[发明专利]一种四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法

说明书

本发明所述的四旋翼飞行器携带不平衡负载稳定飞行的控制方法，主要对携带不平衡负载的飞行器进行重新建模，串级PID控制其稳定飞行，利用神经网络自适应来逼近负载晃动，当负载的重心位置严重偏离出机体之外时仍然能够稳定飞行。

技术领域：

本发明属于飞行控制技术领域。其突出特点是四旋翼飞行器在携带负载飞行的过程中重物突然偏离，使四旋翼飞行器的重心偏离出机身之外，破环其飞行的稳定性，但是在本文的改进的模型和算法下四旋翼飞行器依然能够稳定飞行。

背景技术：

随着微电子技术、传感器技术以及各种控制算法的进步，四旋翼飞行器成为人们研究的热点。它常被用来搜救、航拍、物流服务、军事侦察以及目标打击等诸多领域。2016年12月7日亚马逊在英国成功完成了首次无人机送货。2017年二月中旬顺丰快递公司也在开发无人机运送快递。国内外的很多学者研究了四旋翼飞行器稳定控制。多数针对挂在四旋翼质心位置下的摇摆不定的负载问题进行建模仿真研究。都未考虑到负载严重失衡的情况下飞行器的整体模型，针对这一问题，本发明将针对四旋翼飞行器在不平衡负载下稳定飞行进行研究，具有很大的实用价值。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是对携带不平衡负载的飞行器进行重新建模，串级PID控制其稳定飞行，利用神经网络自适应来逼近负载晃动，当负载的重心位置严重偏离出机体之外时仍然能够稳定飞行。

(1)根据起飞姿态信息，重新计算不平衡负载下飞行器重心位置

在不平衡负载下，以机体坐标系下，飞行器的重心位置由之前的O(0，0，0)移至G(x_g，y_g，0)，重心位置通过从开机到离地这段时间的飞行参数来估计，因此，起飞时根据MPU6050传感器采集到的姿态信息推导出飞行器的姿态角和重心坐标之间存在如下的关系：

其中，θ，ψ分别为飞行器绕x轴、y轴和z轴的旋转角度，M为飞行器加负载之后的总质量，最终可以得到重心位置的坐标，根据重心坐标对系统模型进行修正；

(2)力学平衡方程的建立

设四旋翼的总质量为M＝m+m′，m′为负载的质量，四旋翼在空中悬停时四个螺旋桨的升力和与四旋翼的重力相等，F₁～F₄分别为四只螺旋桨产生的升力，可以写为公式(2)，F₁+F₂+F₃+F₄＝Mg (2)

每个电机电机到机身中心的距离均为l转动过程中每个螺旋桨产生的绕x轴和y轴的力矩平衡方程为：

悬停时还需要保证反扭矩为0，式中M₁,M₃,M₂,M₄为1-4号电机角速度为ω₁,ω₂,ω₃,ω₄产生的反转矩

M₁+M₃＝M₂+M₄ (4)

结合(1)(2)(3)得到在不平衡负载下，飞行器在空中悬停的受力平衡方程组(5)；

(3)角速度平衡方程的建立

F＝Hω²，是螺旋桨参数式，F为螺旋桨产生的升力，C为升力系数，只和螺旋桨的几何参数有关，S为螺旋桨在地面的投影面积，ρ是空气密度,

ω₁+ω₃＝ω₂+ω₄＝ω (6)