[发明专利]基于全过程约束的四旋翼实时轨迹规划及降落控制方法

说明书

本发明公开了一种基于全过程约束的四旋翼实时轨迹规划及降落控制方法，该方法中，通过通信系统获得降落平台的运动信息，通过其携带的传感器获得其自身的运动信息，即可获得一组相对距离和相对速度信息，当距离较近时，通过视觉传感器直接获得相对距离和相对速度信息，其精度较高；进而获得估计的降落时间，基于预测时域，将所述降落时间分为固定份数，每份之间的临界点即为采样点，估计出飞行器在每个采用点处的状态向量，并据此控制飞行器沿着估计轨迹飞行，到达第一个采样点后，重复上述步骤，重新估计轨迹，再次控制飞行器到达第一个采样点；直至飞行器到达降落平台，完成飞行器降落。

技术领域

本发明涉及四旋翼飞行器制导控制领域，尤其涉及飞行器 的降落追踪控制，具体涉及一种基基于全过程约束的四旋翼实 时轨迹规划及降落控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器由于其灵活性和快速部署在工业中越来越 受欢迎，并在诸如拓扑和农业航空摄影、搜索救援行动和测绘 等应用中显示了其实用性。但由于四旋翼飞行器的有效载荷和 飞行时间是有限的，难以满足城市快递、森林救援和海上探测 等任务的需求，所以一些研究人员设计出飞行器与移动平台协 同进行任务的方案，以最大化任务能力。飞行器任务过程中， 首先搭载部分任务载荷从移动平台起飞，完成该阶段任务后， 再返回移动平台进行能源补充，并搭载下一部分任务载荷。其 中，依据任务目标，移动平台可以是卡车、船舰和飞机等海陆 空平台。

为了在规定时间内有效完成任务，需要四旋翼在整个任务 过程中实现稳定可靠飞行，尤其降落过程对四旋翼的控制能力 提出了极高的要求。因为降落平台在快速移动，而且环境非常 复杂，比如高楼林立的城市和树木丛生的森林，所以平台状态 没有规则地快速变化，导致四旋翼在降落过程中发生碰撞和倾 覆等事故。

此外，移动平台在不同环境下的运动状态不同，在城市道 路中比较平稳；在树林中，随地形的变化，车辆会产生不同程 度的倾斜；在海面上，舰艇平台会随着水面波动而上下起伏。 由于四旋翼的最终目标是降落在移动平台上，所以四旋翼的终 端状态约束需要匹配移动平台的运动状态。另外，由于移动平 台在持续移动，需要依据平台状态的变化，实时重规划出新的 降落轨迹，以满足全过程约束。而常规路径规划算法在考虑全 过程约束的同时，难以满足实时性要求，无法在任务过程中实 现轨迹重规划。

现有技术中的降落跟踪算法中，还需要降落平台在移动过 程中考虑降落飞行器的具体工况，适当减速或者保持匀速运 动，尽量保持平稳等等，即降落平台的正常工作状态受到影响， 需要以接收旋翼飞行器降落作为主要任务，使其正常的工作状 态受到一定的影响。

由于上述原因，本发明人对现有的飞行器降落控制方法做 了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的新的飞行 器降落控制方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一 种基于全过程约束的四旋翼实时轨迹规划及降落控制方法，该 方法中，通过通信系统获得降落平台的运动信息，即速度位置 和加速度等信息，通过其携带的传感器获得其自身的运动信 息，即可获得一组相对距离和相对速度信息，该信息相对来说 误差较大，适用于距离降落平台较远的情况，当距离较近时， 通过视觉传感器直接获得相对距离和相对速度信息，其精度较 高；进而获得估计的降落时间，基于预测时域，将所述降落时 间分为固定份数，如20份，每份之间的临界点即为采样点，每 份时间长度即为采样时间长度，估计出飞行器在每个采用点处的状态向量，并据此控制飞行器沿着估计轨迹飞行，到达第一 个采样点后，重复上述步骤，重新估计轨迹，再次控制飞行器 到达第一个采样点；直至飞行器到达降落平台，完成飞行器降 落，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以一种基于全过程约束 的四旋翼实时轨迹规划及降落控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：获得四旋翼飞行器与降落平台的相对距离P_r和相 对速度信息V_r；

步骤二：估计降落所需的时间，基于预测时域N获得采样 时间长度；