一种无人机击球装置及轨迹规划方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人机击球装置及轨迹规划方法，装置自身搭载机载电脑主机，无人机控制指令均由机载电脑主机上的击球轨迹规划方法计算得出；轨迹规划方法包括两阶段初始多项式轨迹生成、基于多项式的轨迹优化。本发明专利技术解决了现有无人机在击球对抗博弈中无法有效应对极端击球情况的击球轨迹规划问题，具有击球状态灵活、击球轨迹满足动力学约束等特点，使得无人机在指定击球目标点的前提下，能够处理较大范围、较极端的击球情况。本发明专利技术以飞行球体的连续可微预测轨迹为前提条件；球体预测轨迹也可为离散轨迹，通过插值方法来获取飞行球体轨迹的高阶状态。球体轨迹的高阶状态。球体轨迹的高阶状态。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机击球装置及轨迹规划方法


[0001]本专利技术属于无人机拦截飞行物领域，具体涉及一种无人机击球装置及轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]四旋翼无人机具有灵活性好、机动性强的特点，凭借其较高的推质比能在空中执行大姿态高速运动，完成高机动任务，例如无人机拦截、杂耍等。其中无人机对抗击球具有较高的观赏性，同时考验无人机规划、决策及控制性能。目前，苏黎世联邦理工学院研发的无人机杂耍系统(Quadrocopter ball juggling)及上海交通大学研发的无人机击球杂耍系统(Ball juggling with an under
‑
actuated flying robot)能够完成单机杂耍与多机杂耍任务。但此类系统着重点在于如何让球体在空中保持更长时间往复而不落地，导致其总是固定一个击球位置并限制了无人机击球姿态，无法处理较远距离、姿态较极端的击球情况，不适用与无人机对抗击球场景。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术的不足，实现无人机在更大范围、更极端状态下完成击球任务，避免无人机运动轨迹超动力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机击球轨迹规划方法，其特征在于包括如下步骤：步骤S1：无人机两阶段初始多项式轨迹生成，从飞行球体预测轨迹中，获取T时刻球体位置与速度信息，设计击球轨迹过渡状态，建立碰撞模型并计算碰撞时无人机状态作为轨迹终端状态以生成多项式轨迹初值；具体包括如下步骤：步骤S11：构建无人机动力学模型，将无人机建模成具有六自由度的刚体模型；步骤S12：获取T时刻的飞行球体状态；若预测轨迹为连续函数，则将T时刻带入直接获取该时刻的球体状态；若预测轨迹为离散状态，则在T时刻对离散状态进行插值，获取该时刻飞行球体的位置与速度信息作为击球碰撞时的球体状态；步骤S13：构建碰撞动力学模型；球拍与球之间仅考虑球拍面法线方向上的瞬时作用；在设定目标落点的前提下，解析求解无人机击球终端状态；步骤S14：设计无人机的初始过渡点状态；步骤S15：两阶段无人机多项式运动原语生成；对无人机从起始点到过渡点状态以及从过渡点到击球点状态，求解两端点最优控制问题，生成两阶段多项式轨迹；步骤S16：采样初始多项式无人机状态；在两阶段多项式轨迹中，分别等时间间隔采样，分割出M段轨迹，M
‑
1个过程中间点，各阶段的起始状态、过程中间点状态、终点状态作为轨迹初始值，连同两阶段设置的无人机飞行时间初始值，进行后续基于多项式的无人机轨迹优化；步骤S2：基于多项式的无人机轨迹优化，将无人机两阶段初始多项式轨迹生成得到的两阶段各自的终端状态、过程中间点状态以及无人机飞行时间，用于生成多段多项式轨迹，并构建目标函数以及约束以优化多段多项式轨迹，具体包括如下步骤：步骤S21：确定优化变量；优化变量包含无人机过渡点状态、击球点状态、过程中间点状态以及两阶段无人机飞行时间；步骤S22：构建优化问题；构建最优控制代价项及约束；步骤S23：多段多项式轨迹生成；采用最小控制理论，利用两阶段初始多项式轨迹生成输出的初始值，直接生成两阶段的多段多项式轨迹；步骤S24：构建目标函数；通过时间约束消除和约束惩罚的方式，将带约束轨迹生成问题转化为无约束非线性优化问题；步骤S25：构建代价项与代价函数；构建每项代价的惩罚形式及其代价函数，并获取各代价项对各优化变量的梯度；步骤S26：优化问题求解；采用L
‑
BFGS算法对步骤S24至步骤S25整个优化问题求解，获取最优变量，构造最优多项式轨迹；步骤S27：执行最优控制量；将步骤S26的多项式轨迹，按时间离散成每时刻的状态量，并通过无人机动力学模型计算控制量，下发控制量至飞行控制器解算，飞行控制器执行解算后的控制指令，实现无人机在给定目标点前提下的击球任务。2.根据权利要求1所述的一种无人机击球轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤S12至步骤S27整个过程规划无人机击球轨迹，在无人机运动过程中不断重规划无人机击球轨迹。3.根据权利要求1所述的一种无人机击球轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤S11中，无人机被建模为六自由度刚体，其中线性平移p∈R3和旋转R∈SE(3)，平移运动取决于重力
加速度g和控制推力旋转运动以机身角速率ω∈R3为输入；模型如下：其中，τ表示全局坐标下的净推力，e
i
是I3的第i列，表示向量叉积的斜对称矩阵形式；所述步骤S12中，在T时刻对假定的球体预测轨迹的离散状态进行插值，以获取T时刻的球体状态；构建二阶连续的三次插值函数如下：为轨迹优化提供梯度，采用公式(b)对离散预测轨迹进行插值，离散间隔在时域上是均匀的，时间分辨率为θ；构造用于存储预测后球体离散位置或速度的数组G∈R3×
i
；在均匀时域中离散，取四个相邻离散位置P
a
∈R3×4进行插值，在T时刻三次插值获取的位置P
c
(T)表示为：P
c
(T)＝P
a
·
W
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(c)其中：其中：对球体速度的插值与上述方法相同。4.根据权利要求1所述的一种无人机击球轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤S13中，球拍刚性安装在无人机上，球拍的质心表示为其中z
d
(t)表示球拍面法线方向随时间的变化，即无人机姿态随时间的变化；球拍与球之间仅考虑球拍面法线方向z
d
上的瞬时作用，则球拍恢复系数其中与分别表示飞行球体碰撞前和碰撞后的速度；构建瞬时的碰撞模型如下：通过在欧几里得空间中解耦计算无人机在碰撞时所需瞬时姿态和速度，由公式(f)得到无人机T时刻碰撞时的期望击球姿态z
d
(T)和击球速度可计算为：可计算为：其中V
⊥
,des
表示球拍在期望击球姿态z
d
方向上的期望速度，无人机与球体碰撞后构造球体反弹飞行轨迹模型，其也属于碰撞动力学模型的一部分；简化碰撞反弹后球体飞行轨迹模型，仅考虑重力g＝[0 0 g]
T
影响，动力学建模为击球目标点s
t
人为给定，作为整个系统输入之一，球体碰撞前的速度可以通过轨
迹预测获得，则无人机击球问题的未知变量包括球被击中后的飞行时间t
post
∈R
+
，球体碰撞后的初速度基于xyz三轴，无人机上的击球速度和推力τ
h
＝(τ
x
,τ
y
,τ
z
)；无人机的击球位置p
h
＝(p
x
,p
y
,p
z
)可以根据碰撞前球的飞行时间解析计算，在欧几里德空间解耦运动过程，由式(g)计算出如下关系：对击球的速度和推力解耦，由式(h)和式(i)解析计算获得解耦后的三轴速度之间以及三轴推力之间的关系如下：三轴推力之间的关系如下：公式(k)简写为τ
y
＝τ
y
(τ
x
,τ
z
,T
h
)，公式(j)简写为则对于无人机击球轨迹的终端状态的优化变量包括：τ
x
,τ
z
,T
h
；其中T
h
是无人机击球阶段的运动总时间；设计无人机初始击球点状态；给定初始击球时间，获取初始击球点位置p
h
；以反弹球体速度与水平面呈一定夹角时所需无人机姿态作为无人机初始击球点状态，并设初始τ
z
，通过式(g)与式(k)可获得初始τ
x
与τ
y
；设初始通过式(j)获得初始并设初始5.根据权利要求4所述的一种无人机击球轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤S14中，无人机初始过渡点位置p
t
；无人机从初始位置p0开始移动，通过过渡点p
t
到达击球点p
h
，并将球击到指定的目标落点位置s
t
；过渡点的计算步骤如下：s0表示飞行球体向后积分的模拟轨迹与地面的交点，找到s0s
t
线段的中点s
mid
，通过s
mid
和p
h
得到射线l
r
，在p0与p
h
间线段l
h
上取一个相对于p0的偏置的点p
α
，然后将p
α
投影到l
r
上得到点p
⊥
，最后，从p<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王进，涂杰，张海运，陆国栋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：