一种任意倾斜表面休息的矢量式四旋翼无人机控制方法

本发明涉及无人机控制，特别涉及矢量式无人机控制技术，具体为一种任意倾斜表面休息的矢量式四旋翼无人机控制方法。

背景技术：

1、四旋翼等小型无人机具备极强的机动能力，在侦察任务、航拍、生物探测、环境检测等方面有重要的应用，但是由于其电池容量有限，一般无人机的续航能力仅仅在15-20分钟，难以完成持续性以及间断性任务。目前大多数栖息方法使用额外的笨重的机械结构，比如特殊的爪子、夹持器、支架等，使无人机栖息在树枝上或物体表面，这种方法极大增加了无人机的体积，增加了能耗。少部分方法使用套索，挂钩等栖息结构，这些结构只能稳固在水平表面。此外，由于四旋翼无人机栖息方法大多采用笨重的机械结构，完成栖息任务时难以执行其他任务，忽略了栖息的现实意义；其他栖息方法很难在倾斜表面栖息。

2、2019年kaiyu hang等人首次提出了无人机栖息领域的“休息”的概念，即无人机在物体表面保持临时静止或相对静止，维持其旋翼一个或多个旋转，这种栖息方法产生的能耗小于悬停时产生的能耗，并可以随时出发继续任务。矢量式无人机提出于2012年，该无人机采用具有可控倾角的无人机螺旋桨，不同于传统的耦合控制系统，该无人机六个控制量可以单独控制，因此可以实现任意角度倾斜和悬停。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种夹持结构相对简单、可在任意倾斜表面休息的矢量式四旋翼无人机控制方法，以解决上述背景技术中提出的结构笨重或无法在倾斜表面栖息的四旋翼无人机栖息问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种任意倾斜表面休息的矢量式四旋翼无人机控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1.1：建立坐标系；

5、步骤1.2：建立矢量式四旋翼无人机数学模型；

6、步骤1.3：建立在倾斜杆状物主动休息方法；

7、步骤1.4：在倾斜平台休息控制方法。

8、进一步地，步骤1.1中建立坐标系包括：世界坐标系w＝ow，xw，yw，zw，机体坐标系b＝ob，xb，yb，zb；转子坐标系s＝os，xs，ys，zs，欧拉角其中横滚角为俯仰角为θ，偏航角为ψ。

9、进一步地，步骤1.2中建立矢量式四旋翼无人机数学模型包括：每个旋翼螺旋桨转子的转速为ωk，产生的垂直的力为fk，每个螺旋桨产生的扭矩为τk，设kt，kq为转子常数，有以下表达式成立：

10、fk＝ktωk2

11、τk＝kqωk2

12、用代表转子到机体旋转矩阵，转子的位置可以用表示，其中el＝e1，2，3，e1＝[1，0，0]t，e2＝[0，1，0]t，e3＝[0，0，1]t；每个螺旋桨的推力可以用fk表示，设转子的欧拉角为ψk，因此产生的总推力f等于：

13、

14、当转子的中心连线与x轴重合时，ψk＝[0，αm，0]，否则ψk＝[βn，0，0]，m，n＝1，2；其中αm为第m个安装在x轴舵机的旋转角度，βn第n个安装在y轴舵机的旋转角度，设第k个转子的反扭矩qk，螺旋桨升力系数ct，因此总反扭矩qs为：

15、

16、qk＝(-1)kctωke3

17、接着用代表转子在机体坐标系的位置，令转子扭矩为τa，转子的总扭矩τ可以表示为：

18、τ＝τa+qs

19、

20、令m为机体总质量，为机体在世界坐标系的位置，为机体到世界的旋转矩阵，l为总角动量，有以下式子成立：

21、

22、

23、进一步地，所述无人机包含四个旋翼，即k＝1，2，3，4。

24、进一步地，所述无人机通过以上数学模型进行控制，必要时可利用前馈-反馈进行控制，最大化利用摩擦力，从而最大化节省能耗。

25、进一步地，步骤1.3中建立在倾斜杆状物主动休息方法，包括以下步骤：首先机器人进行环境感知，在悬停状态，设y轴推力fy＝∑yf2，4，x轴推力fx＝∑xf1，3，机器人自上而下飞行，若目标为杆状物体，使得机体坐标系x轴于目标杆共面，机体始终保持水平，同时使用激光测距模块测量目标倾角δ，升起夹持结构，控制夹持舵机旋转δ，抓取目标杆，此时令y轴的螺旋桨舵机维持原方向，即ψy＝[0，0，0]，y＝2，4，并减小fy使其等于fy*；令x轴的螺旋桨舵机旋转欧拉角ψx＝[0，δ，0]，x＝1，3，减小fx并令其等于fx*，根据力的矢量合成原理，fy*，fx*满足以下式子：

26、(mg-fy*)·cosψx＝fx*

27、mg＝fx*·(cosψx)-1+fy*。

28、进一步地，当考虑无摩擦力时，无人机推力f*＝fy*+fx*＜fx+fy＝f；考虑令fy*＝0，即y轴螺旋桨停转，此时能耗节省最大，即fsave＝f-mgcosψx；如果考虑摩擦力，摩擦力方向沿杆向上，为f，有以下式子成立：

29、(mg-fy*)·cosψx＝fx*+f

30、mg＝(fx*+f)·(cosψx)-1+fy*。

31、进一步地，考虑令fy*＝0，即y轴螺旋桨停转，此时fsave＝f-mgcosψx+f，摩擦力无需单独测算，仅使无人机接近滑动一刹那即为fsave最大；依据此理论可以将无人机停靠在杆状物上面，产生的能耗远小于悬停产生的能耗f＝mg，并且可以通过松开夹持结构，恢复旋翼的推力随时起飞。

32、进一步地，步骤1.4中建立在倾斜平台休整控制方法包括：使用激光测距测量倾斜平台倾角γ，令ψx＝[0，γ，0]，ψy＝[0，0，0]，若此时摩擦力为f，有以下式子成立：

33、(mg-fy*)·cosψx＝fx*+f

34、mg＝(fx*+f)·(cosψx)-1+fy*

35、fsave＝f-mgcosψx+f(fy*＝0)

36、因此依据此理论可以将无人机停靠在倾斜平台上面，产生的能耗远小于悬停产生的能耗f＝mg，并且可以通过恢复旋翼的推力随时起飞。

37、进一步地，在倾斜平台休息控制方法中不使用轻质夹持结构，而是使用高摩擦系数的机体起落架或可控电磁铁停留平台表面。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

39、(1)本发明提供的无人机夹持装置，满足轻量化的要求，并且具备抓取小型物体的能力。

40、(2)本发明提供的栖息方法可以作业于倾斜表面和物体。

41、(3)本发明提供的矢量式无人机栖息控制方法，控制原理简单，实用性强，控制动作流畅，抗干扰能力强。

42、(4)本发明提供的矢量式无人机栖息控制方法，具有一定的能耗节省，满足延长无人机续航的要求。

43、(5)针对大多数小型无人机栖息结构笨重，无法在倾斜表面栖息等问题，本发明提出了一种任意倾斜表面休息的矢量式四旋翼无人机控制方法，该方法着重考虑了延长续航，节省能耗这一特点，采用轻质夹持结构并利用矢量式无人机的特性，实现简单易行的主动栖息控制方法，该方法不停转旋翼，可在需要起飞时随时恢复旋翼推力进行起飞。

44、(6)本发明的机器人具有轻质的夹持结构，栖息开始时，首先机器人进行环境感知，通过目标检测方法等确定栖息目标，并确定坐标系，接着易得目标的倾斜角度，如视觉估计、激光测距、惯性传感器等方法。然后使用推导的数学模型对矢量式无人机进行栖息控制，逐步减小所需推力，必要时可以使用前馈-反馈的控制结构进行控制，从而最大化利用摩擦力，使无人机可靠的在倾斜表面休息(即旋翼不停转，能耗小于悬停能耗)。