[发明专利]一种带有不平衡负载的四旋翼无人机位姿控制方法

说明书

一种带有不平衡负载的四旋翼无人机位姿控制方法，属于无人机控制技术领域。本发明为了解决装载重心未知、安装位置不确定的不平衡负载时无人机无法继续稳定飞行的问题。本发明首先利用坐标变换和动力学分析推导出四旋翼无人机在装载不平衡负载前后的运动学模型和动力学模型；在得到飞行过程中传感器测量数据后通过扩展卡尔曼滤波方法得到高精度、无滞后的飞行状态，并通过飞行状态辨识出大概的重心位置；设计四旋翼飞行器的姿态控制器、位置控制器，并通过补偿螺旋桨转速的方式改进控制器以抵消重心位置变化所带来的额外旋转运动和线运动。本发明适用于在四旋翼无人机的起飞和悬停阶段估计重心位置并建立补偿控制器。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人机位姿控制方法，属于无人机控制技术领域。

背景技术

四旋翼飞行器由于结构简单，在复杂环境下具有可低空飞行、定点悬停和垂直起降的能力，目前无论从市场应用还是学术研究上都具有较好的发展前景。四旋翼飞行器当今的发展趋势是逐步自主化，在复杂环境下能够精确地完成导航与控制任务，在不确定的干扰下保证飞行任务的成功率。

我们希望得到在装载重心未知、安装位置不确定的不平衡负载下保持飞行器稳定精确完成任务的控制方法。在货物运输、灾区物资救援中，由于不同飞行任务下所装载货物的形状不确定，很难保证货物重心和装载在飞行器上的位置精确可测，更无法做到装载货物后机身重心位置不发生改变。通常情况下，飞行器由于改变负载而引起的重心位置变化是飞行过程中的主要干扰之一，而飞行器的动力学方程通常是在假设重心位置不变且与机体几何中心重合的条件下建立的，因此这种重心位置的改变会引起力矩的不平衡，从而导致角加速度的产生，使飞行器振动甚至引起侧翻。

针对不平衡负载引起的飞行器重心变化下的控制问题，传统的增益调参方法需要增加对重心参数的调节，控制律的设计更为复杂、繁琐，且各平衡点间的参数调节缺乏规律性，需要通过详尽的仿真和实验进行设计结果验证，重心的变化会增大仿真验证的负担，设计过程更耗时、低效。基于重量分布的重心辨识方法提供重心信息并引入到逆动力学推导中实现飞行控制系统设计，然而该重心辨识的方法依赖于负载的质量和位置信息，在重心未知、安装位置不确定的不平衡负载条件下无法得到重心位置的辨识信息。

发明内容

本发明为了解决装载重心未知、安装位置不确定的不平衡负载时，四旋翼无人机由于重心偏移无法继续稳定飞行的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种带有不平衡负载的四旋翼无人机位姿控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立地面坐标系(O_gX_gY_gZ_g)和机体坐标系(OXYZ)，将在载重范围内任意形状、任意重量的负载装载在四旋翼无人机的任意位置，此时，四旋翼飞行器重心位置从几何中心处O(0,0,0)变为G(x_G,y_G,0)；

步骤二、装载能够测量飞行中运动状态的传感器，所述传感器包括安装于飞行器的机体中心位置的陀螺仪、加速度计和磁力计，分别用于测量飞行过程中飞行器的角速度、加速度和航向角信息；超声波安装于飞行器的底端朝向地面，用于测量相对于地面的飞行高度；光流相机安装于飞行器的底端朝向地面，用于测量相对于地面的水平飞行速度；初始化各传感器，记录传感器初始偏置；

步骤三、建立无负载条件下确保四旋翼飞行器起飞和悬停的姿态控制器和位置控制器，选择合适的串级PID参数；

步骤四、实时读取步骤二中传感器信息，并建立合适的状态方程和测量方程，通过扩展卡尔曼滤波得到更加准确的飞行姿态角、角速度、线速度；

步骤五、建立并比较四旋翼飞行器在装载不平衡负载前后的动力学方程，实时计算得到重心的位置x_G和y_G，如果辨识得到的重心位置收敛，则跳出，否则，进入步骤六；