一种可倾转三旋翼无人机的控制方法与流程

1.本发明涉及多旋翼无人机技术领域，具体涉及一种可倾转三旋翼无人机的控制方法。


背景技术：

2.近年来，多旋翼无人机在航测、安防监控、电力巡检、农业与应急搜救等领域得到了广泛的应用。可倾转三旋翼无人机属于多旋翼无人机的一种，相对于传统多旋翼无人机，可倾转三旋翼无人机具备结构更紧凑、能效更高的特点，但同时，可倾转三旋翼具有静不稳定、强耦合、强非线性等动力学特点，控制的难度较高。
3.具体的，传统的多旋翼无人机的飞行控制方法将俯仰姿态与前飞运动耦合，无法实现前飞与俯仰姿态的自由搭配飞行，降低了任务载荷使用的灵活性，提高了对任务载荷设备自身调节能力的要求，降低了系统整体效能。
4.综上所述，传统的多旋翼无人机的飞行控制方法存在控制模式较为单一、调节效果有限的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种可倾转三旋翼无人机的控制方法，通过改进控制解算和控制分配方法，解决了传统的多旋翼无人机的飞行控制方法存在的控制模式较为单一、调节效果有限的问题。
6.为解决以上问题，本发明的技术方案为采用一种可倾转三旋翼无人机的控制方法，包括：获取无人机的实时状态数据；获取无人机的任务指令；基于所述实时状态数据和所述任务指令进行双回路控制解算，生成伪控制指令；基于所述伪控制指令进行控制分配计算并生成三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令。
7.可选地，基于所述实时状态数据和所述任务指令进行双回路控制解算，包括：在外回路中，基于所述实时状态数据中的速度及位置数据和所述任务指令中的目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成前飞直接力伪控制指令、高度控制直接力伪控制指令和滚转姿态指令；在内回路中，基于所述实时状态数据中的姿态及角速率数据、所述滚转姿态指令和所述任务指令中的俯仰姿态指令及偏航姿态指令进行控制解算，生成滚转力矩伪控制指令、偏航力矩伪控制指令和俯仰力矩伪控制指令。
8.可选地，基于所述实时状态数据中的速度及位置数据和所述任务指令中的目标速度及目标位置指令进行控制解算，包括：基于所述速度及位置数据中的前飞速度及轴向位置和所述目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成所述前飞直接力伪控制指令；基于所述速度及位置数据中的侧向速度及侧向位置和所述目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成所述滚转姿态指令；基于所述速度及位置数据中的天向速度及高度和所述目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成所述高度控制直接力伪控制指令。
9.可选地，基于所述实时状态数据中的姿态及角速率数据、所述滚转姿态指令和所
述任务指令中的俯仰姿态指令及偏航姿态指令进行控制解算，包括：基于所述姿态及角速率数据中的滚转角、滚转角速率和所述滚转姿态指令进行控制解算，生成所述滚转力矩伪控制指令；基于所述姿态及角速率数据中的偏航角、偏航角速率和所述偏航姿态指令进行控制解算，生成所述偏航力矩伪控制指令；基于所述姿态及角速率数据中的俯仰角、俯仰角速率和所述俯仰姿态指令进行控制解算，生成所述俯仰力矩伪控制指令。
10.可选地，基于所述伪控制指令进行控制分配计算并生成三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令，包括：将待控制的舵机的偏转参数等效为直接力的力学关系矩阵；基于所述伪控制指令和所述直接力的力学关系矩阵计算得到直接力控制量；基于所述直接力控制量反算生成所述三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令。
11.可选地，所述控制方法还包括：预设所述伪控制指令中各类伪控制指令的优先级，在生成的所述伪控制指令中包含多类伪控制指令时，基于预设的所述伪控制指令中各类伪控制指令的优先级，按照优先级由高至低的方式依次对所述伪控制指令进行控制分配计算。
12.可选地，所述控制方法还包括：预设电机的工作参数区间和舵机的工作参数区间，在按照优先级由高至低的方式依次对所述伪控制指令进行控制分配计算时，若存在生成的电机油门指令不属于所述电机的工作参数区间和/或生成的舵机偏转角度指令不属于所述舵机的工作参数区间时，抑制当前已参与控制分配计算中优先级最低的伪控制指令对应的通道输出，直至生成的电机油门指令属于所述电机的工作参数区间且生成的舵机偏转角度指令属于所述舵机的工作参数区间。
13.可选地，所述无人机被配置为：第一旋翼的电机具备前后倾转的功能；第二旋翼的电机具备前后倾转的功能；第三旋翼的电机不具备倾转的功能。
14.可选地，获取无人机的任务指令，包括：获取无人机的实时遥控的任务指令；或获取无人机的离线规划任务中的任务指令；或获取无人机的在线规划任务中的任务指令。
15.本发明的首要改进之处为提供的一种可倾转三旋翼无人机的控制方法，通过基于状态数据和任务指令进行双回路控制解算后进行分配计算，生成三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令，实现了俯仰姿态控制与前飞控制的解耦及无人机固定倾角前飞的控制模式，解决了传统的多旋翼无人机的飞行控制方法存在的控制模式较为单一、调节效果有限的问题。
附图说明
16.图1是本发明的可倾转三旋翼无人机的控制方法的简化流程图。
具体实施方式
17.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
18.如图1所示，一种可倾转三旋翼无人机的控制方法，包括：
19.s1：获取无人机的实时状态数据。
20.进一步的，所述实时状态数据至少包括无人机位置、速度、姿态、过载、角速率等数据。
21.s2：获取无人机的任务指令。
22.进一步的，获取无人机的任务指令，包括：获取无人机的实时遥控的任务指令；或获取无人机的离线规划任务中的任务指令；或获取无人机的在线规划任务中的任务指令。其中，所述无人机被配置为：第一旋翼的电机具备前后倾转的功能；第二旋翼的电机具备前后倾转的功能；第三旋翼的电机不具备倾转的功能。
23.s3：基于所述实时状态数据和所述任务指令进行双回路控制解算，生成伪控制指令。
24.进一步的，基于所述实时状态数据和所述任务指令进行双回路控制解算，包括：在外回路中，基于所述实时状态数据中的速度及位置数据和所述任务指令中的目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成前飞直接力伪控制指令、高度控制直接力伪控制指令和滚转姿态指令；在内回路中，基于所述实时状态数据中的姿态及角速率数据、所述滚转姿态指令和所述任务指令中的俯仰姿态指令及偏航姿态指令进行控制解算，生成滚转力矩伪控制指令、偏航力矩伪控制指令和俯仰力矩伪控制指令。
25.本发明通过设置双回路进行并行计算，一方面减少单个任务的等待时间的同时降低系统的响应时间，降低了无人机控制的时延，另一方面通过外回路控制无人机的速度及位置、通过内回路控制无人机的姿态，有效提升了控制模式的多样性，实现了俯仰姿态控制与前飞控制的解耦及无人机固定倾角前飞的控制模式。
26.更进一步的，基于所述实时状态数据中的速度及位置数据和所述任务指令中的目标速度及目标位置指令进行控制解算，包括：基于所述速度及位置数据中的前飞速度及轴向位置和所述目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成所述前飞直接力伪控制指令；基于所述速度及位置数据中的侧向速度及侧向位置和所述目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成所述滚转姿态指令；基于所述速度及位置数据中的天向速度及高度和所述目标速度及目标位置指令进行控制解算，生成所述高度控制直接力伪控制指令，从而完成外回路的控制解算。
27.更进一步的，基于所述实时状态数据中的姿态及角速率数据、所述滚转姿态指令和所述任务指令中的俯仰姿态指令及偏航姿态指令进行控制解算，包括：基于所述姿态及角速率数据中的滚转角、滚转角速率和所述滚转姿态指令进行控制解算，生成所述滚转力矩伪控制指令；基于所述姿态及角速率数据中的偏航角、偏航角速率和所述偏航姿态指令进行控制解算，生成所述偏航力矩伪控制指令；基于所述姿态及角速率数据中的俯仰角、俯仰角速率和所述俯仰姿态指令进行控制解算，生成所述俯仰力矩伪控制指令，从而完成内回路的控制解算。
28.s4：基于所述伪控制指令进行控制分配计算并生成三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令。其中，所述控制分配的基本逻辑包括：通过第一旋翼的电机和第二旋翼的电机的前后差动偏转实现偏航控制，通过第一旋翼的电机和第二旋翼的电机的转速差动实现滚转控制，本发明相较于传统的反扭矩控制方式，通过动力偏转产生偏航力矩的效能更高，提高了旋翼飞行器的抗饱和能力，提高了系统抗干扰能力。本发明通过通过第一旋翼的电机和第三旋翼的电机的转速差动实现俯仰控制，通过第一旋翼的电机和第二旋翼的电机的前后同步倾转产生轴向直接力，实现前飞控制，通过第一旋翼的电机、第二旋翼的电机和第三旋翼的电机的转速控制实现高度控制。
29.进一步的，基于所述伪控制指令进行控制分配计算并生成三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令，包括：将待控制的舵机的偏转参数等效为直接力的力学关系矩阵；基于所述伪控制指令和所述直接力的力学关系矩阵计算得到直接力控制量；基于所述直接力控制量反算生成所述三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令。
30.更进一步的，直接力的力学关系矩阵包括沿无人机体轴系z轴负方向的法向力和沿无人机体轴系x轴的轴向力，法向力f
zi
与轴向力f
xi
与电机拉力fi和电机偏转
31.f
zi
＝ficos(δi)
32.f
xi
＝fisin(δi)
33.角度δi关系如下式所示：i＝1,2。
34.更进一步的，基于所述伪控制指令和所述直接力的力学关系矩阵计算得到直接力控制量的计算公式为：其中，mf为所述直接力的力学关系矩阵，c
pseudo
为所述伪控制指令，f
dis
为直接力控制量。
35.更进一步的，基于所述直接力控制量反算生成所述三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令的计算公式为：c
real
＝f(f
dis
)，其中，c
real
为所述电机油门和舵机偏转角度指令。
36.更进一步的，所述控制方法还包括：预设所述伪控制指令中各类伪控制指令的优先级，在生成的所述伪控制指令中包含多类伪控制指令时，基于预设的所述伪控制指令中各类伪控制指令的优先级，按照优先级由高至低的方式依次对所述伪控制指令进行控制分配计算。其中，优先级由用户根据应用环境、使用目的等因素灵活设置，本发明不做具体限定。本发明通过设置伪控制指令的优先级与下述的饱和处理方法配合，一方面能够有效保证优先级较高的指令优先执行，另一方面能够在保证飞行安全的情况下，最大程度的利用无人机的性能执行尽可能的多的指令。
37.更进一步的，所述控制方法还包括：预设电机的工作参数区间和舵机的工作参数区间，在按照优先级由高至低的方式依次对所述伪控制指令进行控制分配计算时，若存在生成的电机油门指令不属于所述电机的工作参数区间和/或生成的舵机偏转角度指令不属于所述舵机的工作参数区间时，抑制当前已参与控制分配计算中优先级最低的伪控制指令对应的通道输出，直至生成的电机油门指令属于所述电机的工作参数区间且生成的舵机偏转角度指令属于所述舵机的工作参数区间。其中，所述电机的工作参数区间和舵机的工作参数区间由电机与舵机的额定工作参数区间确定，本发明不做具体限定。
38.本发明通过基于状态数据和任务指令进行双回路控制解算后进行分配计算，生成三旋翼的电机油门和舵机偏转角度指令，实现了俯仰姿态控制与前飞控制的解耦及无人机固定倾角前飞的控制模式，解决了传统的多旋翼无人机的飞行控制方法存在的控制模式较为单一、调节效果有限的问题。
39.以上对本发明实施例所提供的可倾转三旋翼无人机的控制方法。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
40.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元
及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。