一种无人机运动轨迹规划系统及方法技术方案

一种无人机运动轨迹规划系统及方法，属于无人机运动轨迹规划领域。本方法是一种三阶S型运动轨迹规划方法，运动轨迹包含位置R、速度V、加速度A和加加速度J几个信息，被控系统可简化为轨迹生成器C

【技术实现步骤摘要】
一种无人机运动轨迹规划系统及方法
本专利技术属于无人机运动轨迹规划领域，具体涉及一种无人机运动轨迹规划系统及方法。
技术介绍
随着各种类型的无人机技术的进步及其价格的下降，无人机的应用场景也越来越广泛，特别地，无人机被专业和非专业摄影爱好者日益广泛地用于捕获航拍图像和视频。然而，利用无人机拍摄清晰生动的图片和视频对于操控者来说是需要具有十分丰富的操控无人机经验的。更多的，需要两个人的默契配合，一个人控制无人机，另一个人进行拍摄。关键的，如果在拍摄过程中只要发生一点差错，就必须重新进行拍摄。所以，伴随着智能学习方法的应用，无人机可以按照制定的路径进行飞行，这样只需要一个人专心进行拍摄就可以了。目前许多无人机为了减少意外的损伤，无人机的设计并非是一个纯粹的刚体，而是在无人机结构中添加了一些轻质柔性环节，而这些柔性环节在无人机加减速的过程中会因为不合理的轨迹规划而被激发造成结构的残余振动，例如摄像设备的连接机构，而这些柔性环节的残余振动会因此传递到摄像设备，导致虚像、画面振动等问题，这些问题时拍摄者无法克服的问题。所以合理的轨迹规划是目前无人机亟待解决的问题之一。目前抑制这些残余振动的方法主要是添加一些阻尼器件，包括阻尼器或橡胶垫等，但是这些机械环节的添加会造成成本和质量的增加，不但给无人机的生产成本造成了负担，而且还会影响其动态性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无人机运动轨迹规划系统及方法，是为了解决传统柔性结构残余振动抑制需添加额外的减震装置，重量增加和经济成本较高的问题。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种无人机运动轨迹规划系统，包括轨迹生成器CR、柔性系统P和实际输出Y组成；轨迹生成器CR的输出为参考轨迹R包含位置R、速度V、加速度A和加加速度J几个信息，参考轨迹R经柔性系统P，获得系统输出Y，柔性系统P的共振频率fn和系统输出Y残余振荡的信息提供给轨迹生成器CR，修正参考轨迹R。所述的一种无人机运动轨迹规划方法，它的方法步骤为：步骤一：获取柔性结构体的共振频率值fn。两种方式可以获得：第一种方式，利用ansys有限元应力分析，获得柔性结构的劲度系数k，然后根据已知的负载质量m计算共振频率值第二种方式，锤击激励柔性结构体，利用动态信号分析仪测量结构频率响应，获得共振频率值fn。步骤二：初始化无人机运动轨迹R，通过无人机目标位置设计行程距离Rmax，通过无人机速度约束设计Vmax，通过无人机出力约束设计Amax。依据三阶对称S型运动轨迹构建方法随机初始化加加速度Jmax。S型运动轨迹是三阶非对称S曲线：加加速度J在轨迹规划时间内是连续有限幅值脉冲的表现形式；加速度A在运动加、减速阶段为表现为梯形形状，匀速运动阶段加速度A幅值为零；速度在运动加、减速阶段表现为S型形状，匀速运动阶段速度为运动速度最大值；运动轨迹R整体表现为S型形状，运动加、减速阶段不对称，但是加速阶段和减速阶段自身表现为对称形式。轨迹速在加速阶段其中tj是加加速度段所消耗的时间，ta是恒加速度段所消耗的时间。轨迹速在减速阶段其中β是加速阶段和减速阶段加速度幅值之比。步骤三：根据步骤一中共振频率值fn，建立柔性系统模型P，表现为轻阻尼二阶系统其中共振角频率ωn＝2πfn，阻尼ε表现为很小值，一般在0.1以下，柔性系统P极点近似表现为sp＝iωn。根据步骤二中基于零极点配置原理，得到其中Z1是正整数，其中Z2是正整数。如果β＝1可以求解出具体结果，一般反之，可以获得多组解，基于曲线不灵敏度分析和时间最优原则，一般步骤四：输出Y与参考输入R的差值E作为残余振荡，计算序列二范数||E||，在被估计参数tj＝ta，β周围±5％幅值范围内，以步长为1％幅值进行遍历更新参数，获取令二范数||E||最小的一组，记录轨迹相关参数。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、现有无人机对机体位置变化的路径规划多只考虑飞机出力及时间最优，而忽略了被承载的摄像头云台机构中的柔性环节，如果轨迹激发了这些柔性环节的共振频率，会加剧摄像头的抖振问题。本申请在规划轨迹时考虑了柔性环节及其他的干扰振动模态，从而抑制了摄像头的残余振荡。2、考虑到被估计的振动模态极易有一定偏差，本申请采用输出作为反馈与参考输入做差获得残余振荡，利用残余振荡序列的二范数修正轨迹规划参数，从而降低了因参数辨识不准确而引入的干扰，提高了轨迹规划方法的鲁棒性，增强了抑制残余振荡的效果。3、传统摄像头残余振动抑制一般采用添加额外的减振器件，不但增加成本而且还增加重量，本方法只需在轨迹规划时做相应处理，简化了机构，提高了经济效益。附图说明图1为两质量模块系统示意图；图2为非对称S型轨迹规划方法示意图；图3为零极点相消原理示意图；图4为残余振荡抑制示意图；图5为参数修正后残余振荡抑制示意图；图6为无人机点位运动三阶S曲线规划示意图、共振频率修正及运动轨迹更新系统框图。具体实施方式以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。实施例一轻阻尼系统均可以简化为附图1给出的二质量系统，获取共振频率时，利用ansys有限元应力分析，获得柔性结构的劲度系数k，然后根据已知的负载质量m计算共振频率值的方式获得共振频率值fn＝16.3Hz。实施例二附图2给出了非对称S型轨迹规划方法，位置是有速度积分计算而得出，速度是由加速度积分计算而得出，加速度是由加加速度积分计算而得出，在本方法中，加加速度是一系列的连续脉冲，具体表示为：0-t1时间段内，加加速度为恒定的Jmax值；t1-t2时间段内，加加速度为恒定的0值；t2-t3时间段内加加速度的值为-Jmax；t3-t4时间段内加加速度的值为0；t4-t5时间段内加加速度的值为-Jmin；t5-t6时间段内加加速度的值为0；t6-7时间段内加加速度的值为Jmin；其中Jmax＝βJmin。其他加速度、速度、位移的幅值均按照具体情况分析设计。实施例三由图6，根据fn＝16.3Hz，ε＝0.01建立柔性系统模型P，表现为轻阻尼二阶系统其中共振角频率ωn＝2πfn，阻尼ε表现为很小值，一般在0.1以下，柔性系统P极点近似表现为sp＝iωn。根据步骤二中基于零极点配置原理如图3，得到其中Z1是正整数，其中Z2是正整数。如果β＝1可以求解出具体结果，一般反之，可以获得多组解，基于曲线不灵敏度分析和时间最优原则，一般由图4可知红色线为规划轨迹之后的输出，明显比没规划前轨迹的输出残余振荡小很多。实施例四输出Y与参考输入R的差值E作为残余振荡，计算序列二范数||E||，在被估计参数tj＝ta，β周围±5％幅值范围内，以步长为1％幅值进行遍历更新参数，获取令二范数||E||最小的一组，记录轨迹相关参数。在实施例三中规划的轨迹输出在图5中是绿线，而经过实施方式四的正定之后，比之前小了一些，达到了最优轨迹的效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机运动轨迹规划系统，其特征在于，包括轨迹生成器C

【技术特征摘要】
1.一种无人机运动轨迹规划系统，其特征在于，包括轨迹生成器CR、柔性系统P和实际输出Y组成；
轨迹生成器CR的输出为参考轨迹R包含位置R、速度V、加速度A和加加速度J几个信息，参考轨迹R经柔性系统P，获得系统输出Y，柔性系统P的共振频率fn和系统输出Y残余振荡的信息提供给轨迹生成器CR，修正参考轨迹R。


2.一种无人机运动轨迹规划方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：对无人机内的柔性结构，通过激振测试实验的方式获得柔性结构的共振频率值fn；
步骤二：初始化无人机运动轨迹R，通过无人机目标位置设计行程距离Rmax，通过无人机速度约束设计Vmax，通过无人机出力约束设计Amax，依据S型运动轨迹构建规则随机设计Jmax，并根据此数据组成初始运动轨迹R；
步骤三：根据步骤一中共振频率值fn获得柔性系统P的极点，根据步骤二中的参数获得参考轨迹的零点，基于零极点配置原理，更新三阶S型运动轨迹R的参数；
步骤四：通过输出Y的残余振荡信息修正共振频率fn，进而确定运动轨迹设计标准。


3.根据权利要求2所述的一种无人机运动轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤一中，通过激振测试实验的方式获得柔性结构的共振频率值fn是实际共振频率值fn的近似值，对fn参数估计误差的修正通过步骤三...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杰，应双双，李辉，吴伟，韩煜，应腾力，张泽良，骆俊，骆豪，
申请(专利权)人：浙江御穹电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33