[发明专利]一种具有柏拉图立体结构的多栖无人系统

权利要求书

1.一种具有柏拉图立体结构的多栖无人系统，其特征在于，包括多个无人机和控制系统；每个无人机相当于柏拉图立体结构中正多面体的一面；所述控制系统用于控制所述多个无人机执行：集群飞行、组合成类球体结构进行地面滚动行进、两两前后排列组成鱼雷状结构进行水面集结航行、地空模态转换或者水空模态转换；

所述控制系统包括多个控制单元，每个控制单元分别对应一个无人机；每个控制单元包括位置控制器、姿态控制器、控制分配器和滚动动力模块；所述位置控制器用于基于其对应的无人机轨迹航点和当前位置信息计算位置偏差，输出期望滚动角速度并传递给所述姿态控制器；所述姿态控制器用于基于期望滚动角速度与陀螺仪传感器测得的角速度数据计算角速度偏差，输出期望驱动力矩并传递给所述控制分配器；所述控制分配器用于根据所述滚动动力模块中电机的空间构型及陀螺仪传感器测得的当前姿态信息将期望驱动力矩解算为电机的控制信号，以控制所述多栖无人系统按照预定轨迹在地面滚动行进；

所述控制系统控制所述多栖无人系统在地面滚动行进，包括如下步骤：

1）获取各无人机轨迹航点与当前位置信息作为第一级PID输入，并通过位置控制器得到期望滚动角速度作为第二级PID输入；

2）利用离散化的位置式PID算法控制期望滚动角速度，并使用积分分离避免出现积分饱和，期望滚动角速度计算公式为：

其中，为期望滚动角速度；为比例系数；为积分系数；为微分系数；e为期望位置与实际位置的偏差值；t为时间；

3）将组成类球体结构的多栖无人系统简化为具有两个正交输入的欠驱动滚动球体，分别以运动原点O和球心点C为原点建立惯性坐标系OXYZ和类球体多栖无人系统的机体坐标系；期望滚动角速度数据以惯性坐标系OXYZ为参考系，陀螺仪传感器测得的角速度以机体坐标系为参考系；通过PI控制器构造惯性坐标系OXYZ下描述的角加速度控制信号：

其中，为陀螺仪传感器测得的角速度数据在惯性坐标系OXYZ下的描述，其计算公式为：

其中，为陀螺仪传感器测得的角速度数据在机体坐标系下的描述；c代表cos，s代表sin，为Euler角；

根据球体的运动学特性，将惯性坐标系OXYZ下描述的角加速度控制信号解算为机体坐标系下描述的驱动力矩控制信号：

其中，I为惯性矩阵；

4）假设第i个无人机的旋翼机构的旋翼转速为，M为多个无人机上电机数量之和，则旋翼机构的电机轴线方向上的升力和旋转力矩为：

其中，是电机转动力系数，是电机转动力矩系数；

令同一直径上布置的两个无人机的旋翼机构的电机采取等大且同向的控制信号，将n个旋翼机构的控制信号等效为n/2路转速控制信号以提供期望转速方向上的驱动力矩。

2.根据权利要求1所述的多栖无人系统，其特征在于，轨迹航点由预定的轨迹离散化得到；位置传感器利用室内光学动作捕捉系统OptiTrack获得位置信息数据，之后对位置信息数据进行均值滤波处理以及卡尔曼滤波处理。

3.根据权利要求1所述的多栖无人系统，其特征在于，所述控制系统包括集群飞行控制器，用于基于 Flocking 算法控制所述多栖无人系统实现线列编队飞行和圆周编队飞行。