[发明专利]一种非对称四旋翼无人机及其控制方法

权利要求书

1.一种非对称四旋翼无人机，其特征在于，包括四个电机和两个舵机，其中两个大电机的螺旋桨横向布置，另外两个小电机的螺旋桨纵向布置，两个大电机螺旋桨中心之间的连线与两个小电机螺旋桨中心之间的连线垂直，且两个小电机螺旋桨中心之间的连线比两个大电机螺旋桨中心之间的连线短；所述两个舵机的导流板分别安装在所述两个大电机螺旋桨正下方。

2.一种权利要求1所述非对称四旋翼无人机的控制系统，包括处理器，其特征在于，所述处理器连接有DC/DC电源模块和无线通信模块，所述处理器包括DSP和与所述DSP连接的CPLD，所述DSP通过PWM接口与所述非对称四旋翼无人机四个电机、两个舵机连接；所述DC/DC电源模块、无线通信模块均与所述DSP连接。

3.利用权利要求2所述控制系统控制权利要求1所述非对称四旋翼无人机的方法，其特征在于，该方法为：

1）建立非对称四旋翼无人机的数学模型：

mz··=-mg+(CθCφ)(kLLw12+kSLw22+kLLw32+kSLw42)Jxθ··=L1kLLw12-L3kLLw32Jyφ··=L2kSLw22-L4kSLw42Jzψ··=L1kLτw12-L2kSτw22-L3kLτw32+L4kSτw42+Kαα,]]>

其中，m为非对称四旋翼无人机的质量，K.为导流板偏转产生的偏航力矩系数，α为导流板偏转角度，w₁、w₂、w₃和w₄分别为四个电机的转速，k_LL为两个大电机的升力系数，k_SL为两个小电机的升力系数，k_Lτ为两个大电机的自旋力矩系数，k_Sτ为两个小电机的自旋力矩系数，L₁、L₂、L₃和L₄分别为四个电机到机体中心的距离，为高度方向的加速度，为俯仰方向加速度，为横滚方向加速度，为偏航方向加速度，J_x为俯仰方向转动惯量，J_y为横滚方向转动惯量，J_z为偏航方向转动惯量；

2）对步骤1）中的数学模型进行小偏差线性化处理，得到小偏差线性模型：

mΔz··=2kLLΔw1+2kSLΔw2+2kLLΔw3+2kSLΔw4JxΔθ··=2L1kLLΔw1-2L3kLLΔw3JyΔφ··=2L2kSLΔw2-2L4kSLΔw4JzΔψ··=2L1kLτΔw1-2L2kSτΔw2-2L3kLτΔw3+2L4kSτΔw4+KαΔα,]]>

其中，m为非对称四旋翼无人机的质量，为高度方向的加速度增量，为俯仰方向加速度增量，为横滚方向加速度增量，为偏航方向加速度增量，△w₁、△w₂、△w₃和△w₄分别为四个电机的转速增量，△α为导流板偏转角度增量；

3）利用PID控制器计算俯仰通道转矩控制增量△u_θ、横滚通道转矩控制增量△u_φ、偏航通道转矩控制增量△u_ψ：

Δuθ=kpθ(errorθ(k)+kiθerrorθ(k-1))+kdθ(errorθ(k)-2errorθ(k-1)+errorθ(k-2)Δuφ=kpφ(errorφ(k)+kiφerrorφ(k-1))+kdφ(errorφ(k)-2errorφ(k-1)+errorφ(k-2)Δuθ=kpψ(errorψ(k)+kiψerrorψ(k-1))+kdψ(errorψ(k)-2errorψ(k-1)+errorψ(k-2),]]>其中，k_pθ、k_iθ、k_dθ分别为俯仰通道PID控制参数，error_θ(k)为k时刻俯仰角度θ与设定俯仰角度之间的偏差；k_pφ、k_iφ、k_dφ分别为横滚通道PID控制参数，error_φ(k)为k时刻横滚角度φ与设定横滚角度之间的偏差；k_pψ、k_iψ、k_dψ分别为偏航通道PID控制参数，error_ψ(k)为k时刻偏航角度ψ与设定偏航角度之间的偏差；其中设定俯仰角度、设定横滚角度和设定偏航角度由姿态控制指令解算得到，设定俯仰角度和设定横滚角度的取值范围为-5°～+5°，设定偏航角度取值范围为0°～360°；

4）利用步骤3）中各通道姿态调节所需转矩控制增量,并通过以下数学模型得到电机转速增量△w₁、△w₂、△w₃、△w₄：

Δuθ=2L1kLLΔw1-2L3kLLΔw3Δuφ=2L2kSLΔw2-2L4kSLΔw4Δuψ=2L1kLτΔw1-2L2kSτΔw2-2L3kLτΔw3+2L4kSτΔw4+KαΔα;]]>

5）结合非对称四旋翼无人机现场PID控制调试情况，对俯仰通道、横滚通道和偏航通道的PID控制参数运用模糊自整定方法进行在线调节：根据实际调试情况，将姿态调节误差e和误差变化率ec的基本模糊范围定义为模糊集上的论域：

其中，e_θ,ec_θ为俯仰姿态调节误差和误差变化率,e_φ,ec_φ为横滚姿态调节误差和误差变化率,为俯仰姿态调节误差和误差变化率；

所述论域的模糊子集为:

设所述论域的模糊子集服从正态分布，俯仰、横滚和偏航的姿态调节误差以及误差变化率的量化因子分别为1.25-1.75、0.8-1.2和2.2-2.8；

6）将三个通道PID控制参数的变化范围分别定义如下：

ΔKpθ={-1.2,-0.8,-0.4,0,0.4,0.8,1.2}ΔKiθ={-0.15,-0.1,-0.05,0,0.05,0.1,0.15}ΔKdθ={-0.09,-0.06,-0.03,0,0.03,0.06,0.09},]]>

ΔKpφ={-0.12,-0.08,-0.04,0,0.04,0.08,0.12}ΔKiφ={-0.18,-0.12,-0.06,0,0.06,0.12,0.18}ΔKdφ={-0.03,-0.02,-0.01,0,0.01,0.02,0.03},]]>

其中△K_pθ、△K_iθ、△K_dθ分别为俯仰通道PID控制参数变化量；

△K_pφ、△K_iφ、△K_dφ分别为横滚通道PID控制参数变化量；

分别为偏航通道PID控制参数变化量；

其模糊子集分别为：

设该模糊子集服从正态分布；

7）建立△K_pθ,△K_pφ,的模糊规则表如下：

建立△K_iθ,△K_iφ,的模糊规则表如下：

建立△K_dθ,△K_dφ的模糊规则表如下：

上述模糊规则表中出现的NB、NM、NS、PS、PM和PB为模糊规则符号，其中对于俯仰姿态通道，模糊规则表中的NB、NM、NS、PS、PM和PB分别对应NB_θ,NM_θ,NS_θ,PS_θ,PM_θ,PB_θ，取值范围为

NB_θ<-4.5,-4.5≤NM_θ<-3,-3≤NS_θ<-1.5,0,1.5≤PS_θ<3,3≤PM_θ<4.5,4.5≤PB_θ；

对于横滚姿态通道，模糊规则表中的NB、NM、NS、PS、PM和PB分别对应NB_φ,NM_φ,NS_φ,PS_φ,PM_φ,PB_φ，取值范围为

NB_φ<-3,-3≤NM_φ<-2,-2≤NS_φ<-1,0,1≤PS_φ<2,2≤PM_φ<3,3≤PB_φ；

对于偏航姿态通道，模糊规则表中的NB、NM、NS、PS、PM和PB分别对应取值范围为

8）在线运行过程中，控制系统通过对模糊规则的结果处理、查表和运算，并根据以下公式完成三个通道PID参数K_p,K_i,K_d的在线自整定：

Kp=Kp,+ΔKpKi=Ki,+ΔKiKd=Kd,+ΔKd]]>

其中

K_p、K_i、K_d分别为当前时刻俯仰通道、横滚通道、偏航通道的PID控制参数；

K_p’、K_i’、K_d’分别为前一控制周期俯仰通道、横滚通道、偏航通道的PID控制参数；

9）根据Smith预测方法重新设计控制系统的闭环反馈回路：

θ′=θ+0.8*θ·φ′=φ+0.8*φ·;]]>

其中θ'、φ'分别为修正后的非对称四旋翼无人机的反馈俯仰姿态角和横滚姿态角；θ、φ分别为非对称四旋翼无人机的俯仰姿态角和横滚姿态角；分别为非对称四旋翼无人机的俯仰姿态角速度和横滚姿态角速度；

10）将θ'和φ'分别作为俯仰通道和横滚通道的姿态反馈值，从而保证俯仰通道和横滚通道的转矩控制增量△u_θ、△u_φ与姿态θ和φ变化保持同步，实现大延迟条件下的控制收敛；

11）设定阈值ε>0，当|error(k)|>ε时，令步骤3）中的k_iθ、k_iφ、k_iψ为零，避免产生过大的姿态震荡，使系统有较快的响应；当|error(k)|<ε时，采用步骤3）的PID控制器，保证控制精度。