[发明专利]无人机壁面吸附状态下的控制方法及无人机

说明书

本发明提供了一种无人机壁面吸附状态下的控制方法及无人机，包括通过超声波模块计算无人机与壁面的水平偏差角，通过机载的陀螺仪测量的俯仰角计算无人机与壁面的垂向偏差角；将水平偏差角和垂向偏差角分别放入两组PID控制器中进行计算；水平偏差角对应的PID控制器解算值作为偏航力矩控制量，垂向偏差角对应的PID控制器解算值作为拉力控制量；其无人机包括机体、吸盘，对称安装在机体两侧的超声波模块和安装在机体上用于测量俯仰角的传感器。本发明能够在吸附状态下有效地控制无人机，控制器只需要角度信息，不需要位置/速度信息，因此克服了在靠近建筑物等有遮挡的环境下，机载的GPS无法精准地获得无人机的位置、速度信息的问题。

技术领域

本发明涉及具有吸附功能的无人机技术领域，具体地，涉及无人机壁面吸附状态下的控制方法。

背景技术

近年来，无人机具备越来越多的功能，除了执行传统的监视、摄影、巡线等应用，部分无人机还具备吸附功能。吸附在壁面、玻璃等平面可以在一定程度上提高无人机的抗干扰能力和增加无人机的续航时间，同时吸附状态也可以作为执行诸如玻璃清洗、接触检测等应用的第一步骤。无人机可以通过前端伸出的吸盘吸附到壁面上，在吸附的状态下，无人机的位置受到了吸盘的约束，无人机的动力学模型发生了变化，在该状态下，对无人机控制方法进行重新设计是有必要的。

无人机在未吸附的状态下具有六个自由度，即三维的位置和角度。控制器采用常规的串级控制框架，根据位置/速度目标量和位置/速度状态量设计外环控制器，外环控制器的输出作为角度目标量，再根据角度目标量和角度状态量设计内环控制器，内环控制器输出控制量即拉力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩，通过控制分配将控制量分配成无人机的每个电机的目标转速，电机改变转速改变无人机的角度和位置。然而在吸附状态下，无人机仅具有两个角度自由度。目前现有的无人机仍然采用上述的控制器来控制吸附状态下的无人机，这在控制上是多余度的，即四个控制量(拉力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩)控制两个角度自由度。所以在吸附状态下，无人机的控制器和控制方法是可以进行简化设计的，即只需要两个控制量控制两个角度自由度。另外原有的控制器需要无人机的位置、速度信息，而在一般的无人机的吸附环境下，例如建筑物的玻璃/墙面，机载的GPS无法精准地获得无人机的位置、速度信息，导致传统的控制器无法正常工作。因此在无人机吸附状态下，因此对控制方法进行重新设计是有必要的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无人机壁面吸附状态下的控制方法。

根据本发明提供的一种无人机壁面吸附状态下的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：通过超声波模块计算无人机与壁面的水平偏差角，通过机载的陀螺仪测量的俯仰角计算无人机与壁面的垂向偏差角；

步骤二：将水平偏差角和垂向偏差角分别放入两组PID控制器中进行计算；

步骤三：水平偏差角对应的PID控制器解算值作为偏航力矩控制量，垂向偏差角对应的PID控制器解算值作为拉力控制量；

步骤四：将两个偏航力矩控制量和拉力控制量进行控制分配，得到每个电机的转速目标量，输入给电机。

可选地，所述水平偏差角可以由对称安装在机体的中垂线两侧的左右两个超声波模块测量的距离和几何关系计算得到，计算方式为：

可选地，所述垂向偏差角的计算方式为：

垂向偏差角＝俯仰角目标量-俯仰角状态量。

可选地，所述偏航力矩控制量的计算公式为：

式中τ_z为偏航力矩，Δα为水平偏差角，k_{p_α}为比例系数，k_{i_α}为积分系数，k_{d_α}为微分系数。

可选地，所述拉力控制量的计算公式为：