一种多旋翼飞行器的控制分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多旋翼飞行器的飞行控制领域，尤其涉及一种多旋翼飞行器的控制分 配方法。
【背景技术】
[0002] 多旋翼飞行器是一个多变量、非线性、强耦合的系统，其控制相对一般的控制对象 来说比较复杂。对于多旋翼飞行器的控制器，其输出一般为四个控制量：俯仰控制量、滚转 控制量、偏航控制量和油门控制量。在得到多旋翼的四个控制量以后，如何将这四个控制量 有效的分配给多个单独的旋翼，使多个旋翼高效、协调的一起工作，是实现多旋翼控制必不 可少的一个步骤。而在现有的文献和公开的资料中，并没有公开的多旋翼飞行器的控制分 配方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种多旋翼飞行器的控制分配方 法。该控制分配方法易于实现，效率较高，可以方便的和多旋翼的控制器集成在一起，共同 实现对多旋翼飞行器的有效控制。
[0004] 本发明的技术方案：一种多旋翼飞行器的控制分配方法，其先根据相应的姿态角 和高度指令，计算得到期望的姿态角和高度值，并分别与姿态角和高度传感器反馈的多旋 翼飞行器实际的姿态角和高度值相减，得到姿态角和高度的控制误差，然后通过对姿态角 和高度的控制误差的计算，得到相应的俯仰控制量、滚转控制量、偏航控制量和油门控制 量，以基于旋翼力矩效能的控制分配方法对以上四个控制量进行分配，从而得到各个旋翼 的控制量。
[0005] 所述的多旋翼飞行器的控制分配方法，其具体步骤如下：
[0006] 步骤一：通过多旋翼飞行器上的姿态传感器和位置传感器得到多旋翼飞行器当前 的姿态角和高度，通过姿态角和高度控制指令得到期望的姿态角和高度值，两者相减，得到 姿态角和高度的控制误差。
[0007] 设姿态角和高度指令为[pitch_RC, roll_RC, yaw_RC, height_RC]T，其中 pitch_RC 为俯仰角指令，roll_RC为滚转角指令，yaw_RC为偏航角指令，height_RC为高度指令，得到 的期望姿态角和高度值为[pitchC, rollC, yawC, heightC]T，其中pitchC为期望俯仰角值， rollC为期望滚转角值，yawC为期望偏航角值，heightC为期望高度值，通过姿态传感器和 位置传感器得到的多旋翼飞行器当前的姿态角和高度为[pitch, roll, yaw, height]T，其中 pitch为当前俯仰角，roll为当前滚转角，yaw为当前偏航角，height为当前高度，则当前 姿态角和高度的控制误差为：
【主权项】
1. 一种多旋翼飞行器的控制分配方法，其特征在于，先根据相应的姿态角和高度指令， 计算得到期望的姿态角和高度值，并分别与姿态角和高度传感器反馈的多旋翼飞行器实际 的姿态角和高度值相减，得到姿态角和高度的控制误差，然后通过对姿态角和高度的控制 误差的计算，得到相应的俯仰控制量、滚转控制量、偏航控制量和油门控制量，以基于旋翼 力矩效能的控制分配方法对以上四个控制量进行分配，从而得到各个旋翼的控制量。
2. 根据权利要求1所述的多旋翼飞行器的控制分配方法，其特征在于，具体步骤如下： 步骤一：通过多旋翼飞行器上的姿态传感器和位置传感器得到多旋翼飞行器当前的姿 态角和高度，通过姿态角和高度控制指令得到期望的姿态角和高度值，两者相减，得到姿态 角和高度的控制误差； 设姿态角和高度指令为[pitch_RC,roll_RC,yaw_RC,height_RC]T，其中pitch_RC为俯 仰角指令，roll_RC为滚转角指令，yaw_RC为偏航角指令，height_RC为高度指令，得到的期 望姿态角和高度值为[pitchC,rollC,yawC,heightC]T，其中pitchC为期望俯仰角值，rollC 为期望滚转角值，yawC为期望偏航角值，heightC为期望高度值，通过姿态传感器和位置传 感器得到的多旋翼飞行器当前的姿态角和高度为[pitch,roll,yaw,height]1，其中pitch 为当前俯仰角，roll为当前滚转角，yaw为当前偏航角，height为当前高度，则当前姿态角 和高度的控制误差为：
步骤二：对当前姿态角和高度的控制误差进行计算，得到多旋翼飞行器的四个控制量 [upitch,uroll,uyaw,uheight]T，其中upitch为俯仰角控制量，uroll为滚转角控制量， uyaw为偏航角控制量，uheight为高度控制量； 步骤三：采用基于旋翼力矩效能的控制分配方法对控制量 [upitch,uroll,uyaw,uheight]1进行分配，若旋翼数量为N，多旋翼飞行器的X轴选 取在两个旋翼轴之间，Y轴与X轴垂直，则各个旋翼同多旋翼飞行器的X轴夹角依次为
!翼在右边角度为正，各个旋翼同多旋翼飞行器的Y 轴夹角依次为
1旋翼在左边为正，根据各旋 翼同X轴、Y轴的夹角不同，其旋翼的力矩效能相应变化，旋翼同X轴夹角绝对值越小，俯 仰力矩力臂越长，其提供俯仰力矩的效能越高，旋翼同Y轴夹角绝对值越小，滚转力矩力臂 越长，其提供滚转力矩的效能越高，依据各旋翼的旋翼力矩效能构造控制分配矩阵，其原则 是，对个旋翼的分配系数同其力臂的长短成正比，构造完成控制分配矩阵后，其同控制量相 乘，得到多旋翼飞行器各个旋翼的控制量U(k); 步骤四：将多旋翼飞行器各个旋翼的控制量分别送给相应的执行机构，从而得到各个 旋翼相应的转速，产生期望的控制力和控制力矩； 步骤五：在后续的飞行控制过程中，不断重复之前的四个步骤，从而实现对多旋翼飞行 器的有效控制。
3. 根据权利要求2所述的多旋翼飞行器的控制分配方法，其特征在于，步骤二中，对当 前姿态角和高度的控制误差进行计算的控制方法包括PID控制方法或动态逆控制方法或 反步法或H控制或LQR控制或特征配置控制方法。
4. 根据权利要求3所述的多旋翼飞行器的控制分配方法，其特征在于，多旋翼为八旋 翼时，X轴选取在两个旋翼轴之间，Y轴与X轴垂直，则各个旋翼同多旋翼飞行器的X轴夹角 依次为±22. 5° ,±67. 5° ,±112. 5° ,±157. 5°，各个旋翼同多旋翼飞行器的Y轴夹角 依次为 67. 5。，112.5。，22.5。，157.5。，-22. 5。，202.5。，-67. 5。，247.5。，则构造 的控制分配矩阵如下所示：
各个旋翼的控制量U(k)的计算公式为：
其中，U(l)到U(8)分别表示旋翼1到旋翼8相应的控制量。
5. 根据权利要求3所述的多旋翼飞行器的控制分配方法，其特征在于，多旋翼为六 旋翼时，X轴选取在两个旋翼轴之间，Y轴与X轴垂直，则各个旋翼同多旋翼飞行器的X 轴夹角依次为±30°，±90°，±150°，各个旋翼同多旋翼飞行器的Y轴夹角依次为 60° ,120°，0° ,180°，-60° ,240°，则构造的控制分配矩阵如下所示：
各个旋翼的控制量U(k)的计算公式为：
其中，U(l)到U(6)分别表示旋翼1到旋翼6相应的控制量。
【专利摘要】本发明公开了一种多旋翼飞行器的控制分配方法，可应用于多旋翼飞行器的飞行控制。本发明期望姿态角和高度计算模块根据相应的姿态角和高度指令，计算得到期望的姿态角和高度值，并与姿态角和高度传感器反馈的实际姿态角和高度值相减，得到姿态角和高度的控制误差。控制量解算模块通过对姿态角和高度的控制误差的计算，得到相应的俯仰控制量、滚转控制量、偏航控制量和油门控制量，通过控制分配模块对以上四个控制量进行分配，得到各个旋翼的控制量。将各个旋翼的控制量给到多旋翼飞行器相应的执行机构，可实现对多旋翼飞行器的有效控制。本控制分配方法易于实现，效率较高，和多旋翼的控制器集成在一起，共同实现对多旋翼飞行器的有效控制。
【IPC分类】G05D1-10, G05B13-04
【公开号】CN104699108
【申请号】CN201310670729
【发明人】宋栋梁, 陈小龙, 唐强, 史龙, 张奕烜, 雷志荣
【申请人】中国航空工业第六一八研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2013年12月10日