一种小型四轴飞行器控制器设计方法技术

本发明专利技术属于自动控制领域，具体涉及一种小型四轴飞行器控制器设计方法，采用动态逆控方法把系统分为角速度，姿态角和位移三个子系统，然后分别进行动态逆控制设计。设计的控制器在基于STM32芯片的四旋翼飞行器上进行试飞实验。实验结果表明，动态逆控制器能够有效的控制四旋翼飞行器的姿态角。适合小型四轴飞行器的高定位精度、微型化及低成本的特点，具有理论与实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动控制领域，涉及，特别针对 小型无人机的高定位精度、微型化及低成本的要求。
技术介绍
这些年，四旋翼飞行器发展迅速，在民事、军事领域中，已经得到了广泛的应用。由 于四旋翼飞行器独特的结构和四个输入欠驱动耦合系统，其特点决定了飞行器能垂直起 降、悬停、纵飞等飞行特性。研究人员为了提高四旋翼飞行器各种飞行状态的性能，不断的 研究飞行器的控制方法，从而实现飞行器的飞行性能。与此同时，伴随着现代的电子技术、 计算机技术以及自动化技术的不断地发展，四旋翼飞行器在结构、重量、体积向着有利的方 向发展，而且它的灵活性、机械性也有很大的提高，特别在控制上，可以通过的四个独立的 旋翼对飞行器进行控制。四旋翼飞行器无论在军事上还是在民用上，它的独特的位置控制 和稳定的飞行特性，都得到了广泛的使用。因此，很多国家已经对四旋翼飞行器未来实用性 进行了深入的研究。目前，在非线性领域中，控制方法的研究较多，然而很多方法研究需要 精确的数学模型。在四旋翼飞行器控制器设计中，在允许数学模型误差存在的条件下，控制 器较为简单，而且实用。本专利技术采取动态逆控制系统，不但能消除非线性控制系统影响，而 且还能对其进行解耦控制。通过MATLAB/S頂ULINK仿真平台对飞行器控制器进行仿真。实 验表明，动态逆控制器能够有效控制飞行器的姿态角，具有理论与实用价值。
技术实现思路
本专利技术重点研究无人机控制系统的控制方法。采取动态逆控制系统，消除非线性 控制系统影响，而且还能对其进行解耦控制。把系统分为角速度，姿态角和位移三个子系 统，分别进行动态逆控制设计。具体的研究方案如图1所示。【附图说明】 图1是本专利技术的研究方案图。【具体实施方式】 主要环节的具体设计如下： (1)四轴飞行器数学模型 四个独立的旋翼分别绕自身旋转，使飞行器产生向上的升力，经过多次试验所得， 单升力F1与电机转速ω 1成正比。 F1=IctCo12 (1) 其中，kt为空气阻力系数。 旋翼在空气中旋转时，所受到空气的阻力D1与旋翼旋转速度和空气密度有关。 D1 = 0. 5C XAC P ω2 = k d ω J2 (2) 其中Cx为旋叶面积，A。为拖曳系数，P为空气密度。 四旋翼飞行器主要的重力G包括飞行器结构、电机、电池等。在飞行时，飞行器意 外受损可以忽略，对飞行器影响甚微。 根据牛顿第一定律得出，在地面坐标系上飞行器质心运动向量形式的方程。 式（3)中，F飞行器所受到的总外力，V则是飞行器在空中飞行的速度，m是四旋翼 飞行器的质量。 根据牛顿第一定律得出，在地面坐标系上飞行器动力学向量形式的方程。 式（4)中，M是四旋翼飞行器受到总力矩，Ω为飞行器的角速度，I为飞行器的惯 性矩阵。 当四旋翼飞行器在室内慢速飞行时，可以忽略阻力系数，通过式（3)和式（4)可以 得到总方程式 其中分别为垂直升降控制量、滚转运动控制量、俯仰运动控制量和偏 航运动控制量，其与转速的关系为 (2).基于动态逆的控制器设计 1)角速度回路 角速度回路对应总方程（5)中的[户$ 4数学模型进行整理，即： X (S i)为非线性动态函数，向量gl是可 逆的，因此符合动态逆控制器设计原理。设4为期望值，是由姿态角回路输出得到，根据方程 式（7)期望角速度模型选择一阶惯性环节，因此可以得到期望角速度τ1<3 式⑶中，λ [p q,rf是角速度通道系数，其值为11。其动态逆控制律为： 2)姿态角回路 对总方程（5)中的姿态角方程进行整理得： 为了得到姿态角回路期望响应方程，需要选取一阶惯性环节，可得： λ 为姿态角通道系数，而姿态角与角速度的通道系数相差三倍以上。由于 时，X (δ2)是可逆的，因此符合动态逆原理，根据式（10)可得动态逆控制器： 3)位置角回路 在方程（5)中可以看出，其状态量包括线速度和位移，所以可以把方程变形为： ，很显然，&是可逆的。对方程（5)进行整理得： 根据方程（14)选取二阶环节作为指令期望相应方程， 其中 λ = 5. 6，λ = 16。因此动态逆控制律为： r 3= g31L τ 3-χ ( δ 3)] (16) 本专利技术的优点在于，消除四轴飞行器非线性控制系统影响，而且还能对其进行解 奉禹控制。【主权项】1. 采用动态逆控方法把系统分为角速度，姿态角 和位移三个子系统，然后分别进行动态逆控制设计。设计的控制器在基于STM32芯片的四 旋翼飞行器上进行试飞实验。实验结果表明，动态逆控制器能够有效的控制四旋翼飞行器 的姿态角。2. 根据权利要求1所述的，其特征在于，采用动 态逆控方法进行设计。3. 根据权利要求1所述的，其特征在于，把系统 分为角速度，姿态角和位移三个子系统。【专利摘要】本专利技术属于自动控制领域，具体涉及，采用动态逆控方法把系统分为角速度，姿态角和位移三个子系统，然后分别进行动态逆控制设计。设计的控制器在基于STM32芯片的四旋翼飞行器上进行试飞实验。实验结果表明，动态逆控制器能够有效的控制四旋翼飞行器的姿态角。适合小型四轴飞行器的高定位精度、微型化及低成本的特点，具有理论与实用价值。【IPC分类】G05B13/04, G06F17/50【公开号】CN105259760【申请号】CN201510705559【专利技术人】成怡 【申请人】天津工业大学【公开日】2016年1月20日【申请日】2015年10月23日本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型四轴飞行器控制器设计方法采用动态逆控方法把系统分为角速度，姿态角和位移三个子系统，然后分别进行动态逆控制设计。设计的控制器在基于STM32芯片的四旋翼飞行器上进行试飞实验。实验结果表明，动态逆控制器能够有效的控制四旋翼飞行器的姿态角。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：成怡，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12