一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种四旋翼飞机控制方法，尤其涉及一种利用矢量旋转法来进行四旋 翼飞机控制的方法。
【背景技术】
[0002] 四旋翼飞行器是一种能实现垂直起降的非共轴式多旋翼飞行器，结构如图1所 示，其可以只通过调节蝶形分布的四个旋翼的转速，实现对四旋翼飞行器飞行姿态的控 制.其本身是一个具有六自由度和4个控制输入的非线性欠驱动系统，具有对外界和自身 抗干扰敏感的特性控制的主要问题是解决强耦合性和不稳定的动力特性。由于不需要尾 翼，四旋翼飞行器结构更加紧凑，四个旋翼的提升力比单旋翼更加均匀，因而飞行姿态更加 稳定。另外，四旋翼飞行器还具有起飞要求低、可悬停等特点。
[0003] 在四旋翼飞行器的前后运动和侧向运动都是使飞行器在对应的方向上倾斜一定 的角度，即机体上水平角度检测装置测试出来的是沿X方向和Y方向的倾角，遥控器遥杆前 后左右的控制分别对应X型四旋翼Y和X方向上的倾角，在物理上的机头、机尾、左侧和右 侦防向的控制，参照图1，即机头对应电机1和电机4，机尾对应电机2和电机3，左侧对应电 机1和电机2,右侧对应电机3和电机4,对前后运动来说，当机头正向朝前时，遥控器方向 遥杆前推，飞机远离操控者，方向遥杆向回拉时，飞机朝操控者飞来，但是当机体旋转一定 角度口，如图8所示，遥控器遥杆前推，飞机会向左前方飞行，对于新手很难控制。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种利用矢量旋转法来进行四旋翼 飞机控制的方法。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
[0006] -种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，将四旋翼飞机接收到的遥控 器发来的Roll和Pitch方向的控制量转换为矢量，对应在坐标系中分别是X方向和Y方向， 再根据机身旋转角度对该矢量进行旋转后重新映射到新的坐标系t 中上以控制整个 机身前进、后退、左飞、右飞。
[0007] -种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，将接收到遥控X方向A控 制量和Y方向B控制量作用于四旋翼控制上，其作用力控制量为，大小为I I，和Pitch 方向的控制角度为在四旋翼空间坐标系中当机体旋转Θ，则对整个机体的控制方向为 沒，再对I I根据机身控制角9_ 0重新映射在X'和Y'方向，以达到遥控矢量旋转来 控制四旋翼飞行的目的。
[0008] 进一步地，四旋翼飞机带有可检测机体旋转角度的陀螺装置，能够准确计算出旋 转角Θ。
[0009] 进一步地，当四旋翼飞行器距离操控者较远，操控者无法辨识机头方向时，四旋翼 飞机可通过所述方法自由控制。
[0010] 进一步地，在遥控数据等效数学模型中，Roll控制参量在X方向为一个大小为A的 控制量，Pitch控制参量在Y方向是一个大小为B的控制量，作用在四旋翼上是一个大小为 CI，和机头方向夹角为φ的矢量，其中
[0011] |C| = J A2+B2
[0012] φ = arctan(A/B)
[0013] 对四旋翼如果机体旋转角Θ可通过飞行器陀螺仪装置获取，则遥控器控制飞机 机身整体向前则实际作用角度为（0)，控制量大小为|c|，所以转换后的t方向控制 矢量Y和t方向的控制矢量V如下：
[0014] 义=|C|*cos (屮-沒）
[0015] B = |C|*sin ^)
[0016] 根据转换后的A'和B'来控制电机的转速即可实现四旋翼的控制。
[0017] 本发明的一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法可以实现以下三种 控制模式：
[0018] 1.无头控制模式，当四旋翼飞行器距离操控者较远，操控者无法辨识机头方向，可 启动该模式自由控制；
[0019] 2.远距离断线返航，如果远距离飞行器接收不到遥控数据后可根据运动轨迹自动 靠近操控者；
[0020] 3 -键返航，通过一个按键触发让飞行器靠近操控者。
【附图说明】
[0021] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0022] 图1为本发明的四旋翼飞行器结构示意图；
[0023] 图2为本发明的四旋翼飞行器垂直运动原理示意图；
[0024] 图3为本发明的四旋翼飞行器滚动运动原理示意图；
[0025] 图4为本发明的四旋翼飞行器俯仰运动原理示意图；
[0026] 图5为本发明的四旋翼飞行器偏航运动原理示意图；
[0027] 图6为本发明的四旋翼飞行器前后运动原理示意图；
[0028] 图7为本发明的四旋翼飞行器侧向运动原理示意图；
[0029] 图8为本发明的四旋翼飞行器倾斜角度前进飞行原理示意图；
[0030] 图9为本发明的四旋翼飞行器飞行姿态原理示意图；
[0031] 图10为本发明的四旋翼飞行器遥控数据等效数学模型原理示意图；
[0032] 图11为本发明的四旋翼飞行器的数学模型示意图。
【具体实施方式】
[0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发 明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术 人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 四旋翼飞行器结构形式如图1所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和 电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。四 旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度 的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：（1)垂直运动；（2) 俯仰运动；（3)滚转运动；（4)偏航运动；（5)前后运动；（6)侧向运动。
[0035] 在图1中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿 X轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表 示此电机转速下降。其中各基本运动状态：
[0036] (1)垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。在图2中，因有两对电机转向相反，可 以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力 增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四 个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿Z轴的垂直运动。 当外界扰动量为零时，在旋翼产生的