[发明专利]一种倾转双旋翼自动悬停T型无人机系统

权利要求书

1.一种倾转双旋翼自动悬停T型无人机系统，其特征在于，提供一种倾转双旋翼自动悬停T型无人机系统，包括无人机和上位控制系统，所述无人机包括机身(1)、传感器单元(2)、控制器单元(3)、执行机构(4)和无线通讯模块(5)；所述机身(1)主要由起落架(101)以及设于起落架(101)上的电控系统舱(102)、两根支撑臂(103)、T型架(104)和轴承(105)组成，所述两根支撑臂(103)分别通过轴承(105)安装在T型架(104)两端，所述传感器单元(2)、控制器单元(3)和无线通讯模块(5)设于电控系统舱(102)内；所述传感器单元(2)主要由惯性测量单元(201)和位置测量单元(202)组成，所述惯性测量单元(201)用于接收控制器单元(3)的控制命令，并将惯性数据传输给执行机构(4)，所述位置测量单元(202)用于进行方位感应，并将感应数据信息传输给控制器单元(3)，构成闭环控制系统；所述控制器单元(3)用于根据无线通讯模块(5)发来的指令，控制传感器单元(2)和执行机构(4)工作，还用于将传感器单元(2)发来的感应数据信息通过无线通讯模块(5)进行上传；所述执行机构(4)主要由分设于T型架(104)两端的两个驱动电机(401)、两个舵机(402)和两个旋翼(403)组成，所述舵机(402)安装于T型架(104)上且其输出轴连接支撑臂(103)，以带动其转动，所述驱动电机(401)安装于支撑臂(103)上以随其转动，所述驱动电机(401)的输出轴连接旋翼(403)，以驱动其旋转，所述执行机构(4)接收控制器单元(3)的控制命令，通过舵机(402)和驱动电机(401)调整旋翼(403)的倾角和转速，以提供不同方向和大小的推力；所述无线通讯模块(5)用于接收并向控制器单元(3)发送上位控制系统发来的指令，还用于向上位控制系统上传传感器单元(2)的感应数据信息；所述上位控制系统用于向无人机发送指令以控制无人机运行，还用于接收无人机发来的感应数据信息以实时监测无人机的运行状态；

所述倾转双旋翼自动悬停T型无人机系统的控制方法，按如下步骤进行：

根据以下无人机在飞行时产生的物理效应情况对无人机的飞行受力情况进行优化：

①陀螺仪效应(和)反向旋转的螺旋桨与转子的倾斜差相结合时产生的能量是自补偿的；

②在变桨控制中，忽略轻微倾斜转子引起的固有陀螺；

③对惯性张量矩阵i和无人机质量m进行了归一化；

根据上面的考虑，运用牛顿-欧拉公式：简化飞行器整体运动方程并将6自由度动力学分为三个子动力学来简化控制任务，即：

其中，x,y,z分别是无人机三维方位坐标，分别是无人机三维方位坐标XYZ轴方向上的速度，分别是无人机三维方位坐标XYZ轴方向上的推动力，g是无人机的竖直重力，ψ是横摆角，是横摆角速度，是横摆时力矩，φ是滚转角，是滚转角速度，是滚转时力矩，θ是俯仰角，是俯仰角速度，是俯仰时力矩，α是偏航运动时旋翼的倾转角度，β是俯仰运动时旋翼的倾转角度，T是旋翼旋翼转动产生的推力，l_p是重心到转子的垂直距离，l_m是重心到转子的水平距离，力矩差u_φ＝l_m(T₁-T₂)，和分别是施加在无人机重心(CG)上的总力和扭矩，表示无人机质量，Ω＝(p,q,r)^T是机身的角速度，是机身的角加速度，V^B＝(u,v,w)^T是无人机质心的平动速度，是无人机质心的平动加速度，包含关于B的转动惯量；

首先，处理高度动力学，按以下公式控制输入：

其中k₁和k₂是正常数；

然后，由高度动力学公式所得：

选择k₁和k₂，使s²+k₁s+k₂是一个Hurwitz多项式，因此和z→0是t→∞；即存在一个足够大的时间T₁，所以T＝g

同理，在tT₁时得到：

与高度动力学控制类似，轴向动力学通过以下控制函数进行稳定：

其中k₃和k₄是正常数；然后，公式(6)转化成：

定义k₃和k₄，使s²+gl_mk₃s+gl_mk₄是一个Hurwitz多项式，因此和ψ→0是t→∞

综上所得，公式(5)、(8)构成的闭环系统的原点，具有有界光滑函数型控制输入：

其中

a+b+c＜1

b+c＜a

0＜c＜b

是渐近稳定的。