[发明专利]一种六自由度独立可控飞行器及其控制方法

权利要求书

1.一种六自由度独立可控飞行器的控制方法，基于六自由度独立可控飞行器，包括机身(1)、一级转动装置(7)、二级转动装置(4)、动力系统(3)、U型机臂(2)、动力系统安装臂及飞行控制系统(5)；

所述机身(1)包含上机板(16)，下机板(17)和起落架(6)，所述一级转动装置(7)固定设于上机板(16)和下机板(17)之间；

所述U型机臂(2)、一级转动装置(7)、二级转动装置(4)以及动力系统(3)的数量为四，且一级转动装置(7)呈十字形分布；

所述一级转动装置(7)固定于机身(1)上，其转动端通过一级连接机构(9)与U型机臂(2)相连接；

所述二级转动装置(4)固定于U型机臂(2)上，其转动端通过二级连接机构(11)与动力系统安装臂相连接；

所述动力系统(3)固定在动力系统安装臂上，动力系统安装臂由所述二级转动装置(4)驱动；

所述飞行控制系统(5)获取飞行参数及控制信号，并控制与之电性连接的一级转动装置(7)、二级转动装置(4)以及动力系统(3)，实现对飞行器六个自由度独立运动的控制；

其特征在于，包括步骤如下：

将飞行器六个自由度的位置和姿态期望信号与当前反馈信号进行对比，并计算出四个一级转动装置和四个二级转动装置的转动角度指令以及四个动力系统的转速指令，使得转动装置与动力系统协调配合，实现对空间六自由度运动指令输入信号的完全跟踪；

所述方法具体包括：上层控制和控制分配；其中，上层控制通过将飞行器六个自由度的位置和姿态期望信号与当前反馈信号进行对比，生成伪控制量；控制分配将伪控制量映射到四个一级转动装置和四个二级转动装置的转动角度指令以及四个动力系统的转速指令；

所述控制分配具体形式为：

1)建立六自由度独立可控飞行器中8个转动装置的转动量以及4个动力系统的转速量关于机身坐标系下期望力和期望力矩的函数关系；

2)利用步骤1)中得到的函数关系，由上层控制所计算出的期望力和期望力矩，求解转动装置以及动力系统的期望转动量及期望升力量；

所述控制分配具体还包括：先将转动量以及升力量合成为电机升力矢量；建立四个电机升力矢量与期望力和期望力矩的关系；通过伪逆矩阵由期望力和期望力矩计算出升力矢量，再由升力矢量计算出转动装置转动量以及动力系统升力量；

所述控制分配具体还包括：所述的转动量以及升力量合成为升力矢量的具体形式为：

设α_i为第i号一级舵机转动角度，β_i为第i号二级舵机转动角度，为第i号机臂上两个电机的转速；i＝1,2,3,4，由于电机坐标系相对于机身始终固定，当电机分别绕自身轴Y轴转动β角，X轴转动α角后，旋翼产生的拉力在电机坐标系下所投影的升力矢量F_i为：

其中，K_f为共轴反桨的等效旋翼升力系数；

四个电机上的升力矢量与期望力F_des和期望力矩M_des关系的具体形式为：

其中，A为分配矩阵，U为控制量向量，U_i为i号电机系下控制量向量，^bR_i为从i号电机坐标系到机身坐标系的转换矩阵，[r₁]_×为第i电机系到机身的叉乘矩阵；

所述控制分配的具体形式为：

其中，为A矩阵的摩尔彭斯伪逆，E为单位阵，U_p为优化目标向量；

电机转速平方以及舵机转动角度分别为：