一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置，应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，包括机体和一轻绳，机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，轻绳沿定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个模块之间通过被动式伸缩机构连接，被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当伺服电机牵引轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该方法包括：建立主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；根据运动学方程设计控制框架，控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器；利用非线性模型预测控制器进行主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。制。制。

【技术实现步骤摘要】
一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置


[0001]本申请涉及新型无人机设计与控制
，尤其涉及一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置。

技术介绍

[0002]近年来，四旋翼由于具有体积小、结构简单、机动性高、可垂直起降、可悬停等优点，被应用于航拍、灾后搜救、农业灌溉、包裹递送等领域。然而，目前的四旋翼仍然缺乏适应环境的飞行能力，狭窄多变的复杂环境会限制其运动的可通行性，例如难以完成穿越狭窄缝隙等；另一方面，传统的四旋翼无人机难以在不依赖于外部机械臂结构下独立运输物体，这限制了四旋翼在复杂的情况下机动能力和执行任务的多样性，例如复杂环境搜救、救援物资运输等。
[0003]常见四旋翼飞行器的机械结构通常固定不变，物理尺寸不可改变。当它在狭窄环境飞行时，例如洞穴和灾后废墟环境中，会因为自身尺寸过大而无法适应环境，限制其飞行空间。为此，研究者设计了一些尺寸小巧的微型四旋翼，来解决狭窄环境中的通行性问题。但这些微型四旋翼由于尺寸小，存在一些缺陷，四旋翼尺寸变小，则相应螺旋桨尺寸变小，可装载的电池容量变小，则其负载能力会显著下降，可搭载的传感器和载重都会下降，在实际应用的价值降低。针对提高四旋翼的环境适应性这一问题，研究者在其机械结构上进行了改进，其中一些案例如下。Takumi Fukuda等人在《A.Sakaguchi,T.Takimoto,and T.Ushio,“A novel quadcopter with a tilting frame using parallel link mechanism,”in 2019 International Conference on Unmanned Aircraft Systems(ICUAS),2019,pp.674
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683》公开了具有平行连杆结构的四旋翼飞行器，电机之间由平行连杆结构连接，平行连杆结构变形可以改变机体姿态，减小四旋翼悬停时的物理尺寸，但其结构非常复杂。N.Zhao等人在《N.Zhao,Y.Luo,H.Deng,Y.Shen,and H.Xu,“The deformable quad
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rotor enabled and wasp
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pedal
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carrying inspired aerial gripper,”in 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS),2018,pp.1
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9》提出了基于剪刀状可折叠结构的新型可变形四旋翼飞行器，通过折叠机构收缩来调整四旋翼的大小，以适应更狭窄的空间。但是在从实际飞行效果看，存在飞行控制复杂、质量较大和体积较大等缺陷。Karishma Patnaik等人在《K.Patnaik,S.Mishra,S.M.R.Sorkhabadi,and W.Zhang,“Design and control of squeeze:A spring
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augmented quadrotor for interactions with the environment to squeeze
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and
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fly,”in 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots 0and Systems(IROS),2020,pp.1364
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1370》提出了一种与外部环境接触驱动机臂旋转的四旋翼飞行器，每个机臂铰链处带有扭转弹簧，可缩小尺寸飞行通过狭窄的间隙和通道。但是，该四旋翼飞行器依赖于与环境接触变形，在通过表面粗糙的通道时，飞行效率较低。Nathan Bucki等人在《N.Bucki,J.Tang,and M.W.Mueller,“Design and control of a midair reconfigurable quadcopter using unactuated hinges,”ArXiv,vol.abs/2103.16632,
2021》设计使用无源旋转接头来实现快速的空中变形的四旋翼。在常规飞行期间，推力足够大时可以保持机臂展开；而当低推力时，四旋翼机臂可向下折叠，减小无人机的尺寸，但其控制较为复杂。Valentin riviere等人在《V.Riviere,A.Manecy,and S.Viollet,“Agile robotic fliers:A morphing
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based approach,”Soft Robotics,vol.5,no.5,pp.541
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553,2018》设计了基于弹性变形的可变结构四旋翼。该四旋翼的两对双旋翼模块由主连杆连接。两对双旋翼模块都可绕其中心点所在的竖直旋转轴旋转，实现变形，但该四旋翼会在转换过程中突然出现奇异点导致运动崩溃。D.Falanga等人在《D.Falanga,K.Kleber,S.Mintchev,D.Floreano,and D.Scaramuzza,“The foldable drone:A morphing quadrotor that can squeeze and fly,”IEEE Robotics and Automation Letters,vol.4,no.2,pp.209
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216,2019》设计了一款具有旋转机构并通过旋转机臂缩小机体尺寸的四旋翼，具有较强的穿越窄缝能力，可以改变自身机械结构，缩小物理尺寸，以适应狭窄复杂的运动环境，但是采用的额外驱动器过多。
[0004]另一方面，为了让多旋翼可以抓取和运输物体，研究者对原始四旋翼飞行器设计进行了许多拓展，以允许其执行该任务，提高它们的实用性。然而，这通常需要四旋翼携带额外的机械手结构，因为机械手质量产生的力矩的影响相当大，空中机器人与机械手耦合的控制算法相关联而变得复杂，整个系统的定向稳定性有更大的困难；额外增加的机械机构会因系统重量大大增加而减少飞行时间，降低系统的续航性能。此外，还有一些利用多旋翼自身变形来夹取物体的研究被提出，但这些工作可夹取的适用性范围有限。针对多旋翼的抓取与运输这一问题，研究者的普遍思路是增加额外的机械手。K.Kondak在《K.Kondak,F.Huber,M.Schwarzbach,M.Laiacker,D.Sommer,M.Bejar,and A.Ollero,“Aerial manipulation robot composed of an autonomous helicopter and a 7 degrees of freedom industrial manipulator,”in 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA),2014,pp.2107...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法，其特征在于，应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，所述主动式变结构环形四旋翼无人机包括机体和一轻绳，所述机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，所述轻绳沿所述定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个所述模块之间通过被动式伸缩机构连接，所述被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当所述伺服电机牵引所述轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该控制方法包括：建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程包括位置运动模型和旋转动力学方程。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述位置运动模型为：征在于，所述位置运动模型为：其中F是所述主动式变结构环形四旋翼无人机的总推力，z
B
表示机身坐标系的Z轴的方向矢量，f
ext
表示外部干扰作用力，g表示重力加速度，和分别表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机在世界坐标系下的位置p
W
、速度v
W
关于时间的导数，m表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机的机身总质量。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转动力学方程为：4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转动力学方程为：其中J表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机发惯性张量矩阵，τ
ext
表示外部干扰的总力矩,Φ([0，ω
B
]
T
)表示向量的反对称矩阵，和分别表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机在世界坐标系下的角度q
W
和机体坐标系下的角速度ω
B
关于时间的导数，τ表示总力矩。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非线性模型预测控制器框架中，利用成本函数构建非线性优化问题：s.t.x
k+1
＝f(x
k
，u
k
)，x0＝x
now
，u∈[u
min
，u
max
]其中u
des
表示期望的控制输入向量(即四个电机的各自推力)，i是当前时间步长；x
i，r
和x
N，r
是参考状态向量，x
i
是所述运动学方程中的位置、...

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞，吴钰泽，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：