螺旋桨产生的升力；(3)角速度平衡方程的建立F＝Hω2，是螺旋桨参数式，F为螺旋桨产生的升力，C为升力系数，只和螺旋桨的几何参数有关，S为螺旋桨在地面的投影面积，ρ是空气密度,ω1+ω3＝ω2+ω4＝ω(3)为了同时保证式(2)和式(3)同时成立，可以对式(3)做如下修改：(ω0+Δω13)+(ω0-Δω13)＝(ω0+Δω24)+(ω0-Δω24)(4)其中，ω0是飞行器在平衡负载下每只螺旋桨的平均转...

【专利技术属性】
技术研发人员：康冰，刘云，闫冬梅，刘富，车玉涵，杜成岩，杜一男，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22