[发明专利]一种带有不平衡负载的四旋翼无人机位姿控制方法

摘要

一种带有不平衡负载的四旋翼无人机位姿控制方法，属于无人机控制技术领域。本发明为了解决装载重心未知、安装位置不确定的不平衡负载时无人机无法继续稳定飞行的问题。本发明首先利用坐标变换和动力学分析推导出四旋翼无人机在装载不平衡负载前后的运动学模型和动力学模型；在得到飞行过程中传感器测量数据后通过扩展卡尔曼滤波方法得到高精度、无滞后的飞行状态，并通过飞行状态辨识出大概的重心位置；设计四旋翼飞行器的姿态控制器、位置控制器，并通过补偿螺旋桨转速的方式改进控制器以抵消重心位置变化所带来的额外旋转运动和线运动。本发明适用于在四旋翼无人机的起飞和悬停阶段估计重心位置并建立补偿控制器。

主权项

1.一种带有不平衡负载的四旋翼无人机位姿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立地面坐标系(OgXgYgZg)和机体坐标系(OXYZ)，将在载重范围内任意形状、任意重量的负载装载在四旋翼无人机的任意位置，此时，四旋翼飞行器重心位置从几何中心处O(0,0,0)变为G(xG,yG,0)；步骤二、装载能够测量飞行中运动状态的传感器，所述传感器包括安装于飞行器的机体中心位置的陀螺仪、加速度计和磁力计，分别用于测量飞行过程中飞行器的角速度、加速度和航向角信息；超声波安装于飞行器的底端朝向地面，用于测量相对于地面的飞行高度；光流相机安装于飞行器的底端朝向地面，用于测量相对于地面的水平飞行速度；初始化各传感器，记录传感器初始偏置；步骤三、建立无负载条件下确保四旋翼飞行器起飞和悬停的姿态控制器和位置控制器，选择合适的串级PID参数；步骤四、实时读取步骤二中传感器信息，并建立合适的状态方程和测量方程，通过扩展卡尔曼滤波得到更加准确的飞行姿态角、角速度、线速度；步骤五、建立并比较四旋翼飞行器在装载不平衡负载前后的动力学方程，实时计算得到重心的位置xG和yG，如果辨识得到的重心位置收敛，则跳出，否则，进入步骤六；步骤六、根据步骤五辨识得到的重心位置xG和yG计算抵消不平衡的重力力矩、保证飞行器稳定飞行器螺旋桨补偿转速Δω13和Δω24；步骤七、用步骤六中计算得到的补偿螺旋桨转速校正步骤三得到的姿态控制器和位置控制器，得到基于重心补偿的四旋翼飞行器补偿控制器，计算得到修正后的四个电机占空比U1*、U2*、U3*和U4*。