一种敏捷构型的智能飞行汽车

本技术涉及飞行汽车，尤其是涉及一种敏捷构型的智能飞行汽车。

背景技术：

1、在飞行汽车处于空中飞行的过程中，无法直接改变偏航角(yaw)，通常通过改变滚转角(roll)以及俯仰角(pitch)以改变飞行汽车的偏航角，这种方式在到达期望位置时可能会出现掉高现象，无法实现平飞转弯行为。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种敏捷构型的智能飞行汽车，以解决上述技术问题。

2、本技术实施例提供一种敏捷构型的智能飞行汽车，包括：摆线转子飞行器和控制芯片；所述摆线转子飞行器中设置舵机；用于通过改变飞行汽车的偏航角实现空中的平飞转弯行为；所述控制芯片中设置模态切换模块和空中模态控制模块；

3、所述模态切换模块，用于响应于模态切换指令，利用状态机将飞行汽车模态切换为空中模态，并启动空中模态控制模块；

4、所述空中模态控制模块，用于根据预先设置的飞行路径的起始点和目标点，判断飞行汽车的行为为上升、下降或平飞转弯，基于当前时刻的飞行汽车状态参数，利用空中状态方程解算得到当前时刻到下一时刻的最优总升力及三个方向的最优转矩，基于当前时刻到下一时刻的最优总升力及三个方向的最优转矩，利用空中飞行的动力学模型计算得到摆线转子飞行器的当前时刻到下一时刻的四个转子的升力，将四个转子的升力发送至摆线转子飞行器。

5、进一步地，当飞行汽车的行为为平飞转弯；

6、基于上一时刻的飞行汽车状态参数，利用空中状态方程解算得到当前时刻到下一时刻的最优总升力及三个方向的最优转矩，包括：

7、当飞行汽车的行为为平飞转弯，飞行汽车空中状态方程为：

8、

9、其中，a、b和c均为矩阵；xk为当前时刻tk的飞行汽车状态参数：xk＝[pk,x；pk,y；pk,z；vk,x；vk,y；vk,z；wk,x；wk,y；wk,z；qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t其中，(pk,x；pk,y；pk,z)为当前时刻tk的飞行汽车位置的三个分量，(vk,x；vk,y；vk,z)为当前时刻tk的飞行汽车速度的三个分量，wk,x、wk,y和wk,z分别为当前时刻tk的飞行汽车的滚动角角速度、俯仰角角速度和偏航角角速度；[qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t为当前时刻tk的飞行汽车的四元组；

10、xk+1为预测的下一时刻tk+1的飞行汽车状态参数；

11、uk→k+1为当前时刻tk到下一时刻tk+1的控制输入：

12、uk→k+1＝[thrust；mx；my；mz]t

13、其中，thrust为当前时刻到下一时刻的总升力，mx，my和mz分别为当前时刻到下一时刻的飞行汽车三个方向的力矩；

14、yk+1为下一时刻tk+1的输出：

15、yk+1＝[pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z；yawk+1]t

16、其中，(pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z)为下一时刻tk+1的飞行汽车的位置的三个分量，yawk+1为下一时刻tk+1的飞行汽车的偏航角；

17、

18、其中，p为飞行汽车的位置向量，为p的一阶微分，v为飞行汽车的速度向量，为v的一阶微分，w为飞行汽车的角速度分量，为w的一阶微分，q为飞行汽车的四元组，为q的一阶微分；为飞行汽车状态参数的微分；

19、的计算方程组如下：

20、

21、其中，c为升力向量：c＝[0；0；thrust]t，g为重力向量：g＝[0；0；9.8]t，m为力矩向量：m＝[mx；my；mz]t，j为转动惯量向量：j＝[jxx；jyy；jzz]t，jxx、jyy和jzz为飞行汽车的三个方向的转动惯量；t表示转置；

22、定义损失函数minj为：

23、minj＝(yk+1-yref)t·q·(yk+1-yref)+uk→k+1t·r·uk→k+1

24、其中，yref为下一时刻tk+1的输出的期望值：

25、yref＝[pref,x；pref,y；pref,z；yawref]t

26、(pref,x；pref,y；pref,z)为下一时刻tk+1飞行汽车三个方向的期望位置，yawref为下一时刻tk+1飞行汽车的期望偏航角，q和r均为权重矩阵；

27、利用的计算方程组和损失函数，解算得到uk→k+1的最优向量，即当前时刻到下一时刻的最优总升力及三个方向的最优转矩。

28、进一步地，当飞行汽车的行为为上升或下降；

29、当飞行汽车的行为为平飞转弯，飞行汽车空中状态方程为：

30、

31、其中，a、b和c均为矩阵；xk为当前时刻tk的飞行汽车状态参数：xk＝[pk,x；pk,y；pk,z；vk,x；vk,y；vk,z；wk,x；wk,y；wk,z；qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t其中，(pk,x；pk,y；pk,z)为当前时刻tk的飞行汽车位置的三个分量，(vk,x；vk,y；vk,z)为当前时刻tk的飞行汽车速度的三个分量，wk,x、wk,y和wk,z分别为当前时刻tk的飞行汽车的滚动角角速度、俯仰角角速度和偏航角角速度；[qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t为当前时刻tk的飞行汽车的四元组；

32、xk+1为预测的下一时刻tk+1的飞行汽车状态参数；

33、uk→k+1为当前时刻tk到下一时刻tk+1的控制输入：

34、uk→k+1＝pthrust；mx；my；mz]t

35、其中，thrust为当前时刻到下一时刻的总升力，mx，my和mz分别为当前时刻到下一时刻的飞行汽车三个方向的力矩；

36、yk+1为下一时刻tk+1的输出：

37、yk+1＝[pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z；yawk+1]t

38、其中，(pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z)为下一时刻tk+1的飞行汽车的位置的三个分量，yawk+1为下一时刻tk+1的飞行汽车的偏航角；

39、

40、其中，p为飞行汽车的位置向量，为p的一阶微分，v为飞行汽车的速度向量，为v的一阶微分，w为飞行汽车的角速度分量，为w的一阶微分，q为飞行汽车的四元组，为q的一阶微分；为飞行汽车状态参数的微分；

41、的计算方程组如下：

42、

43、其中，c为升力向量：c＝[0；0；thrust]t，g为重力向量：g＝[0；0；9.8]t，m为力矩向量：m＝[mx；my；mz]t，j为转动惯量向量：j＝[jxx；jyy；jzz]t，jxx、jyy和jzz为飞行汽车的三个方向的转动惯量；t表示转置；

44、定义损失函数minj为：

45、minj＝(yk+1-yref)t·q·(yk+1-yref)+uk→k+1t·r·uk→k+1

46、其中，yref为下一时刻tk+1的输出的期望值：

47、yref＝[pref,x；pref,y；pref,z；yawref]t

48、(pref,x；pref,y；pref,z)为下一时刻tk+1飞行汽车三个方向的期望位置，yawref为下一时刻tk+1飞行汽车的期望偏航角，q和r均为权重矩阵；

49、利用的计算方程组和损失函数，解算得到uk→k+1的最优向量，即当前时刻到下一时刻的最优总升力及三个方向的最优转矩。

50、进一步地，所述空中飞行的动力学模型为：

51、

52、其中，f1，f2，f3和f4表示四个转子的升力，m1，m2，m3和m4表示四个转子的转矩，l1，l2，l3，l4表示四个转子质心到飞行汽车质心的距离，θ为舵机偏角，m为飞行汽车质量，为当前时刻到下一时刻的最优总升力，和为当前时刻到下一时刻的三个方向的最优转矩。

53、进一步地，所述控制芯片还包括：地面模态控制模块，所述模态切换模块还用于：响应于模态切换指令，利用状态机将飞行汽车切换为地面模态，并启动地面模态控制模块；

54、所述地面模态控制模块，用于根据起始点和目标点的相对位置，判断飞行汽车的行为为运动或静止，基于当前时刻的运动状态参数，利用第一p id控制器和第二pid控制器计算下一时刻的位置环的输出量以及姿态环的输出量，由此得到下一时刻的速度和转向角的二阶微分；基于下一时刻的速度和转向角的二阶微分，利用地面运动的动力学模型计算得到摆线转子飞行器的四个转子的下一时刻的速度，将四个转子的下一时刻的速度发送至摆线转子飞行器。

55、进一步地，基于当前时刻的状态参数，利用第一p id控制器和第二p id控制器计算下一时刻的位置环的输出量以及姿态环的输出量，由此得到下一时刻的速度和转向角的二阶微分；包括：

56、第一pid控制器的微分方程为：

57、

58、其中，k1p、k1i和k1d分别表示第一pid控制器的比例系数，积分系数和微分系数；ex、ey和ez为飞行汽车的位置偏差的三个分量：

59、[ex,ey,ez]t＝[px-px_ref,py-py_ref,pz-pz_ref]t

60、[px；py；pz]t为当前时刻飞行汽车的位置的三个分量；

61、[px_ref,py_ref,pz_ref]t为飞行汽车的目标位置的三个分量；

62、[δx,δy,δz]t为位置环的输出量；δx为x方向的位置一阶微分；δy为y方向的位置一阶微分；δz为z方向的位置一阶微分；

63、第二pid控制器的微分方程为：

64、

65、其中，k2p、k2i和k2d分别表示第二pid控制器的比例系数，积分系数和微分系数；为飞行汽车转向角偏差：

66、yaw为当前时刻飞行汽车的转向角，yawref飞行汽车的目标转向角；

67、为下一时刻的姿态环的输出量；为飞行汽车转向角的一阶微分；

68、根据下一时刻的位置环的输出量，计算左轮的速度vl以及右轮的速度vr，得到下一时刻的速度

69、根据下一时刻的姿态环的输出量，得到下一时刻的转向角的二阶微分

70、进一步地，所述地面运动的动力学模型为：

71、

72、其中，v1，v2，v3，v4表示四个转子的速度，r为转子半径，ll和lr为左轮半径和右轮半径。

73、进一步地，所述控制芯片还包括：水面模态控制模块，所述模态切换模块还用于：响应于模态切换指令，利用状态机将飞行汽车切换为水面模态，并启动水面模态控制模块；

74、所述水面模态控制模块，用于根据起始点和目标点的相对位置，判断飞行汽车的行为为运动或静止，基于当前时刻的状态参数，利用第三pid控制器和第四pid控制器计算下一时刻的位置环的输出量以及姿态环的输出量，由此得到当前时刻到下一时刻的最优总升力和z方向的最优转矩；基于当前时刻到下一时刻的最优总升力和z方向的最优转矩，利用水面运动的动力学模型计算得到摆线转子飞行器的当前时刻到下一时刻的四个转子的升力；将四个转子的升力发送至摆线转子飞行器。

75、进一步地，基于当前时刻的状态参数，利用第三p id控制器和第四p id控制器计算下一时刻的位置环以及姿态环，由此得到当前时刻到下一时刻的最优总升力和z方向的最优转矩；包括：

76、第三pid控制器的微分方程为：

77、

78、其中，k3p、k3i和k3d分别表示第三pid控制器的比例系数，积分系数和微分系数；ex、ey和ez为飞行汽车的位置偏差的三个分量：

79、[ex,ey,ez]t＝[px-px_ref,py-py_ref,pz-pz_ref]t

80、[px；py；pz]t为当前时刻飞行汽车的位置的三个分量；

81、[px_ref,py_ref,pz_ref]t为飞行汽车的目标位置的三个分量；

82、[δx,δy,δz]t为下一时刻的位置环的输出量；[δx,δy,δz]t为位置环的输出量；δx为x方向的位置一阶微分；δy为y方向的位置一阶微分；δz为z方向的位置一阶微分；

83、第四pid控制器的微分方程为：

84、

85、其中，k4p、k4i和k4d分别表示第四pid控制器的比例系数，积分系数和微分系数；eφ,eθ和为飞行汽车的滚动角偏差、俯仰角偏差和转向角偏差：

86、

87、roll为当前时刻飞行汽车的滚动角，rollref为飞行汽车的目标滚动角；pitch为当前时刻飞行汽车的俯仰角，pitchref为飞行汽车的目标俯仰角；yaw为当前时刻飞行汽车的转向角，yawref为飞行汽车的目标转向角；

88、为下一时刻的姿态环的输出量；δφ为滚动角的一阶微分；δθ为俯仰角的一阶微分；为偏向角的一阶微分；

89、根据位置环的输出量得到当前时刻到下一时刻的最优总升力根据姿态环的输出量得到当前时刻到下一时刻的z方向的最优转矩

90、进一步地，所述水面运动的动力学模型为：

91、

92、其中，f1，f2，f3和f4表示四个转子的升力，m1，m2，m3和m4表示四个转子的转矩，l1，l2，l3，l4表示四个转子质心到飞行汽车质心的距离，θ表示舵机偏角。

93、本技术能够通过改变飞行汽车的偏航角实现平飞转弯行为，在到达期望位置时不会出现掉高现象。