[发明专利]基于几何姿态转换算法的水空两栖四旋翼无人机控制方法

说明书

本发明提供了基于几何姿态转换算法的水空两栖四旋翼无人机控制方法，包括外位置环、几何姿态转换算法和内姿态环。外位置环根据期望跟踪轨迹机体当前位置ξsubgt;1/subgt;和当前速度vsubgt;I/subgt;，计算出机体期望推力值Tsubgt;d/subgt;和期望推力方向nsubgt;d/subgt;。几何姿态转换算法根据机体当前推力方向n、当前姿态q、期望推力方向nsubgt;d/subgt;计算得到期望姿态qsubgt;d/subgt;。内姿态环根据机体当前角速度vsubgt;2/subgt;、当前姿态q、期望姿态qsubgt;d/subgt;解算得到期望力矩τsubgt;2/subgt;。期望推力值Tsubgt;d/subgt;和期望力矩τsubgt;2/subgt;再输出给水空两栖四旋翼无人机的电机。该方法能够克服水中浮力对两栖四旋翼无人机受力状态和运动状态的影响，不需要切换控制结构、只需更改控制参数就能实现空中和水中运动的轨迹跟踪。

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，特别涉及水空两栖四旋翼无人机的控制技术，尤指一种基于几何姿态转换算法的水空两栖四旋翼无人机控制方法。

背景技术

水空两栖四旋翼无人机在垂直面内的跨水空运动，如图2所示。机体在空中飞行时，主要受到的外力有重力和空气阻力，推力要克服重力，其方向不一定指向运动方向。在水中潜航时，还要受到浮力作用，通常通过适当设计配重，使浮力约等于重力，其推力方向要指向运动方向。因此，在空中和水中的运动状态改变过程也是不同的。如何克服空中和水中受力和运动形式不同的影响，设计水空两栖四旋翼无人机轨迹控制方法是理论研究面临的难题。

现有的方法存在的主要问题和不足有：一是现有方法需要单独设计两套控制结构不同的控制器，其中一套用于空中飞行控制，另一套用于水中潜航控制，进行水空切换工作，控制结构切换过程易诱发机体抖动；二是四旋翼无人机水中运动受到浮力，因而机体在空中、水中的受力状态和运动形式不同，传统四旋翼飞行控制方法难以实现水中轨迹跟踪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于几何姿态转换算法的水空两栖四旋翼无人机控制方法，解决了上述控制结构切换和机体在空中、水中受力状态和运动形式不同的问题。本发明以单独的控制结构实现空中、水下的轨迹跟踪。本发明采用的几何姿态转换算法，能够从期望的推力方向提取出期望姿态，计算量小。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于几何姿态转换算法的水空两栖四旋翼无人机控制方法，采用的控制结构包括外位置环、几何姿态转换算法和内姿态环，所述外位置环实现位置跟踪，根据期望轨迹的位置点信息、机体当前位置ξ₁和当前速度v_I，计算出机体跟踪期望轨迹的期望推力值T_d和期望推力方向n_d。

所述几何姿态转换算法能够克服机体在空中、水中受力状态和运动形式差异影响，根据机体当前推力方向n、当前姿态q、期望推力方向n_d处理得到期望姿态q_d，不需要切换控制结构就能实现水空两栖四旋翼无人机空中水中的运动控制。

所述的内姿态环用于控制机体姿态，内姿态环根据机体当前角速度v₂、当前姿态q、期望姿态q_d解算得到期望力矩τ。期望推力值T_d和期望力矩τ再输出给水空两栖四旋翼无人机的电机，实现其在空中和水中运动的轨迹跟踪。

本发明所述的基于几何姿态转换算法的水空两栖四旋翼无人机控制方法，包括如下步骤：

步骤1、设置期望轨迹的参数；

步骤2、根据运动数学模型计算期望推力大小T_d和推力方向n_d；

步骤3、几何姿态转换算法推导期望姿态q_d；