一种可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法，步骤如下：推导动力学模型和执行器控制分配矩阵；建立飞行器位置和姿态并行控制的全向控制模型；推导飞行器速度环和角速度环扩张状态观测器一般形式；设计干扰观测器的比例‑微分速度控制器和角速度控制器；建立变量代换的线性化控制分配方案。本发明专利技术提高了空中机器人姿态控制器的鲁棒性和可靠性；克服可倾转多旋翼飞行器本身的参数摄动对控制器带来的影响，对飞行过程中机体受到的未知外部扰动起到良好的抑制作用；控制参数便于调节，易于工程实现。

【技术实现步骤摘要】
一种可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法
本专利技术涉及飞行器控制领域，特别涉及一种可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法。
技术介绍
近年来多旋翼飞行器的应用逐渐从传统的被动式任务转变为主动交互式任务，然而在新应用场景中出现了诸多的挑战，如有限的有效负载能力、飞行续航时间段以及户外不确定因素的影响，最主要的是缺少驱动性，即无法形成六自由度的力和力矩。四旋翼飞行器在大多数应用和研究中用作主要平台，但缺少驱动，只能够形成机身垂直方向上的力，在水平方向上必须通过滚转和俯仰进行加速。全向飞行器是一种具有全向运动能力的飞行器，能够独立的控制位置和姿态，可倾转多旋翼飞行器即为典型的全向飞行器。KaufmanE等人于2014年在IEEE期刊中提出Designanddevelopmentofafree-floatinghexrotorUAVfor6-DOFmaneuvers，设计了一种非线性几何控制器，仅考虑了姿态控制；马振强等人于2016年在飞行力学期刊中公开具有全向推力矢量的六旋翼无人机设计与建模，提出了一种具有推力矢量的飞行器，但是该飞行器难以实现倾转悬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法，其特征在于，步骤如下：/n(1)根据飞行器的结构特性，推导动力学模型和执行器控制分配矩阵；/n(2)根据动力学模型，建立飞行器位置和姿态并行控制的全向控制模型；/n(3)根据全向控制模型，推导飞行器速度环和角速度环扩张状态观测器一般形式；/n(4)根据扩张状态观测器，设计干扰观测器的比例-微分速度控制器和角速度控制器；/n(5)根据控制分配矩阵，建立变量代换的线性化控制分配方案，将全向控制器输出分配到执行器输出量。/n

【技术特征摘要】
1.一种可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法，其特征在于，步骤如下：
(1)根据飞行器的结构特性，推导动力学模型和执行器控制分配矩阵；
(2)根据动力学模型，建立飞行器位置和姿态并行控制的全向控制模型；
(3)根据全向控制模型，推导飞行器速度环和角速度环扩张状态观测器一般形式；
(4)根据扩张状态观测器，设计干扰观测器的比例-微分速度控制器和角速度控制器；
(5)根据控制分配矩阵，建立变量代换的线性化控制分配方案，将全向控制器输出分配到执行器输出量。


2.根据权利要求1所述的可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中控制分配矩阵为：



控制分配表达式为：



式中，Fd表示控制器期望旋翼产生的驱动力，Fd＝[FxFyFz]T；Md表示控制器期望旋翼产生的驱动力矩，Md＝[MxMyMz]T；Rm表示世界坐标系到机体坐标系的旋转矩阵；ni2表示第i个旋翼的转速平方，i＝1,2,3,4；αi表示第i个旋翼绕机臂倾转角度，i＝1,2,3,4；s(αi)和c(αi)分别表示为sin(αi)和cos(αi)，l表示升力系数旋翼推力中心到机体几何中心距离，kf表示升力系数，cd表示旋翼电机的反扭矩系数。


3.根据权利要求1所述的可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法，其特征在于，所述步骤(3)速度环扩张状态观测器表达式为：



系统姿态通道的模型如下式所示：



式中，F为速度环的控制力；是总扰动力；m为可倾转多旋翼飞行器的质量属性，I3为单位矩阵，Bv为动力系数；βξ,1和βξ,2表示扩张状态观测器的增益；表示速度v的估计值；表示总扰动力的估计值。


4.根据权利要求1所述的可倾转多旋翼飞行器的全向控制方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢凯文，杨忠，姜遇红，廖禄伟，徐浩，许昌亮，周东升，
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