基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法，其包括构建基于重心偏移量Z1的无人机非线性六自由度运动学模型，构建基于四旋翼货运无人机负载后重心偏离地面坐标系Z轴时，无人机旋翼升力补偿模型，根据非线性六自由度运动学模型以及升力补偿模型构建控制无人机飞行姿态的多级比例微积分控制器模型，将无人机IMU单元所测量的飞行状态数据输入到所述多级比例微积分控制器模型，实现对四旋翼货运无人机的飞行姿态控制。实现对四旋翼货运无人机的飞行姿态控制。实现对四旋翼货运无人机的飞行姿态控制。

【技术实现步骤摘要】
基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机飞行姿态控制
，尤其涉及一种基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法。

技术介绍

[0002]随着无人机技术的不断发展，无人机已经成为各行各业中极为重要的一种作业工具。在货运型无人机领域目前吨位级的无人机一般采用固定翼飞机作为运输载体，虽然这种飞机能够实现大吨位货物的运输，但由于其起降均需要使用到固定跑道，因此其应用场景仍然受到极大的限制。而旋翼型无人机由于其体积小，起降条件要求低，因而更适合于小重量、近距离的物流配送。目前很多的互联网购物平台公司都在积极研制旋翼式的货运无人机，从而以应用于城市内的智能物流配送。
[0003]针对旋翼式的货运无人机而言，其货运吊舱一般均设置于无人机机体下方。当旋翼式货运无人机装载了货物之后，其整体的重心必然会偏离初始位置。特别是当旋翼式货运无人机需要进行多个目标点的货物运送时，随着货物的不断被取出，货运无人机的重心也不断发生变化。而且在货物的不断被取出的过程中，货运吊舱中的剩余货物的摆放几乎不可能一直保持使旋翼式货运无人机的重心保持在旋翼式货运无人机空载时重心的正下方。这种重心偏离的状态对旋翼式货运无人机的飞行姿态控制构成极大的障碍。
[0004]由此可见，本
中急需一种能够针对旋翼式货运无人机，在其整体重心不断发生变化时，能够根据重心检测的旋翼式货运无人机飞行姿态控制方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题之一是根据对重心的检测实现对控制旋翼式货运无人机飞行姿态的控制。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法，所述方法包括：
[0007]步骤S1，构建基于四旋翼货运无人机负载后其重心在地面坐标系Z轴上的重心偏移量Z1的无人机非线性六自由度运动学模型；所述非线性六自由度运动学模型的构建包括无人机平移运动方程的构建和角运动方程的构建；所述非线性六自由度运动学模型为：
[0008][0009]其中，x”、y”、z”为四旋翼货运无人机在地面坐标系中在X、Y、Z轴上的加速度变化率，φ”、θ”、ψ”为四旋翼货运无人机在地面坐标系下的欧拉角角加速度变化率，φ、θ、ψ为四旋翼货运无人机的俯仰角、滚转角和偏航角，m
q
为四旋翼货运无人机机体的质量，m
t
为所载物的质量，D1x2、D2y2、D3z2为地面坐标系下无人机在三个坐标轴方向上的气流干扰力，g为重力常量，F1、F2、F3、F4分别为四旋翼无人机四个旋翼所产生的升力，l为四旋翼货运无人机的螺旋桨中心到四旋翼货运无人机空载时重心的长度，Z1为四旋翼货运无人机装载后重心在Z轴下移的下移量，b为四旋翼无人机的升力参数，d为四旋翼无人机的反扭矩因子，ω1、ω2、ω3、ω4分别对应四旋翼无人机四个旋翼的转速，I
x
、I
y
、I
z
为无人机绕地面坐标系X、Y、Z轴的转动惯量；
[0010]步骤S2，构建四旋翼货运无人机负载状态下其重心偏离地面坐标系Z轴时的无人机旋翼升力补偿模型；所述升力补偿模型为：
[0011][0012]步骤S3，根据上述非线性六自由度运动学模型以及升力补偿模型构建控制无人机飞行姿态的多级比例微积分控制器模型；所述多级比例微积分控制器模型包括位置控制器、速度控制器、姿态控制器、角速率控制器和升力补偿控制器；其依次串联连接，通过逐级产生控制信号，最后形成产生控制四个旋翼的电压电流信号；
[0013]步骤S4，将无人机IMU单元所测量的飞行状态数据输入到所述多级比例微积分控制器模型，实现对四旋翼货运无人机的飞行姿态控制。
[0014]在一个实施例中，所述四旋翼货运无人机为十字型四旋翼无人机。
[0015]在一个实施例中，所述四旋翼货运无人机在空载状态下无人机重心位于无人机四个旋翼所构成的平面内。
[0016]在一个实施例中，所述无人机IMU单元包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力传感器。
[0017]本专利技术的另一方面在于提供一种基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制系统，所述控制系统包括运算部和存储部，所述存储部中存储有用于执行如下方法的程
序：
[0018]步骤S1，构建基于四旋翼货运无人机负载后其重心在地面坐标系Z轴上的重心偏移量Z1的无人机非线性六自由度运动学模型；所述非线性六自由度运动学模型的构建包括无人机平移运动方程的构建和角运动方程的构建；所述非线性六自由度运动学模型为：
[0019][0020]其中，x”、y”、z”为四旋翼货运无人机在地面坐标系中在X、Y、Z轴上的加速度变化率，φ”、θ”、ψ”为四旋翼货运无人机在地面坐标系下的欧拉角角加速度变化率，φ、θ、ψ为四旋翼货运无人机的俯仰角、滚转角和偏航角，m
q
为四旋翼货运无人机机体的质量，m
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为所载物的质量，D1x2、D2y2、D3z2为地面坐标系下无人机在三个坐标轴方向上的气流干扰力，g为重力常量，F1、F2、F3、F4分别为四旋翼无人机四个旋翼所产生的升力，l为四旋翼货运无人机的螺旋桨中心到四旋翼货运无人机空载时重心的长度，Z1为四旋翼货运无人机装载后重心在Z轴下移的下移量，b为四旋翼无人机的升力参数，d为四旋翼无人机的反扭矩因子，ω1、ω2、ω3、ω4分别对应四旋翼无人机四个旋翼的转速，I
x
、I
y
、I
z
为无人机绕地面坐标系X、Y、Z轴的转动惯量；
[0021]步骤S2，构建四旋翼货运无人机负载状态下其重心偏离地面坐标系Z轴时的无人机旋翼升力补偿模型；所述升力补偿模型为：
[0022][0023]步骤S3，根据上述非线性六自由度运动学模型以及升力补偿模型构建控制无人机飞行姿态的多级比例微积分控制器模型；所述多级比例微积分控制器模型包括位置控制器、速度控制器、姿态控制器、角速率控制器和升力补偿控制器；其依次串联连接，通过逐级产生控制信号，最后形成产生控制四个旋翼的电压电流信号；
[0024]步骤S4，将无人机IMU单元所测量的飞行状态数据输入到所述多级比例微积分控制器模型，实现对四旋翼货运无人机的飞行姿态控制。
[0025]在一个实施例中，所述四旋翼货运无人机为十字型四旋翼无人机。
[0026]在一个实施例中，所述四旋翼货运无人机在空载状态下无人机重心位于无人机四个旋翼所构成的平面内。
[0027]在一个实施例中，所述无人机IMU单元包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力传感器。
[0028]<本专利技术所涉及的四旋翼无人机结构及六维度运动方式>
[0029]四旋翼无人机根据其旋翼位置的不同一般分为十字型和X型两种，本专利技术针对的是十字型四旋翼无人机。如图1所示，该四旋翼无人机机身的四周分别对称性的安装有四个直流电机，并且每个电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1，构建基于四旋翼货运无人机负载后其重心在地面坐标系Z轴上的重心偏移量Z1的无人机非线性六自由度运动学模型；所述非线性六自由度运动学模型的构建包括无人机平移运动方程的构建和角运动方程的构建；所述非线性六自由度运动学模型为：其中，x”、y”、z”为四旋翼货运无人机在地面坐标系中在X、Y、Z轴上的加速度变化率，φ、θ、ψ为四旋翼货运无人机的俯仰角、滚转角和偏航角，φ”、θ”、ψ”为四旋翼货运无人机在地面坐标系下的俯仰角、滚转角和偏航角的角加速度变化率，m
q
为四旋翼货运无人机机体的质量，m
t
为所载物的质量，D1x2、D2y2、D3z2为地面坐标系下无人机在三个坐标轴方向上的气流干扰力，g为重力常量，F1、F2、F3、F4分别为四旋翼无人机四个旋翼所产生的升力，l为四旋翼货运无人机的螺旋桨中心到四旋翼货运无人机空载时重心的长度，Z1为四旋翼货运无人机装载后重心在Z轴下移的下移量，b为四旋翼无人机的升力参数，d为四旋翼无人机的反扭矩因子，ω1、ω2、ω3、ω4分别对应四旋翼无人机四个旋翼的转速，I
x
、I
y
、I
z
为无人机绕地面坐标系X、Y、Z轴的转动惯量；步骤S2，构建四旋翼货运无人机负载状态下其重心偏离地面坐标系Z轴时的无人机旋翼升力补偿模型；所述升力补偿模型为：步骤S3，根据上述非线性六自由度运动学模型以及升力补偿模型构建控制无人机飞行姿态的多级比例微积分控制器模型；所述多级比例微积分控制器模型包括位置控制器、速度控制器、姿态控制器、角速率控制器和升力补偿控制器；其依次串联连接，通过逐级产生控制信号，最后形成产生控制四个旋翼的电压电流信号；步骤S4，将无人机IMU单元所测量的飞行状态数据输入到所述多级比例微积分控制器模型，实现对四旋翼货运无人机的飞行姿态控制。2.根据权利要求1所述的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述四旋
翼货运无人机为十字型四旋翼无人机。3.根据权利要求1所述的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述四旋翼货运无人机在空载状态下无人机重心位于无人机四个旋翼所构成的平面内。4.根据权利要求1所述的四旋翼货运无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述无人机IMU单元包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力传感器。5.一种基于重心检测的四旋翼货运无人机飞行姿态控制系统，所述控制系统包括运算部和存储部，所述存储部中存储有用于执行如下方法的程序：步骤S1，构建基于四旋翼货运无人机...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚枫，聂永斌，刘泽峰，蒋坤宏，谭蒙，
申请(专利权)人：航天时代飞鹏有限公司，
类型：发明
国别省市：