【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自主移动机器人，涉及一种考虑动力学约束下的旋翼无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法。
技术介绍
1、轨迹规划是无人机飞行的关键部分。根据旋翼无人机轨迹表示的类型，轨迹规划算法可大致分为两类。对于第一类，无人机轨迹由连续时间多项式表示，例如高阶多项式、贝塞尔曲线或伯恩斯坦基多项式。对于第二类，轨迹是最优控制问题的解。最优控制理论可以求解动态系统的最优控制律和最优轨迹，因此可以用于生成四转子的轨迹。轨迹规划的目的在于实现无人机的复杂高机动飞行。
2、完美的轨迹规划算法应该考虑到无人机在高机动飞行下的安全问题，即在轨迹规划的同时应该考虑到无人机的动力学约束。可以认为考虑无人机动力学的轨迹规划体现在对无人机整体机身的规划，其主要体现在两个方面以确保在飞行过程中四旋翼的俯仰角和角速度在高速飞行下是合适、可行的。
3、传统的轨迹规划算法可以使四旋翼机在预先计划的航路点上飞行来完成一些简单任务。而在无人机类双星飞行任务中，其考虑动力学约束不够去全面，会导致无人机在飞行过程中出现超出其最大能力的情况，面临坠机情况，安全风险大大提升。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种能够保证无人机的高机动性的类双星轨迹规划飞行控制方法。该方法对无人机机身进行整体规划的同时考虑无人机的动力学约束，生成合适的、能够保证无人机稳飞行的轨迹曲线，以克服传统轨迹规划超出无人机能力的缺点。
2、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于
3、根据双星飞行的曲线特征，选择参数待定的轨迹形状，构建第一无人机的轨迹，根据两架无人机的相对位置关系得到第二无人机的轨迹；
4、确定无人机在飞行过程中，所需要满足的姿态约束条件；
5、在满足无人机在动力学约束条件下结合姿态约束，确定无人机双星飞行轨迹参数，进而得到双星飞行的轨迹曲线；
6、根据轨迹曲线控制无人机飞行。
7、所述根据双星飞行的曲线特征，选择参数待定的轨迹形状，构建第一无人机的轨迹，根据两架无人机的相对位置关系得到第二无人机的轨迹，包括以下步骤：
8、根据无人机双星飞行任务的轨迹形状，得到参数待定的第一无人机的轨迹；
9、根据第一无人机与第二飞无人机保持头对头相对静止的位置关系，由第一无人机的轨迹，通过坐标变换，确定第二无人机的轨迹。
10、所述第一无人机的轨迹表示为：
11、
12、b1d(t)＝[sin(ωt)；cos(ωt)；0]
13、其中，pd＝[pdx，pdy，pdz]为第一无人机的位置坐标；r为两架无人机双星飞行的飞行半径；ω为绕圈飞行的频率；a为在绕圈飞行的同时水平方向额外的平移速度；c是无人机水平高度，为常值；b1d为第一无人机的期望航向角；t表示时刻。
14、所述第二无人机的轨迹通过以下步骤得到：
15、两架无人机之间的距离为d＝2r；θ表示任一无人机机体坐标系xb轴与惯性坐标系下x0轴夹角；
16、第二无人机在第一无人机坐标系下的位置为：
17、d＝[d·cos(θ)；0；d·sin(θ)]
18、第二无人机在惯性坐标系下的轨迹表示为：
19、p'd＝pd+rd·d
20、
21、其中p'd为第二无人机的期望位置坐标，b'1d为第二无人机的期望航向角，ω为绕圈飞行的频率；pd＝[pdx，pdy，pdz]为第一无人机的位置坐标，b1d为第一无人机的期望航向角，rd表示第一无人机期望旋转矩阵，t表示时刻。
22、将无人机动力学约束考虑进轨迹规划当中，具体为：
23、将旋转矩阵写成无人机质心坐标[px,py,pz]与航向角的微分平坦函数；
24、进而确定考虑动力学约束的轨迹参数。
25、将无人机旋转矩阵表述为无人机质心位置p＝[px,py,pz]与航向角的微分平坦方程，以便后续对无人机姿态进行规划。
26、所述姿态约束条件如下：每个无人机机体xb轴与惯性坐标系下x0轴夹角固定不变。
27、所述双星飞行满足姿态约束条件，并且无人机轨迹半径r与旋转频率ω之间关系满足下式：
28、
29、其中，r为两架无人机类双星飞行的飞行半径，g为重力加速度，ω为绕圈飞行的频率，θ表示任一无人机机体xb轴与惯性坐标系下x0轴夹角。
30、所述在满足无人机在动力学约束条件下结合姿态约束，确定无人机双星飞行轨迹参数，进而得到双星飞行的轨迹曲线，具体如下：
31、保持每个无人机的机体坐标轴xb与惯性坐标系x0轴夹角不变，以此为姿态约束条件，结合第一无人机和第二无人机的轨迹函数，确定轨迹方程的参数即无人机轨迹半径r与旋转频率ω。
32、本专利技术具有以下有益效果及优点：
33、1.在无人机轨迹规划中，考虑无人机的动力学约束，保证无人机能够完成高机动复杂飞行；
34、2.在轨迹规划中，引入无人机的姿态限制，使无人机在能够保证在飞行过程中两轴夹角的约束，满足人机在双星飞行的过程中的姿态要求。
35、3.从以上两点出发，能够保证所生成轨迹的合理性、安全性，避免飞行过程所规划轨迹超出无人机能力范围。
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1.一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述根据双星飞行的曲线特征，选择参数待定的轨迹形状，构建第一无人机的轨迹，根据两架无人机的相对位置关系得到第二无人机的轨迹，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述第一无人机的轨迹表示为：
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述第二无人机的轨迹通过以下步骤得到：
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于：将无人机动力学约束考虑进轨迹规划当中，具体为：
6.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于：将无人机旋转矩阵表述为无人机质心位置p＝[px,py,pz]与航向角的微分平坦方程，以便后续对无人机姿态进行规划。
7.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述姿
8.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述双星飞行满足姿态约束条件，并且无人机轨迹半径r与旋转频率ω之间关系满足下式：
9.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述在满足无人机在动力学约束条件下结合姿态约束，确定无人机双星飞行轨迹参数，进而得到双星飞行的轨迹曲线，具体如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述根据双星飞行的曲线特征，选择参数待定的轨迹形状，构建第一无人机的轨迹，根据两架无人机的相对位置关系得到第二无人机的轨迹，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述第一无人机的轨迹表示为：
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于，所述第二无人机的轨迹通过以下步骤得到：
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机类双星轨迹规划的飞行控制方法，其特征在于：将无人机动力学约束考虑进轨迹规划当中，具体为：
6.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：何玉庆，杨丽英，张璇，张广玉，常彦春，黄朝雄，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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