六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法技术

本发明专利技术提供了一种六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法，包括如下步骤：采集六旋翼无人机上多个电机的电流和/或电压，根据所述电流和/或电压判断每一所述电机是否存在故障；当判断出一所述电机为故障电机时，关闭另一与所述故障电机相邻且转动方向相反的电机；根据所述故障电机所驱动的桨翼i的序号选择相对应的映射矩阵Ri，并根据所述映射矩阵Ri将输入姿态角转换为控制姿态角,i为大于等于0小于等于6的自然数；将所述控制姿态角输入所述六旋翼无人机的飞行控制模块以控制所述六旋翼无人机飞行。本发明专利技术在六旋翼无人机中每一电机的具有倾斜的安装角度时，能够根据电机的故障情况优化动力分配，实现六旋翼无人机的容错控制。

【技术实现步骤摘要】
六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法
本专利技术涉及多旋翼无人机，具体地，涉及一种六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法。
技术介绍
标准的六旋翼无人机比四轴旋翼无人机相比，有着更好的稳定性。安装有更多的电机以获得更好的控制效果。六旋翼无人机在一个电机失效的情况下，仍然比四轴旋翼无人机多一个电机。而此时常被错误的认为失效一个电机的飞行器仍然可控。但是事实上当六旋翼无人机在损失一个电机后是无法严格保证悬停的。而针对将电机具有安装倾角的无人机，在6个螺旋桨正常工作以及1个损坏的情况下，通用无人机的飞控算法并不支持电机有安装倾角的无人机以及坏桨的控制。因此需要设计一种控制算法和架构来实现六旋翼无人机的容错控制。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法。本专利技术针改变了六旋翼无人机电机的安装角度，根据电机的故障情况优化动力分配，实现六旋翼无人机的容错控制。其中六旋翼无人机的位置和姿态控制可以描述如下：遥控器发出俯仰、横滚、偏航角以及油门命令，六旋翼无人机接收到遥控器的命令，在六个电机正常以及一个电机故障的时候可以实现自动容错控制。根据本专利技术提供的六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法，所述六旋翼无人机的每一电机具有相对于水平面沿一方倾斜安装角α，沿另一方向的倾斜安装角β，包括如下步骤：步骤S1：采集六旋翼无人机上多个电机的电流和/或电压，根据所述电流和/或电压判断每一所述电机是否存在故障；步骤S2：当判断出一所述电机为故障电机时，关闭另一与所述故障电机相邻且转动方向相反的电机；步骤S3：根据所述故障电机所驱动的桨翼i的序号选择相对应的映射矩阵Ri，并根据所述映射矩阵Ri将输入姿态角转换为控制姿态角,i为大于等于0小于等于6的自然数；步骤S4：将所述控制姿态角输入所述六旋翼无人机的飞行控制模块以控制所述六旋翼无人机飞行。优选地，还包括如下步骤：步骤S5：通过传感器采集所述六旋翼无人机的飞行姿态角；步骤S6：根据所述控制姿态角和所述飞行姿态角之间的偏差值，计算需对所述六旋翼无人机施加的目标推力和目标转矩τr，进而根据所述目标推力和目标转矩τr计算出每一电机的转速。优选地，当一电机的电流和/或电压存在如下方式时，判定所述电机存在故障：-所述电流大于电流上限阈值；-所述电流小于电流下限阈值；-所述电流变化速率大于电流变化速率阈值；-所述电压大于电压上限阈值；-所述电压小于电压下限阈值；-所述电压变化速率大于电压变化速率阈值。优选地，在所述步骤S1之前还包括如下步骤：步骤M1：建立机体坐标系FB，FB＝{OB，(xB,yB,zB)}，其中，OB为机体的中心，zB、xB、yB分别为六旋翼无人机的Z轴、X轴、Y轴；zB表示六旋翼无人机在平衡状态时，垂直于地面的方向，xB表示穿过所述机体的中心沿所述机体的机头延伸的方向，yB表示垂直于zB和xB的方向；在电机i水平安装时，建立初始电机坐标系，在所述初始电机坐标系中zC为Z轴，表示电机i的轴线方向且垂直于地面的方向，xC为X轴，表示穿过所述电机i的中心沿所述机臂延伸的方向，yC为Y轴，表示垂直于zC和xC形成平面的方向；步骤M2：对于每一电机i，当该电机i驱动浆翼i顺时针转动时，将该电机i绕xC轴逆时针旋转αi角度以及绕yC轴逆时针旋转βi角度；当该电机i驱动浆翼i逆时针转动时，将该电机i绕xC轴顺时针旋转αi角度以及绕yC轴逆时针旋转βi角度；在本实施例，所述逆时针旋转和所述顺时针旋转的观测位置位于所述六旋翼无人机的外侧。步骤M3：对于电机i，建立旋转后电机坐标系其中，i表示电机的序号，i为大于0小于等于6的自然数，表示电机i的中心，为电机i的Z轴、X轴、Y轴；为Z轴，表示电机i的轴线方向，为X轴，表示穿过所述电机i的中心与所述机臂延伸的方向呈βi角度的方向，为Y轴，表示垂直于和的方向；步骤M4：将每一轴与zB轴之间的夹角通过倾斜安装角α、β来表示，由于第i桨翼的zpi轴与该翼的旋转轴的轴向同方向，第i桨翼的zpi轴与机体坐标系zB轴之间的旋转关系为，zpi＝Ry(βi)Rx(αi)zB其中，Ry(βi)表示yB方向的旋转矩阵，Rx(αi)表示xB方向的旋转矩，分别表示如下：当zB＝[001]的时候，能够得到：矩阵的第三个元素；步骤M5：第i桨翼会产生沿zpi方向的推力fi和转矩τi，在坐标系中可以表示为，其中，kfi、kτi为与桨翼物理特性相关的常系数，kfi为推力与转速的关系参数，kτi为力矩与转速的关系参数，ωi为每个桨翼的转速，+表示该桨翼的旋转方向为顺时针，-表示该桨翼的旋转方向为逆时针。六旋翼无人机的所有能够转动的螺旋桨所产生的总推力和总扭矩τc在地面坐标系下可以表示为其中，pi表示原点在机体坐标系FB中的位置，u＝[ω1|ω1|,ω2|ω2|…,ω6|ω6|]，F1为控制输入u到施加到无人机的推力的转换矩阵，F2为控制输入u到施加到无人机的转矩的转换矩阵，n为能够转动的电机的总数，n小于等于i，R为地面坐标系与旋转后电机坐标系之间的转换矩阵,表示3×n的有理数矩阵；根据牛顿欧拉公式，带有倾角的六旋翼无人机的动力学模型如下，其中，六旋翼无人机的质量为m，g为重力加速度，ω为六旋翼无人机的姿态角，为六旋翼无人机的角速度，J为转动惯量，为加速度，e3为地面坐标系Z轴(0，0，1)。优选地，所述Ri包括R0、R1、R2、R3、R4、R5以及R6；当不存在电机故障时，采用映射矩阵R0，所述六旋翼无人机包括第一号电机、第二号电机、第三号电机、第四号电机、第五号电机以及第六号电机；当第一号电机、第二号电机故障时，采用映射矩阵R1、R2，当第三号电机、第四号电机故障时，采用映射矩阵R3、R4，当第五号电机、第六号电机故障时，采用映射矩阵R5、R6，优选地，根据所述映射矩阵Ri将输入姿态角转换为控制姿态角，具体为：[Φθψ]control＝Ri[Φθψ]pilot[Φθψ]pilot为输入姿态角，[Φθψ]control为控制姿态角，Φ表示横滚角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角。优选地，所述步骤S5包括如下步骤：步骤S501：求解稳态解，具体为，当六旋翼无人机在悬停姿态的时候满足下式：由F2u＝0可知，稳态解u属于转换矩阵F2的核空间，能够确定u的解缩小为一条直线，根据RF1u＝mge3能够确定u唯一的解；步骤S502：使得总扭矩τc尽量接近目标扭矩τr，总推力尽量接近目标推力通过如下优化目标求解动力分配，进而通过合并简化可以得到，其中，c为标量系数。优选地，所述电机与带倾角的基座相连接，所述基座固定在六旋翼无人机电机的水平机架上。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术在六旋翼无人机中每一电机的具有倾斜的安装角度时，能够根据电机的故障情况优化动力分配，实现六旋翼无人机的容错控制，即在六个电机正常以及一个电机故障的时候可以实现自动容错控制。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术中六旋翼无人机的模块示意图；图2为本专利技术中六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法的步骤流程图；图3为本专利技术中输入姿态角的映射算法的集成流程图；图4为本专利技术中动力分配模块的集成流程图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法，所述六旋翼无人机的每一电机具有相对于水平面沿一方倾斜安装角α，沿另一方向的倾斜安装角β，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：采集六旋翼无人机上多个电机的电流和/或电压，根据所述电流和/或电压判断每一所述电机是否存在故障；步骤S2：当判断出一所述电机为故障电机时，关闭另一与所述故障电机相邻且转动方向相反的电机；步骤S3：根据所述故障电机所驱动的桨翼i的序号选择相对应的映射矩阵Ri，并根据所述映射矩阵Ri将输入姿态角转换为控制姿态角,i为大于等于0小于等于6的自然数；步骤S4：将所述控制姿态角输入所述六旋翼无人机的飞行控制模块以控制所述六旋翼无人机飞行。

【技术特征摘要】
1.一种六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法，所述六旋翼无人机的每一电机具有相对于水平面沿一方倾斜安装角α，沿另一方向的倾斜安装角β，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：采集六旋翼无人机上多个电机的电流和/或电压，根据所述电流和/或电压判断每一所述电机是否存在故障；步骤S2：当判断出一所述电机为故障电机时，关闭另一与所述故障电机相邻且转动方向相反的电机；步骤S3：根据所述故障电机所驱动的桨翼i的序号选择相对应的映射矩阵Ri，并根据所述映射矩阵Ri将输入姿态角转换为控制姿态角,i为大于等于0小于等于6的自然数；步骤S4：将所述控制姿态角输入所述六旋翼无人机的飞行控制模块以控制所述六旋翼无人机飞行。2.根据权利要求1所述的六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：步骤S5：通过传感器采集所述六旋翼无人机的飞行姿态角；步骤S6：根据所述控制姿态角和所述飞行姿态角之间的偏差值，计算需对所述六旋翼无人机施加的目标推力和目标转矩τr，进而根据所述目标推力和目标转矩τr计算出每一电机的转速。3.根据权利要求1所述的六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法，其特征在于，当一电机的电流和/或电压存在如下方式时，判定所述电机存在故障：-所述电流大于电流上限阈值；-所述电流小于电流下限阈值；-所述电流变化速率大于电流变化速率阈值；-所述电压大于电压上限阈值；-所述电压小于电压下限阈值；-所述电压变化速率大于电压变化速率阈值。4.根据权利要求1所述的六旋翼无人机的自动容错姿态控制方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括如下步骤：步骤M1：建立机体坐标系FB，FB＝{OB，(xB,yB,zB)}，其中，OB为机体的中心，zB、xB、yB分别为六旋翼无人机的Z轴、X轴、Y轴；zB表示六旋翼无人机在平衡状态时，垂直于地面的方向，xB表示穿过所述机体的中心沿所述机体的机头延伸的方向，yB表示垂直于zB和xB的方向；在电机i水平安装时，建立初始电机坐标系，在所述初始电机坐标系中zC为Z轴，表示电机i的轴线方向且垂直于地面的方向，xC为X轴，表示穿过所述电机i的中心沿所述机臂延伸的方向，yC为Y轴，表示垂直于zC和xC形成平面的方向；步骤M2：对于每一电机i，当该电机i驱动浆翼i顺时针转动时，将该电机i绕xC轴逆时针旋转αi角度以及绕yC轴逆时针旋转βi角度；当该电机i驱动浆翼i逆时针转动时，将该电机i绕xC轴顺时针旋转αi角度以及绕yC轴逆时针旋转βi角度；在本实施例，所述逆时针旋转和所述顺时针旋转的观测位置位于所述六旋翼无人机的外侧。步骤M3：对于电机i，建立旋转后电机坐标系其中，i表示电机的序号，i为大于0小于等于6的自然数，表示电机i的中心，为电机i的Z轴、X轴、Y轴；为Z轴，表示电机i的轴线方向，为X轴，表示穿过所述电机i的中心与所述机臂延伸的方向呈βi角度的方向，为Y轴，表示垂直于和的方向；步骤M4：将每一轴与zB轴之间的夹角通过倾斜安装角α、β...

【专利技术属性】
技术研发人员：常亮，蔡星，孙培，
申请(专利权)人：上海扩博智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31