[发明专利]多旋翼无人机全局输入解耦装置及包含该装置的控制系统

说明书

技术领域

本发明属于多旋翼无人飞行器控制领域，涉及一种多旋翼无人机全局输入解耦装置及包 含该装置的控制系统。

背景技术

六旋翼无人机区别于其他旋翼无人机如直升机、四旋翼无人机等，通过改变六个旋翼的 组织形式，可使系统呈现欠驱动或全驱动的不同工作模式。相比于一般的多旋翼无人机需通 过控制姿态角变化进而控制水平运动，全驱动的六旋翼无人机采用独特的结构配置，可以直 接控制水平运动，该无人机机动性强，可以实现快速前飞、悬停以及以任意姿态前飞等特殊 功能。而欠驱动六旋翼无人机由于其控制相对简单，系统存在的扰动和不确定性较小，因此 也具有研究价值。全驱动六旋翼无人机(结构任意)机体一般设有六个连接杆，均匀分布在 机体周围，连接杆的外端连接执行机构，执行机构由旋翼及驱动器组成。驱动器可采用电机 或油机等。欠驱动六旋翼无人机(结构任意)机体一般设有三个连接杆，均匀分布在机体周 围，每个连接杆的外端连接上下两个旋翼。目前的多旋翼无人机控制系统在解耦问题上没有 通用的方法，每一个状态量的变化都受到多个旋翼转速的影响，而任一旋翼转速改变后也会 使多个状态量发生变化，控制复杂，不容易实现各个自由度的动态解耦，从而实现各个自由 度(位置及姿态)的独立控制。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种通过非线性解耦映射，使多旋翼无人机这个多 输入多输出系统解耦为若干个单输入单输出系统，从而实现无人机六个自由度(位置及姿态) 独立控制的多旋翼无人机全局输入解耦装置。

为了解决上述技术问题，本发明的多旋翼无人机全局输入解耦装置包括：

系数矩阵M_co存储模块101；

所述的系数矩阵M_co＝diag(k₁₁，k₂₂，...，k_mm)；(1)

结构矩阵M_rel存储模块102；

所述的结构矩阵M_rel＝{-1^kAIV_ij}_{m×6，k＝1，2}    (2)

式(2)中i＝1、2、3、……m，j＝1、2、3、4、5、6，m为旋翼的数量；AIV_ij为第i 个旋翼动作时对第j个自由度的绝对影响值；

设多旋翼无人机机体坐标系的x、y轴位于各连接杆所在的平面内并相互垂直，z轴通过 多旋翼无人机的质心且垂直于各连接杆所在的平面；沿x、y、z轴正向移动自由度为正，沿 x、y、z轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机机体绕y轴转动的角度，逆时针转动自 由度为正，顺指针转动自由度为负；滚转角φ为无人机机体绕x轴转动的角度，逆时针转动 自由度为正，顺时针转动自由度为负；偏航角ψ为无人机机体绕z轴转动的角度，逆时针转 动自由度为正，顺时针转动自由度为负；则

第i个旋翼动作时对x、y、z轴方向平动自由度的绝对影响值：

第i个旋翼动作时对俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ转动自由度的绝对影响值：

当自由度向负方向变化时，k＝1，当自由度向正方向变化时k＝2；

将系数矩阵M_co与结构矩阵M_rel相乘并求逆得到逆矩阵(M_co·M_rel)^-1的模块103；

主导旋翼转速运算模块104：利用式(5)得到各主导旋翼转速，并根据其他旋翼与主导 旋翼的对应关系得到其他旋翼转速，然后将得到的各旋翼转速分别传输给各旋翼对应的驱动 装置的模块：