一种旋翼无人机近地飞行的控制方法
- 国知局
- 2024-08-01 00:08:03
本发明属于旋翼无人机近地飞行的控制领域,尤其涉及一种旋翼无人机近地飞行的控制方法。背景技术:::1、由于机械设计简单,机动性高,多旋翼机在室内外的各类场景中都得到了广泛的应用。然而,在许多应用中,近地飞行是不可避免的。例如,使用带有机械臂的多旋翼无人机抓取靠近地面的物体,规划近地飞行的轨迹以通过地面反推力来节省能量,自动降落在物体表面等等。在这些场景中,在接近刚性物体时,多旋翼无人机会受到地面或物体表面附近气流的干扰,导致姿态出现震荡、位置难以控制,这对其安全性和稳定性产生了显著影响。2、这类现象通常被称为地面效应,研究人员对其进行了广泛的分析。大多数工作都集中在精确地模拟地面效应产生的“额外升力”。之前的方法通常采一个函数来拟合额外升力和高度的关系。这样,然后使用模型计算出前馈控制信号(反向补偿的加速度)来抵消干扰。然而,地面效应对多旋翼无人机施加的干扰远不止于此。3、第一种干扰是外部扭矩。当多旋翼无人机在平坦地面附近飞行且姿态不水平时,靠近地面的旋翼会产生更大的推力,从而产生一个扭矩,使多旋翼无人机的姿态趋于水平[6]。我们称其为“水平回正力矩”。这可能导致无人机姿态振荡或者控制精度的降低。4、第二种干扰是无人机前进的阻力系数的变化。对于四旋翼上的旋转的旋翼,每个桨叶除了受到空气的升力,还会受到施加在旋转平面上的阻力。这个阻力与相对气流速度正相关。悬停时,相对气流速度正比于旋翼转速。当无人机进行前向飞行时,每个旋翼在一个旋转周期中向前运动的桨叶相对气流速度大,向后运动的桨叶相对气流运动速度小。这导致桨叶在不同相位处受到的阻力不同,整个旋翼受到的阻力的合力不为0,因此产生了无人机领域常说的rotor drag。由于不同相位桨叶的相对气流速度差与旋翼角速度成正比,rotor drag与总推力正相关。无人机靠近地面时,所需油门减小,因此rotor drag也会减小。之前的一些工作之所以将rotor drag近似为常数,是因为正常飞行时总推力维持在悬停油门附近,这在近地飞行时就不适用了。5、第三种通常不被考虑的扰动模型是高速贴地飞行时无人机的升力气流的逃逸。《x.kan,j.thomas,h.teng,h.g.tanner,v.kumar,and k.karydis,“analysis of groundeffect for small-scale uavs in forward flight,”ieee robotics and automationletters,vol.4,no.4,pp.3860-3867,2019》分析了无人机在近地面前向飞行过程中,额外推力的变化情况。无人机在近地面悬停时,受地面遮挡,气流向上反弹形成了高压力层导致了额外的升力。无人机在高速向前飞行时,部分气流产生了逃逸,导致额外的升力有衰减。6、上述问题导致了无人机难以在地面附近保持一个倾斜的姿态以产生横向加速度。因此现有方法只适用于起飞、近地悬停等简单情形,难以跟踪一条贴地飞行的轨迹。因此有必要将地面效应影响下的无人机动力学模型研究清楚,并通过一定的控制策略提升无人机控制的稳定性。7、在实现本发明的过程中,发明人发现现有技术中至少存在如下问题:8、(1)应对“额外推力”的方式9、地面效应的研究最初主要集中在直升机上,其影响因素主要涉及旋翼半径和桨叶平面与地面的距离。其他影响因素还包括空气密度、转速、叶片攻角以及旋转轴方向的来流速度等。相对于直升机,多旋翼的动力学模型相对简单,因为直升机只有一个旋翼。而对于多旋翼来说,整个机体形成的空气对流区域对地面效应的影响大于单个旋翼的叠加效应。因此,一些专为多旋翼无人机设计的地面效应模型相继被提出。例如,《p.sanchez-cuevas,g.heredia,and a.ollero,“characterization of the aerodynamic ground effect andits influence in multirotor control,”international journal of aerospaceengineering,vol.2017,2017.》在直升机的地面效应模型中引入了一些修正项,以适应多旋翼无人机的特性。尽管这些模型已经相当精确,但是模型的参数通常较多,其辨识过程相对复杂。10、(2)应对“水平回正力矩”的方式11、在以往的研究中,常见的解决方案是内环调优。当多旋翼无人机接近地面时,并且具有一定程度的姿态倾斜时,就会受到地面效应产生的更强的“水平回正力矩”的影响。在小角度下,这个力矩与倾斜角度之间的关系可以被认为是线性的。“水平回正力矩”类似于在多旋翼飞行器下方添加了一个固定重物。进一步而言,它可以等效于向下移动重心并增加转动惯量,这可以通过调整姿态和角速度控制环节的增益来处理。由于地面效应在不同高度下的强度不同,因此每个高度都需要相应的一组合适的参数。然而,由于缺乏力矩模型,调整控制参数相对困难。12、例如,《p.sanchez-cuevas,g.heredia,and a.ollero,“characterization ofthe aerodynamic ground effect and its influence in multirotor control,”international journal of aerospace engineering,vol.2017,2017.》认为“水平回正力矩”影响不够显著,只会使多旋翼无人机更加稳定,因此在他们的控制框架中没有对其进行建模或考虑。他们的研究重点是多旋翼无人机在越过障碍物时,由地面效应产生的额外推力对某些旋翼产生的扭矩(称为障碍扭矩),从而将多旋翼无人机推离障碍物。在实验中,他们在多旋翼无人机水平飞行路径下放置了一张桌子,这意味着在飞行过程中实际上只存在两个高度:恒定高度和无限高度。他们利用障碍扭矩模型作为前馈,引入了姿态指令的偏差,最终输出的指令即为多旋翼无人机的期望姿态。为了解决调平扭矩问题,飞行控制的姿态控制器参数只需要根据该场景的具体高度进行调整,而不需要适应所有高度。13、另一个例子是《g.shi,x.shi,m.o’connell,r.yu,k.azizzadenesheli,a.anandkumar,y.yue,and s.-j.chung,“neural lander:stabledrone landing controlusing learned dynamics,”in2019international conference on robotics andautomation(icra).ieee,2019,pp.9784-9790.》基于多旋翼无人机的动力学和状态信息设计了一个网络来预测地面附近的外力。他们认为调平扭矩并不大到需要进行补偿。然而,他们的控制器框架中的参数,例如角速度误差增益,可以缓解水平转矩引起的振荡。调整参数以适应低空场景可能会降低高空姿态下的控制精度,但不会影响着陆和低空飞行。14、(3)无模型的对抗扰动方法15、将地面效应带来的扰动视作未知扰动,并尝试使用扰动观测器来观测并补偿,理论上具有一定可行性。然而,在实际应用中,效果并不尽如人意。这类方法的核心思想是认为,下一个时间段的外扰动与前一个时间段观测到的扰动大致相等。这种方法对一些缓慢变化的外扰动是有效的,例如由于重心在机体坐标系的xoy平面上的移动而引起的重力矩。因为即使多旋翼无人机有一定的姿态倾斜,重力力矩的力臂也基本保持不变。然而,对于其他情况,例如重心在机体坐标系z轴上的偏移或地面效应带来的回正力矩,外部转矩与倾斜角度成正比,并且以高频率变化,这导致扰动估计存在延迟,而转矩补偿则不能完全消除振荡。16、(4)应对高速飞行时推力衰减的方法17、目前,针对无人机在地面附近高速前向飞行时推力衰减的研究,仅停留在建模层面,主要是由于机理复杂,模型尚不明确。但是可以通过无人机的桨叶半径和离地高度,计算出一个气流诱导速度(《x.kan,j.thomas,h.teng,h.g.tanner,v.kumar,and k.karydis,“analysis of ground effect for small-scale uavs in forward flight,”ieeerobotics and automation letters,vol.4,no.4,pp.3860-3867,2019.》)。在低于该气流诱导速度时,推力不会发生明显衰减。将飞行速度控制在该速度下即可避免该扰动18、(5)应对阻力系数变化的方法19、对于旋翼无人机在高空飞行时的阻力形成机理和补偿方法,已经有较多研究。但是尚无针对无人机近地面飞行时阻力系数变化的建模的相关研究。技术实现思路1、本技术实施例的目的是提供一种旋翼无人机近地飞行的控制方法,以解决相关技术中存在的上述问题。2、根据本技术实施例的第一方面,提供一种旋翼无人机近地飞行的控制方法,包括:3、s1:对旋翼无人机进行包含地面效应的动力学建模,得到无人机动力学模型、电机模型、地面效应下的额外推力模型、地面效应回正扭矩模型、地面效应前进阻力模型,并通过使用等效模型法将地面效应回正扭矩等效为下挂质点模型,结合所述地面效应扭矩模型得到无人机水平回正力矩的等效模型;4、s2:获取步骤s1建立的模型中的参数的标定值;5、s3:基于所述无人机动力学模型的微分平坦特性,根据给定的无人机参考轨迹信息和偏航角信息,生成前馈参考控制指令;6、s4:结合前馈参考控制指令、无人机实际飞行状态和参数的标定值,生成最终控制指令。7、进一步地,步骤s1中,所述无人机动力学模型如下:8、ma=-gzw+tzb+fg+fd9、10、其中m是机体质量,j是机体转动惯量,g是重力加速度,t和τb是旋翼产生的推力和力矩,fg是地面效应产生的额外推力,fd是前进阻力,τg是地面效应回正力矩,τext是其它的未知力矩,zw=[0,0,1]是世界坐标系z轴的指向,zb是无人机机体坐标系z轴在世界坐标系的指向;11、所述电机模型为单个电机产生的推力和扭矩:12、ti=ktni213、14、其中kt、ki分别为额外推力系数、反扭矩系数,jr为转子转动惯量;15、地面效应影响下的额外推力模型中,电机总推力和地面效应产生的额外推力分别为:16、17、fg=fg(h)tzb18、其中kt为推力系数,ni为各电机转速,fg(h)为与离地高度h有关的函数,num为旋翼数量;19、地面效应产生的回正扭矩模型为:20、rτg=mg(h)t(zb×zw)21、其中mg(h)是与离地高度有关的函数;22、地面效应前进阻力模型中,无人机前进阻力为:23、fd(r,v,h)=-rd(h)rtv24、其中d(h)为与离地高度有关的函数;25、无人机水平回正力矩的等效模型中,无人机的等效转动惯量为:26、27、进一步地,步骤s3包括:28、基于上述的无人机动力学模型、地面效应影响下的额外推力模型和地面效应前进阻力模型,得到质量归一化后的无人机动力学模型,结合给定的无人机参考轨迹信息生成参考推力和参考姿态;29、对所述质量归一化后的无人机动力学模型中的加速度求一阶导,生成参考角速度;30、对所述质量归一化后的无人机动力学模型中的加速度求二阶导,得到参考角加速度,进而生成参考力矩。31、进一步地,基于参考角速度和参考角加速度生成参考力矩:32、33、其中ωref为参考角速度,为参考角加速度,j′(h)为由水平回正力矩的等效模型得到的无人机等效转动惯量。34、进一步地,步骤s4包括:35、根据无人机为抵消前进阻力、额外升力所需要的加速度以及参考加速度,得到期望加速度;36、根据无人机的期望姿态和期望加速度之间存在的一一映射关系,由所述期望加速度确定期望姿态,进而由姿态误差得到期望角速度和期望角加速度;37、根据期望加速度计算期望推力,基于所述期望角速度和期望角加速度计算,结合水平回正力矩的等效模型得到无人机的期望扭矩;38、根据期望推力和期望扭矩计算期望转速,进而结合参考油门曲线得到电机的期望油门。39、进一步地,在不考虑额外扭矩的情况下,无人机的期望扭矩为:40、41、考虑额外扭矩的情况下,无人机的期望扭矩为:42、43、其中j′(h)为由水平回正力矩的等效模型得到的无人机等效转动惯量,ωdes为期望角速度,为期望角加速度。44、进一步地,所述参考油门曲线nesc为:45、nesc(tc)=c2tc2+c1tc+c046、其中tc∈[0,1]为电机的油门,{c2,c1,c0}是常数,在步骤s2中标定得到。47、根据本技术实施例的第二方面,提供一种旋翼无人机近地飞行的控制装置,包括:48、建模模块,用于对旋翼无人机进行包含地面效应的动力学建模,得到无人机动力学模型、电机模型、地面效应下的额外推力模型、地面效应回正扭矩模型、地面效应前进阻力模型,并通过使用等效模型法将地面效应回正扭矩等效为下挂质点模型,结合所述地面效应扭矩模型得到无人机水平回正力矩的等效模型;49、标定模块,用于获取建模模块建立的模型中的参数的标定值;50、前馈参考控制指令生成模块,用于基于所述无人机动力学模型的微分平坦特性,根据给定的无人机参考轨迹信息和偏航角信息,生成前馈参考控制指令;51、最终控制指令生成模块,用于结合前馈参考控制指令、无人机实际飞行状态和参数的标定值,生成最终控制指令。52、根据本技术实施例的第三方面,提供一种电子设备,包括:53、一个或多个处理器;54、存储器,用于存储一个或多个程序;55、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行,使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。56、根据本技术实施例的第四方面,提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机指令,该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。57、本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果:58、(1)将多旋翼无人机近地面飞行时地面效应带来的回正力矩和阻力进行精确建模,并形成一套模型参数辨识的方法;59、(2)将受地面效应影响的无人机动力学模型通过简化、等效等方式,使得其可以满足微分平坦关系,从而可以生成准确的控制前馈指令;60、(3)通过设计控制策略,使得多旋翼无人机在近地面时可以克服地面效应带来的负面影响,进行稳定悬停和跟踪飞行的轨迹。61、应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本技术。当前第1页12当前第1页12
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