一种火星无人机及其基于任务流形控制器的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种火星无人机及其基于任务流形控制器的控制方法，所述火星无人机KPM

【技术实现步骤摘要】
一种火星无人机及其基于任务流形控制器的控制方法


[0001]本专利技术涉及自动控制领域、航空领域和无人机设计领域的综合应用，尤其涉及一种火星无人机及利用基于任务流形控制器控制火星无人机执行轨迹跟踪的方法。

技术介绍

[0002]在火星上的几十年里，火星漫游者们总共覆盖了不到40英里的相对平坦和开阔的地形。火星无人机是一种可在火星表面飞行并协同火星探测车完成火星星表探测任务的行星空中机器人。它弥补了火星勘测轨道飞行器大区域低分辨率的高位探测和火星探测车小区域高分辨率的低位探测之间的空白。火星无人机可以通过快速侦察安全的穿越路线或对可能的科学目标目的地进行侦察来加强漫游者的任务，作为独立的系统，可以用于探索漫游者可能无法到达的地区。使用旋翼无人机侦察将增加火星星表探测任务的范围和广度，并提供更容易和更安全的进入洞穴、火山口、冰和任何潜在危险位置的途径。同轴旋翼无人机的优势在于其紧凑的设计、较高的悬停效率、叶片雷诺数相对较高、重量和体积都在一定范围内。单主旋翼和多主旋翼具有较大的体积约束，在给定体积下无法达到与同轴旋翼相同的叶尖雷诺数。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火星无人机KPM
‑
VBLA，其特征在于，采用微型共轴双可变倾角旋翼结构，其具体包括：机身主体(6)、电池(2)及无线通讯模块(1)、上旋翼(7)、下旋翼(8)、两个磁控桨盘(12)、两个旋翼桨盘(10)、控制模块(5)及摄像头(9)、电机(13)、电机转轴(14)、弹性铰链(15)；其中，上、下旋翼之间设置有设备支架，在所述设备支架的外侧沿机身主体正前方向安装一个视觉传感器，控制模块(5)包括在所述设备支架中心的机身主体中安装的微惯性测量组件和导航控制计算机；；两个旋翼桨盘(10)分体与电机转轴(14)由弹性铰链(15)连接，上、下旋翼分别设置在上部和下部的旋翼桨盘(10)上；两个磁控桨盘(12)分别位于与两个旋翼桨盘(10)同轴的一侧，两个磁控桨盘(12)上均等间距地嵌入电磁材料，通过电流控制电磁材料产生的磁场强度和方向；在两个旋翼桨盘(10)上，与所述磁控桨盘(12)的电磁材料相对应的等间距地嵌入铁磁性材料；在陀螺进动效应作用下，所述磁控浆盘(12)与旋翼桨盘(10)间的磁力将控制上、下旋翼倾角的大小和方向，实现对上、下双旋翼倾角的可变控制。2.根据权利要求1所述的一种火星无人机KPM
‑
VBLA，其特征在于，还包括太阳能电池板(4)、起落支架(3)、保护罩(11)；所述上旋翼(7)上方设置太阳能电池板(4)，利用太阳能为电池充电；所述下旋翼下面设置有保护罩(11)。3.一种基于任务流形的如权利要求1或2所述火星无人机KPM
‑
VBLA的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：定义所述火星无人机KPM
‑
VBLA各坐标系；S2：建立所述火星无人机KPM
‑
VBLA的六自由度动力学模型；S3：设计任务流形控制器的非线性任务流形控制律N
u
，得到所述火星无人机KPM
‑
VBLA的输入控制力和力矩，以实现对火星无人机的控制。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：S1
‑
1：定义火星无人机KPM
‑
VBLA的地面坐标系和机体坐标系：地面坐标系O
g
‑
X
g
Y
g
Z
g
的原点O
g
为火星地面上的固定点，其中，O
g
X
g
轴指向北方，O
g
Y
g
轴指向东方，O
g
Z
g
轴指向火星中心；机体坐标系o
b
‑
x
b
y
b
z
b
的原点o
b
为火星无人机的重心CG，其中，o
b
x
b
轴指向前向视觉传感器，o
b
z
b
轴垂直于o
b
x
b
轴并指向下方，o
b
y
b
轴由右手定则确定并指向机身主体右侧；S1
‑
2：步骤S1
‑
1所述地面坐标系中的位置和姿态运动学方程由所述机体坐标系到地面坐标系的转换得到：其中，Y＝[P
T
,Θ
T
]
T
为火星无人机广义位置矢量，P＝[x,y,z]
T
和Θ＝[φ,θ,ψ]
T
分别为所述火星无人机在地面坐标系中的位置矢量和姿态角矢量，X＝[V
T
,ω
T
]
T
为火星无人机广义速度矢量，V＝[u,v,w]
T
和ω＝[p,q,r]
T
分别为机体坐标系中速度矢量和旋转角速度矢量，为机体坐标系和地面坐标系之间的变换矩阵，为机身主体旋转角速度从机体坐标系映射到地面坐标系的转换矩阵；
其中，c(
·
)＝cos(
·
)，s(
·
)＝sin(
·
)，t(
·
)＝tan(
·
)；S1
‑
3：定义火星无人机KPM
‑
VBLA的旋翼i固连坐标系o
i
‑
x
i
y
i
z
i
，i＝1为上旋翼，i＝2为下旋翼，其原点o
i
位于旋翼i旋转中心；o
i
x
i
轴平行于旋翼i旋转平面的平面内指向摄像头方向；o
i
y
i
轴平行于旋翼i旋转平面的平面内垂直o
i
x
i
轴，指向左侧；o
i
z
i
轴由右手定则可判断其指向旋翼i旋转平面的法线方向，向上为正。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：S2
‑
1：在步骤S1
‑
1所述机体坐标系下，基于牛顿
‑
欧拉方程可以得到所述火星无人机中KPM
‑
VBLA的速度和角速度动力学方程分别为：其中，F
b
和M
b
分别为机体坐标系下作用在火星无人机重心上的三轴合外力和合外力矩，{I
x
,I
y
,I
z
}为火星无人机绕o
b
x
b
、o
b
y
b
和o
b
z
b
轴的转动惯量，m为火星无人机质量；S2
‑
2：由火星无人机KPM
‑
VBLA结构可知，机身主体所受合外力包括火星重力矢量F
G
，上、下旋翼旋转产生的升力矢量F
T
和冲压阻力矢量F
R
；机身主体所受合外力矩包括上、下旋翼旋转产生的反扭矩矢量M
Q
、陀螺力矩矢量M
G
和上、下旋翼升力在机体坐标系下o
b
x
b
轴和o
b
y
b
轴的分力产生的力矩矢量M
T
；因此，作用在火星无人机KPM
‑
VBLA上的合外力和合外力矩可以表示为：F
b
＝F
G
+F
T
+F
R
M
b
＝M
Q
+M
G
+M
T
S2
‑
3：基于步骤S2
‑
1和步骤S2
‑
2，在机体坐标系下，可得火星无人机KPM
‑
VBLA完整六自由度动力学方程模型：其中，M＝diagm,m,m,I
x
,I
y
,I
z
]为火星无人机质量矩阵，N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：富立，王泽宇，王玲玲，唐宁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：