一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法。本发明专利技术基于四旋翼无人机动力学的微分平坦性质设计机动性轨迹生成算法，通过minimum snap构建轨迹规划最优化函数，利用复合串级PID控制器实现了对机动性轨迹的可靠跟随。本发明专利技术还给出了一种适用于大机动敏捷飞行的四旋翼无人机硬件结构，具有轻量化、紧凑化的设计和良好的动力学对称性。本发明专利技术无需机器学习方法，仅依靠机载传感器和算力资源实现实时规划，解决了四旋翼无人机在复杂环境下实现大加速度、大姿态角的机动敏捷飞行问题，充分发挥四旋翼无人机的飞行潜力，扩展了其执行特殊任务的能力。了其执行特殊任务的能力。了其执行特殊任务的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法


[0001]本专利技术涉及机器人感知与导航
，具体涉及一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法。

技术介绍

[0002]四旋翼无人机具有低成本、小尺寸、高机动、自由悬停的特点，在狭窄复杂地形下实现自主导航具有得天独厚的优势。但是，目前市面上的商用四旋翼无人机都设有姿态锁，只能以较为平稳的姿态飞行，无法实现敏捷的大姿态飞行。这使四旋翼无人机丧失了机动性，无法通过更为受限的环境地形(如施工隧道、废墟缝隙等)，限制了其完成特殊任务的潜力。四旋翼无人机作为具有六个自由度的动态系统，大机动敏捷飞行同时涉及到位置平移与姿态旋转，使用可达性算法、增量搜索技术或基于LQR树的搜索来探索整个状态空间是不切实际的。因此，尽管已经有多种通用的机器人轨迹生成方法，都很难直接应用于四旋翼无人机的机动性轨迹生成并保证高效的在线规划。此外，面向狭窄的使用场景时无人机还要受到尺寸、重量和功率的限制，这对使用有限的机载传感器和算力资源提出了更高的要求。专家学者们针对以上所列出的优点和缺点，提出了不同的解决方案，针对四旋翼无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法，其特征在于该方法的步骤包括：第一步，采用基于四旋翼无人机动力学系统微分平坦特性的轨迹规划算法，解算加速度与姿态角之间的耦合关系；第二步，采用基于minimum snap的轨迹优化函数，将第一步中的耦合关系作为动力学约束项，求解最优化问题得到可执行的轨迹；第三步，采用基于复合串级PID的轨迹跟随控制器，对第二步中的可执行轨迹实现精准、鲁棒的闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法，其特征在于：所述的第一步中，微分平坦特性为：动力学系统的全部状态量，都能够用一组选定的平坦输出与其有限阶导数的函数表示出来。3.根据权利要求2所述的一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法，其特征在于：所述的动力学系统状态量，针对四旋翼无人机系统为：所述的平坦输出，针对四旋翼无人机系统为：σ＝[x,y,z,ψ]
T
其中，x,y,z分别为四旋翼无人机的三维位置，φ,θ,ψ分别为四旋翼无人机姿态的横滚角、俯仰角、偏航角。4.根据权利要求1所述的一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法，其特征在于：所述的第一步中，轨迹规划算法的映射关系为：σ
→
x加速度与姿态角之间的耦合关系为：加速度与姿态角之间的耦合关系为：其中，u为电机输入推力，m为四旋翼无人机平台质量，为四旋翼无人机系统合加速度，a为电机推力加速度，z
B
为四旋翼无人机姿态的方向向量，z
W
为垂直于地面向下的方向向量。5.根据权利要求1所述的一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法，其特征在于：所述的第二步中，平滑、可执行的轨迹由时间t的高阶可导多项式表示，形式为：
p(t)＝[1,t,t2,
…
,t
n
]
·
p其中，p＝[p0,p1,p2,
…
,p
n
]
T
为多项式的系数向量，p0,p1,p2,
…
,p
n
为多项式的系数。6.根据权利要求5所述的一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法，其特征在于：轨迹采用多段轨迹相接的形式，用分段多项式表示为：其中，t0,t1,t2,
…
,t
m
为轨迹上导航点的时间分配。7.根据权利要求1所述的一种复杂环境下四旋翼无人机大机动敏捷飞行方法，其特征在于：所述的第二步中，最优化问题形式为：min f(p)s.t.A
eq
p＝b
eq
s.t.A
ieq

【专利技术属性】
技术研发人员：白宇，方浩，吴德龙，王奥博，虞睿，杨庆凯，曾宪琳，张睿，李锁辉，
申请(专利权)人：中建市政工程有限公司北京理工大学，
类型：发明
国别省市：