[发明专利]一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法

权利要求书

1.一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，进行地下空间紊流干扰的深耦合建模，实现深耦合的紊流效应模型，包括：

对于四旋翼无人机的一个旋翼，该旋翼在不受气动效应影响的区域，在转速为时，产生的升力为,为升力系数，为旋翼的编号，当该单个旋翼处于紊流效应影响的区域时，升力随着旋翼距离地面的高度发生改变，具体为：

，

其中，为该旋翼距离地面的高度，为螺旋桨的半径；

因此四旋翼无人机的总升力受到的紊流效应的干扰外力为：

，

假设无人机以俯仰角往前飞行，则此时受到的紊流效应的干扰外力：

，

其中，为无人机距离飞行高度，为旋翼与无人机几何中心之间的长度；

第二步，建立包含紊流效应的无人机运动学和动力学模型，并设计紊流观测器对干扰进行估计，包括：

考虑紊流对于无人机产生干扰外力影响，建立的无人机模型形式如下：

，

其中，表示无人机的位置，表示导数，代表无人机的速度，表示导数，是巡检无人机的总重量，表示无人机机体坐标系下推力矢量，表示无人机电机的总推力，是无人机姿态旋转矩阵表示形式，表示导数，表示重力加速度，代表无人机的角速度，表示角速度的反对称矩阵，表示导数，表示无人机电机产生的总扭矩，表示单位向量，表示无人机受到的气流扰动干扰外力，，，分别表示扰动外力在惯性系下分量，，系数矩阵的定义为：

，

根据无人机的动力学和运动学模型，以及深耦合的紊流效应模型，设计紊流观测器，其形式如下：

，

其中，为观测器增益，为系数矩阵， 为中间辅助变量，为的估计值，为紊流外力估计值，为控制器输入；

第三步，根据实时三维地图建立安全飞行走廊，并基于高保真无人机模型将其转化为与无人机升力有关的安全约束，包括：

根据机载视觉惯性里程计估计的位姿和深度相机感知的周围环境深度信息建立三维地形体素地图；在三维地形体素地图中，参考轨迹局部点膨胀方法得到以无人机飞行轨迹为参考的安全飞行走廊，该安全飞行走廊为凸多面体，其形式表示如下：

，

其中，和为凸多面体半空间线性约束条件，表示无人机的位置；

基于控制障碍函数理论和步骤二中建立的包含紊流效应的无人机运动学和动力学模型，将无人机与障碍物之间的欧式距离描述的安全飞行走廊转换为以无人机升力表示的安全飞行走廊约束，其形式如下：

，

其中，表示无人机电机的总推力，表示无人机的位置，，表示系统系数， 为几何约束表示的安全走廊，是基于无人机平动运动学模型对求导数，是基于无人机平动动力学模型对求二阶导数，它们的具体形式分别表示如下：

，

，

，

 其中， 表示矩阵的第行，第列元素；为姿态四元数的实部，，，为姿态四元数的虚部；，， 分别表示无人机在惯性系下的速度分量；

当不等式，求解出一个升力区间，该升力区间保证无人机在紊流扰动影响下的避障可靠性；

第四步，设计非线性模型预测控制器，求解未来一段时间满足轨迹跟踪和安全避障需求的无人机最优控制量，包括：

所述非线性模型预测控制器在满足多种约束条件下调节无人机的控制量，在完成轨迹跟踪的同时保证无人机安全避障，具体形式如下：

，

其中，分别表示无人机位置，速度和姿态，表示控制输入所需的无人机电机的总推力和三轴角速度；为模型预测控制的代价函数，表示向量的各元素平方和；是过程状态的权重矩阵，为过程位置误差，是过程输出的权重矩阵，为过程输出误差，是终端状态的权重矩阵，为终端位置误差；代表优化迭代次数，代表模型预测控制优化前无人机状态初始值；为步骤二中建立的包含紊流效应的无人机运动学和动力学模型；为步骤三中建立的与无人机升力有关的安全约束；和表示执行器的饱和约束。