一种六旋翼无人机分立输入解耦装置及包含该装置的控制系统。本发明专利技术涉及一种六旋翼无人机分立输入解耦装置，该装置包括系数矩阵Mco存储模块；结构矩阵Mrel存储模块；将系数矩阵与结构矩阵相乘并存储为映射矩阵Map的模块；映射矩阵降维模块；降维齐次线性方程求解模块；基础解向量归一化模块；差分模块；放大增益模块；求和模块；非线性解算模块；本发明专利技术使全驱动六旋翼无人机这个多输入多输出系统解耦为六个单输入单输出系统，从而实现了无人机六个自由度独立控制，其最大优点是解耦之后的系统形式简单易于设计控制算法，由虚拟附加控制量可以快速地求取各个电机实际转速，算法对电机转速发生波动具有一定的鲁棒性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于多旋翼无人飞行器控制领域，涉及一种六旋翼无人机分立输入解耦装置及包含该装置的控制系统。
技术介绍
六旋翼无人机区别于其他旋翼无人机如直升机、四旋翼无人机等，通过改变六个旋翼的组织形式，可使系统呈现欠驱动或全驱动的不同工作模式。相比于一般的多旋翼无人机需通过控制姿态角变化进而控制水平运动，全驱动六旋翼无人机机体设有六个连接杆，均勻分布在机体周围，每个连接杆的外端连接一个旋翼。六个旋翼的旋转平面与六个连接杆所在的平面形成六个倾角，每个旋翼的旋转平面与相隔一个旋翼的第三个旋翼的旋转平面倾角相等，每个旋翼与相邻旋翼的旋转平面与六个连接杆所在的平面倾角互为补角。 该无人机利用改变各个旋翼转速的方法控制飞行器的六个自由度，具有高度的可控性、机动性、稳定性。可以实现快速前飞、悬停以及以任意姿态前飞等动作。但由无人机自身结构以及空气动力学因素决定，六旋翼无人机存在较强的输入耦合问题，即每一个自由度状态的变化都受到多个旋翼转速的影响，而任意一个旋翼转速的变化也会引起多个自由度状态的改变，采用多输入多输出的非线性控制器具有控制复杂，难以实现。
技术实现思路
本专利技术要解决的一个技术问题是提供一种通过分立式解耦映射，使全驱动六旋翼无人机这个多输入多输出系统解耦为六个单输入单输出系统，从而实现无人机六个自由度独立控制的六旋翼无人机分立输入解耦装置。为了解决上述技术问题，本专利技术的六旋翼无人机分立输入解耦装置包括系数矩阵轧。存储模块；所述的系数矩阵Mco = diag(kn, k22, .... , kj ； (1)结构矩阵Mrel存储模块；所述的结构矩阵Mrel= MkAIVijI6x6,,.^ (2)式O)中，i代表旋翼编号，j代表自由度编号；i = 1、2、3、……6，j = l、2、3、4、5、6 ；AIVij为第i个旋翼动作时对第j个自由度的绝对影响值；设六旋翼无人机机体坐标系的χ、y轴位于各连接杆所在的平面内并相互垂直，Z 轴通过六旋翼无人机的质心且垂直于各连接杆所在的平面 ’沿x、y、z轴正向移动自由度为正，沿x、y、ζ轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机机体绕y轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺指针转动自由度为负；滚转角Φ为无人机机体绕χ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；偏航角Ψ为无人机机体绕ζ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；则第i个旋翼动作时对χ、y、ζ轴方向平动自由度的绝对影响值AIV11=单位转速下第1个旋翼升力在第i个自由度方向的投影(3)单位转速下对第j个自由度的最大影响旋翼升力在该自由度方向的投影第i个旋翼动作时对俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ转动自由度的绝对影响值AIV=单位转速下第ι个旋翼转矩在第i个自由度旋转轴法平面上的投影⑷” 单位转速下对第J个自由度的最大影响旋翼转矩在该自由度旋转轴法平面上的投影当自由度向负方向变化时，k = 1，当自由度向正方向变化时k = 2 ；将系数矩阵与结构矩阵相乘并存储为映射矩阵Map的模块；映射矩阵降维模块依次将映射矩阵Map中的某一行去掉，得到六个五行六列的行满秩矩阵 Map' j(j = ,1,2,3,4,5,6)；降维齐次线性方程求解模块求出六个降维齐次线性方程的基础解向量/ ;；所述降维齐次线性方程为Map) [ΔΩι; ΔΩ2;δω32,ΔΩ:,δω5 其中 ΔΩ^、ΔΩ^.,δω32;、ΔΩ^.、δω52;、δω62.AUj引起的各旋翼转速平方增量；基础解向量归一化模块丄丄μμ将基础解向量/,进行归一化运算得到^，然后将^与自由度虚拟控制量增量ΔU,对应的映射矩阵的行ai相乘得默rr CN，最后将^送给求和模块，将Wrr CN送给放大增益模块；差分模块根据两个采样周期分别计算得到的自由度虚拟控制量KdPf^1计算自由度虚拟控制量增量Δ Uj,其中，t2 = ti+At ；丄放大增益模块利用式(1 计算得到放大增益Kp然后将与纟相乘，并将相乘W的结果送到求和模块；权利要求1. 一种六旋翼无人机分立输入解耦装置，其特征在于包括 系数矩阵M。。存储模块(101)； 所述的系数矩阵 Mco = diag(kn, k22, .... , k66) ； (1) 结构矩阵Mrel存储模块(102)； 所述的结构矩阵 Mrel = MkAIVijI6x6,,.^ (2)式O)中，i代表旋翼编号，j代表自由度编号；i = 1、2、3、……6，j = 1、2、3、4、5、6 ； AIVij为第i个旋翼动作时对第j个自由度的绝对影响值；设六旋翼无人机机体坐标系的χ、y轴位于各连接杆所在的平面内并相互垂直，ζ轴通过六旋翼无人机的质心且垂直于各连接杆所在的平面；沿χ、1、ζ轴正向移动自由度为正， 沿x、y、z轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机机体绕y轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺指针转动自由度为负；滚转角Φ为无人机机体绕χ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；偏航角Ψ为无人机机体绕ζ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；则第i个旋翼动作时对χ、1、ζ轴方向平动自由度的绝对影响值 AIV=单位转速下第ι个旋翼升力在第i个自由度方向的投影⑶” 单位转速下对第J个自由度的最大影响旋翼升力在该自由度方向的投影第i个旋翼动作时对俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ转动自由度的绝对影响值AIV=单位转速下第1个旋翼转矩在第i个自由度旋转轴法平面上的投影⑷” 单位转速下对第J个自由度的最大影响旋翼转矩在该自由度旋转轴法平面上的投影当自由度向负方向变化时，k = 1，当自由度向正方向变化时k = 2 ； 将系数矩阵与结构矩阵相乘并存储为映射矩阵Map的模块(103)； 映射矩阵降维模块(104)依次将映射矩阵Map中的某一行去掉，得到六个五行六列的行满秩矩阵 Map' j(j = ,1,2,3,4,5,6)；降维齐次线性方程求解模块(10 :求出六个降维齐次线性方程的基础解向量； 所述降维齐次线性方程为2. 一种包含如权利要求1所述的六旋翼无人机分立输入解耦装置的控制系统，其特征在于χ控制器、y控制器、ζ控制器、θ控制器、φ控制器、ψ控制器分别根据给定的χ向位移、y向位移、ζ向位移、俯仰角θ、滚转角Φ、偏航角ψ与对应的反馈信号的差值计算并输出各自由度虚拟控制量；分立输入解耦装置根据接收的各自由度虚拟控制量，通过非线性解耦映射得到各旋翼转速，然后将各旋翼转速传输到各旋翼对应的驱动装置。全文摘要一种六旋翼无人机分立输入解耦装置及包含该装置的控制系统。本专利技术涉及一种六旋翼无人机分立输入解耦装置，该装置包括系数矩阵Mco存储模块；结构矩阵Mrel存储模块；将系数矩阵与结构矩阵相乘并存储为映射矩阵Map的模块；映射矩阵降维模块；降维齐次线性方程求解模块；基础解向量归一化模块；差分模块；放大增益模块；求和模块；非线性解算模块；本专利技术使全驱动六旋翼无人机这个多输入多输出系统解耦为六个单输入单输出系统，从而实现了无人机六个自由度独立控制，其最大优点是解耦之后的系统形式简单易于设计控制算法，由虚拟附加控制量可以快速地求取各个电机实际转速，算法对电机转速发生波动具有一定的鲁棒性。文档编号G05本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种六旋翼无人机分立输入解耦装置，其特征在于包括：系数矩阵Ｍｃｏ存储模块（１０１）；所述的系数矩阵Ｍｃｏ＝ｄｉａｇ（ｋ１１，ｋ２２，．．．．，ｋ６６）；（１）结构矩阵Ｍｒｅｌ存储模块（１０２）；所述的结构矩阵Ｍｒｅｌ＝｛－１ｋＡＩＶｉｊ｝６×６，ｋ＝１，２ （２）式（２）中，ｉ代表旋翼编号，ｊ代表自由度编号；ｉ＝１、２、３、……６，ｊ＝１、２、３、４、５、６；ＡＩＶｉｊ为第ｉ个旋翼动作时对第ｊ个自由度的绝对影响值；设六旋翼无人机机体坐标系的ｘ、ｙ轴位于各连接杆所在的平面内并相互垂直，ｚ轴通过六旋翼无人机的质心且垂直于各连接杆所在的平面；沿ｘ、ｙ、ｚ轴正向移动自由度为正，沿ｘ、ｙ、ｚ轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机机体绕ｙ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺指针转动自由度为负；滚转角φ为无人机机体绕ｘ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；偏航角ψ为无人机机体绕ｚ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；则第ｉ个旋翼动作时对ｘ、ｙ、ｚ轴方向平动自由度的绝对影响值：第ｉ个旋翼动作时对俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ转动自由度的绝对影响值：当自由度向负方向变化时，ｋ＝１，当自由度向正方向变化时ｋ＝２；将系数矩阵与结构矩阵相乘并存储为映射矩阵Ｍａｐ的模块（１０３）；映射矩阵降维模块（１０４）：依次将映射矩阵Ｍａｐ中的某一行去掉，得到六个五行六列的行满秩矩阵Ｍａｐ′ｊ（ｊ＝，１，２，３，４，５，６）；降维齐次线性方程求解模块（１０５）：求出六个降维齐次线性方程的基础解向量所述降维齐次线性方程为：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｍａｐ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｆｅｎｃｅｄｏｐｅｎ＝＇［＇ｃｌｏｓｅ＝＇］＇）?（ｍｔａｂｌｅ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｔｄ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｔｄ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｔｄ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｔｄ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）５（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｔｄ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）６（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（／ｍｔａｂｌｅ）?（／ｍｆｅｎｃｅｄ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１１（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）其中（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；＆Ｏｍｅｇａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：白越，侯至丞，宫勋，高庆嘉，孙强，续志军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：82
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