CN111580537B - 一种无人机特技飞行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机特技飞行控制系统及方法，通过惯性矩计算姿态控制角，外回路使用非线性跟踪指导控制来确定加速度指令，内环通过PI控制率来跟踪加速度指令，能够让固定翼无人机实现敏捷飞行、特技飞行等高难度飞行动作。本发明步骤为首先计算无人机的惯性矩；在导航系统中得到新的基于地面坐标系期望位置，然后在位置控制系统中利用PD控制率获取基于机体坐标系的期望姿态，进行倾斜滚转分解后，得到的姿态角误差在姿态控制环节中结合无人机的惯性矩计算无人机作动器舵机的输出。本发明在采取缩放积分的基础上利用无人机的惯性矩对姿态控制角进行计算，对于滚转角的控制响应更为快捷，而且可以根据飞机的气动外形，更好地提高飞行控制性能。

Description

一种无人机特技飞行控制系统及方法

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，特别涉及一种无人机特技飞行控制系统及方法。

背景技术

无人机是一种智能无人驾驶飞行器。近年来，随着无人机技术的发展，无人机被广泛运用于各个领域中，特别在军事领域中的应用比较大。比如空中攻击，特种飞行等任务中，此外，在民用领域中也有较大的应用，例如电力巡检、防灾救援、管道巡逻、环境监测等领域。其中，固定翼无人机由于飞行速度快，续航时间长，航程远等难以取代的优点，被广泛应用于各个领域的工作中。

无人机的控制系统是无人机的中枢系统，其在控制无人机姿态，协调无人机各子系统有着关键作用，通过发展无人机的控制技术来提高无人机的飞行性能是十分重要的。飞行控制系统必须调整飞机的控制输入，这是一个具有挑战性的控制问题，因为系统是欠驱动的，并且执行器的效用随着飞机的速度而变化。导致无人机的控制精准度降低，控制响应迟滞。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无人机特技飞行控制系统及方法，通过惯性矩计算姿态控制角的飞行控制方案，能够让无人机实现敏捷飞行、特技飞行等高难度飞行动作。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种无人机特技飞行控制方法，包括以下步骤：

步骤1、确定敏捷性无人机的三个方向的惯性矩；

步骤2、根据无人机当前位置和期望轨迹，确定无人机新的期望位置；

步骤3、将新的期望位置和当前位置对应的地面坐标系的姿态误差，转换成无人机坐标系的姿态误差；

步骤4、将无人机坐标系的姿态误差分解为倾斜误差和滚转误差，并结合四元数得到期望姿态；

步骤5、基于四元数来跟踪机体的位置，根据当前姿态和期望姿态确定姿态角误差，PD控制率根据姿态角误差确定无人机的加速度，并根据加速度和无人机惯性矩得到姿态变换所需要的力矩，进而得到无人机舵机输出。

优选的，步骤1中所述三个方向的惯性矩分别为X方向、Y方向和Z方向的惯性矩，表达式如下：

其中，I_x、I_y、I_z为三个方向的惯性矩，m_i为飞机第i个零件的质量，x_i、y_i、z_i为第i个零件的质心。

优选的，步骤2中所述新的期望位置的表达式如下：

其中，p_ref为期望位置，p为当前位置，p₀为上一点的位置，

为当前位置p的x，y方向构成的二维矩阵。

优选的，步骤3中采用转换矩阵将地面坐标系的姿态误差转换成机体坐标系的姿态误差，转化矩阵根据姿态角的四元数q0，q1，q2，q3确定。

优选的，步骤3中姿态误差包括倾斜误差和滚转误差，倾斜误差由无人机的Z方向位置误差确定，滚转误差由无人机的Y方向位置误差确定；

所述斜误差θ_y和滚转误差θ_z的表达式如下：

θ_z＝K_pΔy_p+K_dΔy_d

θ_y＝K_pΔz_p+K_dΔz_d

其中，Δy_p、Δz_p为y、z方向上的当前位置误差，Δy_d、Δz_d为y、z方向上的期望位置误差，K_p，K_d为常数。

优选的，所所述无人机坐标系的姿态误差的表达式如下：

优选的，步骤4中所述期望姿态的表达式如下：

其中，q_des为期望姿态，q_ref为当前姿态，q_z为倾斜误差，q_y为滚转误差。

优选的，步骤5中根据无人机的当前姿态和步骤4得到的期望姿态计算偏航角、滚转角和俯仰角的姿态角误差；

将加速度乘以步骤1中惯性矩得到姿态变换所需要的力矩，进而确定方向舵、升降舵和副翼的舵机输出。

优选的，步骤5中所述姿态角误差的数学表达式为：

Δq＝q_des-q_ref

所述期望力矩包括滚转力矩L、俯仰力矩M和偏航力矩N；

所述方向舵δ_a、升降舵δ_e和副翼舵机δ_r的表达式如下：

一种无人机特技飞行控制方法的控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至9任一项所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出了一种无人机特技飞行控制系统及方法，首先计算无人机的惯性矩；在导航系统中得到新的基于地面坐标系期望位置，然后在位置控制系统中利用PD控制率获取基于机体坐标系的期望姿态，进行倾斜滚转分解后，得到的姿态角误差在姿态控制环节中结合无人机的惯性矩计算无人机作动器舵机的输出。通过惯性矩计算姿态控制角，能够让无人机实现敏捷飞行、特技飞行等高难度飞行动作。以往的姿态控制环节对于无人机作动器舵机的控制，采取缩放积分的方式计算，本发明在此基础上利用无人机的惯性矩对姿态控制角进行计算，可以根据飞机的气动外形，更好地提高飞行控制性能。通过位置控制环节里计算的期望姿态，传递到姿态控制环节里采用倾转分离的方式，直接算出期望滚转角，进行姿态控制，使无人机的滚转控制上更为灵敏。

附图说明

图1为本发明敏捷性无人机及机体坐标系；

图2为本发明敏捷性无人机的特技飞行控制系统示意图；

图3为本发明敏捷性无人机的特技飞行控制系统中位置控制示意图；

图4为本发明敏捷性无人机的特技飞行控制系统中姿态控制示意图；

图5为本发明敏捷性无人机的特技飞行控制系统中导航示意图。

图中：1为机体坐标系x轴，2为机体坐标系y轴，3为机体坐标系z轴，4为滚转力矩，5为俯仰力矩，6为偏航力矩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1，为敏捷性无人机及机体坐标系，图中1为机体坐标系x轴，2为机体坐标系y轴，3为机体坐标系z轴，4为滚转力矩，5为俯仰力矩，6为偏航力矩。

参阅图2-5，一种基于敏捷性控制的无人机特技飞行控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据敏捷性无人机的型号，确定敏捷性无人机的三个方向的惯性矩。

三个方向的惯性矩分别为X方向、Y方向和Z方向的惯性矩，表达式如下：

其中，I_x、I_y、I_z为三个方向的惯性矩，m_i为飞机第i个零件的质量，x_i、y_i、z_i为第i个零件的质心。

步骤2、基于无人机当前位置和期望轨迹，建立期望位置数学模型，得到无人机新的期望位置。

具体的，参阅图3所示，在导航系统中获取无人机跟踪轨迹和上一点的期望位置，无人机的位置主要是基于地面坐标系的x坐标和y坐标，无人机控制系统中传感器传入无人机的当前位置，然后基于无人机当前位置和期望轨迹，计算出新的期望位置为一个二维向量，并传递到位置控制环节中；

期望位置数学模型表达式如下：

其中，p_ref为期望位置，p为当前位置，p₀为上一点的位置，

为当前位置p的x，y方向构成的二维矩阵。

步骤3、根据期望位置p_ref和当前位置的PD控制计算出基于地面坐标系的姿态误差，再使用转化矩阵将地面坐标系的姿态误差转换成机体坐标系的姿态误差。

具体的，结合图4所示，根据步骤2得到期望位置和当前位置的PD控制计算出基于地面坐标系的姿态误差，当前位置由传感器系统得到。

基于地面坐标系的姿态误差分为倾斜误差和滚转误差。倾斜误差由敏捷性无人机的Z方向位置误差计算，滚转误差由敏捷性无人机的Y方向位置误差计算。

所述基于PD控制率的倾斜误差θ_y和滚转误差θ_z数学表达式：

θ_z＝K_pΔy_p+K_dΔy_d

θ_y＝K_pΔz_p+K_dΔz_d

其中，倾斜误差θ_y和滚转误差θ_z，Δy_p、Δz_p为y、z方向上的当前位置误差，Δy_d、Δz_d为y、z方向上的期望位置误差K_p，K_d为常数。

再使用转化矩阵将地面坐标系的姿态误差转换成机体坐标系的姿态误差，转化矩阵由姿态角的四元数q0，q1，q2，q3求得。

转化矩阵将地面坐标系的姿态误差转换成机体坐标系的姿态误差的数学表达式：

步骤4、使用倾转分离将姿态误差分解为倾斜误差qz和滚转误差qy，基于四元数由当前位置乘以倾斜误差和滚转误差得到期望姿态。

具体的，期望姿态的数学表达式：

其中，q_des为期望姿态，q_ref为当前姿态，q_z为倾斜误差，q_y为滚转误差。

步骤5、基于四元数来跟踪机体的位置，使用当前姿态和期望姿态计算姿态角误差，使用PD控制率来计算所需要的加速度，将加速度乘以固定翼的无人机惯性矩得到进行姿态变换所需要的力矩，进而计算得到舵机输出。

具体的，敏捷性无人机的姿态控制环节基于四元数来跟踪机体的位置，使用传感器系统传入的当前姿态和步骤4得到的期望姿态计算偏航角，滚转角，俯仰角三个姿态角误差，使用PD控制率来计算所需要的三个方向的加速度，将加速度乘以步骤1中敏捷性无人机的惯性矩得到进行姿态变换所需要的力矩，进而计算得到方向舵，升降舵，副翼的舵机输出；

所述姿态角误差的数学表达式为：

Δq＝q_des-q_ref

当前姿态转换到期望姿态的期望力矩的数学表达式为：

滚转力矩

俯仰力矩

偏航力矩

期望力矩得到方向舵、升降舵和副翼舵机输出的数学表达式如下：

其中，δ_a为方向舵，δ_e为升降舵，δ_r为副翼舵。

本发明建立了一种无人机特技飞行控制方法，通过惯性矩计算姿态控制角，外回路使用非线性跟踪指导控制来确定加速度指令，内环通过PI控制率来跟踪加速度指令，能够让固定翼无人机实现敏捷飞行、特技飞行等高难度飞行动作，并且在姿态控制的灵活性非常高。可以应用于各项军事和民用领域中，可以用于军事打击、飞行表演等方面。目前，多旋翼无人机的飞行表演技术较为成熟，而固定翼无人机的飞行表演有待发展，通过敏捷性控制的无人机特技飞行控制技术，实现无人机的特技飞行表演。

实施例1

一种无人机特技飞行控制系统，包括敏捷性无人机和飞行控制器，飞行控制器搭载在无人机上，用于根据上述控制方法对无人机进行特技飞行控制；

无人机包括机身、舵机、电动机等动力装置，GPS导航模块，以及数据传输模块；飞行控制器包含主处理器、协处理器，三套加速计、陀螺仪传感模块，各模块协同工作来实现无人机的敏捷性控制。

无人机通过位置控制产生无人机期望姿态，通过姿态控制来产生无人机的舵机输出和油门输出，通过飞行自动控制器的混控系统传递信号来控制舵机和油门，引导无人机进行特技飞行，实现敏捷性控制。

飞行控制方法由位置控制算法和姿态控制算法组成，位置控制算法用于控制固定翼无人机的位置，算法输入为无人机的位置，包含输出为无人机的期望姿态。姿态控制算法用于控制无人机的姿态，算法输入为无人机的姿态，包括当前姿态和期望姿态，输出为无人机的舵机输出。

飞行控制系统由内外环结构构成，外回路使用非线性跟踪指导控制来确定加速度指令，内环通过PI控制率来跟踪加速度指令。以往的控制系统设计要么是对单个机动进行控制，要么包含一个机动专用控制器和控制增益库。但本发明提出的控制系统采取多模态耦合控制，使得无人机能够实现特技飞行成为可能。

无人机可以为单翼固定翼无人机，也可以为双翼固定翼无人机，或者其他具有阻力方向舵、副翼升降舵、水平尾翼的新型无人机。无人机包括一对机翼、阻力方向舵、副翼升降舵、水平尾翼，螺旋桨等动力装置。无人机的动力装置由电动机转动螺旋桨提供飞行动力，也可以为油动发动机转动螺旋桨提供飞行动力。

无人机的特技飞行是指无人机在短时间内围绕机身三个轴线做旋转，并且无人机的飞行速度、飞行方向发生急速变化，这是一种专门的飞行技术。相比于一般的自主飞行控制，无人机特技飞行对控制性能的要求更高。本发明主要基于敏捷性控制的无人机特技飞行控制系统及方法，领用无人机飞行控制系统，让无人机进行翻转，钟摆，掉头等特技飞行动作。

无人机飞行控制系统利用嵌入式模块、GPS导航系统、传感器技术等现代化的智能手段来构成一个完整的系统，实现无人机的飞行。其中，Pixhack是一款无人机控制系统，包含了STM32F427主处理器以及STM32F100协处理器，内置三组IMU冗余设计传感器，可运行PX4及APM环境。并且可以支持多平台地面站，实施航迹规划，信息处理、信号采集、无线通信等任务。

本发明还提供了一种无人机特技飞行控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现无人机特技飞行控制系统。

处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

本发明提供的无人机特技飞行方法的优势在于：

1.与传统固定翼无人机控制方法相比，敏捷性无人机的转弯半径更小，让敏捷性无人机能够在同一尺寸的机型下，实现更小角度的转弯，实施特技飞行高难度动作的轨迹

2.敏捷性无人机具有更灵活的机动性，能够实现一百八十度的机动掉头来改变运动轨迹

3.在地形狭窄的情况下，敏捷性无人机可以实现九十度转身来躲避障碍物，对无人机的飞行安全有着重要保障。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定敏捷性无人机的三个方向的惯性矩；

步骤2、根据无人机当前位置和期望轨迹，确定无人机新的期望位置；

步骤3、将新的期望位置和当前位置对应的地面坐标系的姿态误差，转换成无人机坐标系的姿态误差；

步骤4、将无人机坐标系的姿态误差分解为倾斜误差和滚转误差，并结合四元数得到期望姿态；

步骤4中所述期望姿态的表达式如下：

其中，q_des为期望姿态，q_ref为当前姿态，q_z为倾斜误差，q_y为滚转误差；

步骤5、基于四元数来跟踪机体的位置，根据当前姿态和期望姿态确定姿态角误差，PD控制率根据姿态角误差确定无人机的加速度，并根据加速度和无人机惯性矩得到姿态变换所需要的力矩，进而得到无人机舵机输出；

根据无人机的当前姿态和步骤4得到的期望姿态计算偏航角、滚转角和俯仰角的姿态角误差；将加速度乘以步骤1中惯性矩得到姿态变换所需要的力矩，进而确定方向舵、升降舵和副翼的舵机输出；

所述姿态角误差的数学表达式为：

Δq＝q_des-q_ref

期望力矩包括滚转力矩L、俯仰力矩M和偏航力矩N；

其中，I_x、I_y分别为x方向和y方向的惯性矩；

所述方向舵δ_a、升降舵δ_e和副翼舵机δ_r的表达式如下：

2.根据权利要求1所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤1中所述三个方向的惯性矩分别为X方向、Y方向和Z方向的惯性矩，表达式如下：

其中，I_x、I_y、I_z为三个方向的惯性矩，m_i为飞机第i个零件的质量，x_i、y_i、z_i为第i个零件的质心。

3.根据权利要求1所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤2中所述新的期望位置的表达式如下：

其中，p_ref为期望位置，p为当前位置，p₀为上一点的位置，

为当前位置p的x,y方向构成的二维矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤3中采用转换矩阵将地面坐标系的姿态误差转换成机体坐标系的姿态误差，转化矩阵根据姿态角的四元数q0,q1,q2,q3确定。

5.根据权利要求4所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤3中姿态误差包括倾斜误差和滚转误差，倾斜误差由无人机的Z方向位置误差确定，滚转误差由无人机的Y方向位置误差确定；

所述倾斜误差θ_y和滚转误差θ_z的表达式如下：

θ_z＝K_PΔy_p+K_dΔy_d

θ_y＝K_pΔz_p+K_dΔz_d

其中，Δy_p、Δz_p为y、z方向上的当前位置误差，Δy_d、Δz_d为y、z方向上的期望位置误差，K_p，K_d为常数。

6.根据权利要求4所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，所述无人机坐标系的姿态误差的表达式如下：

7.一种无人机特技飞行控制方法的控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的方法。

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