一种四旋翼无人机栖停机动轨迹优化方法技术

本发明专利技术一种四旋翼无人机栖停机动轨迹优化方法，属于无人机技术领域；具体步骤包括四旋翼无人机动力学建模、生成开环运动轨迹、混合约束条件下的轨迹优化；首先，该方法以动力学模型为基础，兼顾无人机机动能力约束，是动力学可行的飞行轨迹。其次，该方法将等式约束与不等式约束均纳入罚函数，通过对罚函数求最小值的方式将含约束优化问题转化为无约束最小值问题。本发明专利技术提出的轨迹优化方法在开环运动轨迹基础上进行寻优，能够直接获得最优飞行轨迹，避免了后端轨迹广顺所需的计算时间与计算资源，算法更加直接与简单。本方法的数值计算工作量更小，计算效率更高且能达到较好的优化设计效果。化设计效果。化设计效果。

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼无人机栖停机动轨迹优化方法


[0001]本专利技术属于无人机
，具体涉及一种四旋翼无人机栖停机动轨迹优化方法。

技术介绍

[0002]微小型四旋翼无人机(Micro Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle，简称MQUAV)是当下的研究热点，在军事、民用等领域获得广泛应用。军事领域中，MQUAV装备于班组或单兵，用于战场侦查监视或者打击。民用领域中，MQUAV可以承担区域监控、数据采集、航空拍摄等任务。MQUAV以其低成本、轻小便携、强机动性等优势获得广泛关注，但无人机尺度减小伴随着储能空间急剧减缩，引发了续航时间缩短、使用效能恶化的严重问题。因此，提升MQUAV续航时间成为当下的一个亟待解决的热点问题。
[0003]垂面栖停策略是当前解决续航问题的一个有效手段，无人机垂面栖停过程如图1所示。栖停策略的灵感来源于鸟类栖落行为，是通过在无人机上加装模仿动物肢体的栖附装置，赋予无人机在线缆或者建筑物壁面栖附的能力。无人机栖附时仅借助外部作用力克服重力，无需驱动螺旋桨产生推力，因此，可以达到降低能耗、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼无人机栖停机动轨迹优化方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：四旋翼无人机动力学建模；坐标系选定：四旋翼无人机建模所需的坐标系，分别是地面坐标系O
g
x
g
y
g
z
g
和机体坐标系O
b
x
b
y
b
z
b
；两坐标系的相对关系由滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ三个角度来描述；建立动力学方程，根据刚体运动学方程和动力学方程建立四旋翼无人机的纵向运动的动力学方程：动力学方程：动力学方程：其中，F
x
为合外力在地面坐标系x
g
轴的分量，F
z
为合外力在地面坐标系z
g
轴的分量，M为无人机合力矩矢量在地面坐标系y
g
轴的分量；i为螺旋桨计数序号为，i＝1，2，3，4；F
i
为螺旋桨i的推力，M
i
为螺旋桨i的扭矩；U为无人机质心速度矢量在地面坐标系x
g
轴的分量，W为无人机质心速度矢量在地面坐标系z
g
轴的分量，q为无人机角速度矢量在地面坐标系y
g
分量；I为四旋翼无人机关于机体坐标系y
b
轴的转动惯量，m为无人机的质量；步骤二：生成开环运动轨迹；2.1.基于时间的运动轨迹求解；通过沿时间积分，获得无人机的位移与俯仰角随时间变化曲线，具体表达式为：通过沿时间积分，获得无人机的位移与俯仰角随时间变化曲线，具体表达式为：通过沿时间积分，获得无人机的位移与俯仰角随时间变化曲线，具体表达式为：通过沿时间积分，获得无人机的位移与俯仰角随时间变化曲线，具体表达式为：通过沿时间积分，获得无人机的位移与俯仰角随时间变化曲线，具体表达式为：通过沿时间积分，获得无人机的位移与俯仰角随时间变化曲线，具体表达式为：式中，U0为t＝0时刻的U值，W0为为t＝0时刻的W值，q0为为t＝0时刻的q值。x0、z0分别为t＝0时刻的坐标值，θ0分别为t＝0时刻的俯仰角；2.2.基于距离的运动轨迹求解；根据当前时刻的坐标位置，采用插值方法求解当前时刻的推力，具体步骤如下：2.2.1问题设定：给定轨迹优化的起始位置、目标位置，确定运动约束；2.2.2推力设定：在给定飞行距离内进行划分，设定采样点数N+1，将轨迹均匀的划分为N段，采用随机取样方法设定推力序列{F1(x
j
),F2(x
j
),F3(x
j
),F4(x
j
)}，j为采样点序号且j＝1～N+1，采用样条方法生成相对于距离坐标的推力曲线；2.2.3轨迹生成：采用时间推进方法求解飞行轨迹，当前时刻的推力由当前时刻对应的位置坐标在推力序列{F1(x
j
),F2(x
j
),F3(x
j
),F4(x
j
)}插值而来；
2.2.4截止条件：当求解轨迹的水平坐标与目标点水平坐标一致时，轨迹求解终止；步骤三：混合约束条件下的轨迹优化；3.1.建立约束；四旋翼无人机在垂面栖停运动过程需要满足运动过程中最大需要推力小于电机最大推力，且着陆时满足步骤二确定的运动约束，具体表述如下：3.1.1动力约束：轨迹优化过程中，任意时刻的推力输出均小于单轴最大推力F
max
；3.1.2俯仰角约束：无人机在与栖停表面接触时刻，四旋翼无人机的俯仰角为θ
des
，确保无人机将其栖停装置朝向栖停表面；3.1.3速度约束：无人机在与垂面接触时刻，四旋翼无人机垂直壁面速度U
des
范围为U
min
≤U
des
≤U
max
，法向速范围为W
min
≤W
de...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙杨，张元驰，戴维，全勇，温志勋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：