[发明专利]一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器及其控制方法

权利要求书

1.一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器的控制方法，其特征在于：该方法基于一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器，所述飞行器包括机身(5)、机臂(2)、控制器(7)、起落架(3)，所述机臂(2)呈十字形对称分布在所述机身(5)上，每条机臂(2)的末端设有旋翼短舱系统，所述旋翼短舱系统包括前旋翼短舱系统(1)、后旋翼短舱系统(6)、左旋翼短舱系统(4)、右旋翼短舱系统(8)；

旋翼短舱系统由电机(16)、变速器(17)，旋翼轴(23)，舵机(14)、桨毂(9)、自动倾斜器(13)以及上拉杆(12)、下拉杆(21)等组成；所述桨毂(9)为中心铰式；所述电机(16)通过变速器(17)驱动旋翼旋转；每套旋翼短舱系统设有至少三个所述舵机(14)，每个舵机通过下拉杆(21)与自动倾斜器(13)相连，实现所述自动倾斜器(13)的三个自由度运动，包括沿旋翼轴上下运动，左右倾斜、前后倾斜，所述自动倾斜器(13)的三个自由度运动实现旋翼的三个自由度操纵运动，包括总距、纵向周期变距、横向周期变距；所有旋翼的三个自由度操纵运动和电机转速由所述控制器(7)控制，实现所有旋翼的操纵运动自由度、转速运动自由度的组合、协调；

该四旋翼无人飞行器采用空间六自由度多变量解耦控制算法，将飞行器空间六自由度输入信号变换为12个所述舵机(14)的运动指令和4个所述电机(16)的转速指令，并通过旋翼的操纵运动自由度、转速运动自由度进行组合、协调，使飞行器完全跟踪空间六自由度输入信号，实现飞行器的空间六自由度解耦控制；

其中所述空间六自由度多变量解耦控制算法的具体步骤为：

步骤1：建立全量实时非线性飞行动力学模型；

步骤2：将六自由度期望输入信号作为全量实时非线性飞行动力学模型的输入，对飞行动力学模型进行配平计算；

步骤3：通过配平计算结果获得四套旋翼操纵自由度、转速自由度的组合协调关系，从而确定单套旋翼短舱系统的三个操纵自由度和一个转速自由度；

步骤4：根据舵机(14)与自动倾斜器(13)的相对位置，建立舵机摇臂(15)与单个旋翼操纵自由度的运动关系方程以及电机转速与旋翼转速的比例关系；

步骤5：根据以上的关系方程，计算得到单个舵机的控制指令和单个电机转速；

所述建立的全量实时非线性空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器飞行动力学模型形式为：

式中，t为时间，X＝[u,v,w,p,q,r,φ,θ,ψ]^T，为飞行器状态向量，其中u，v，w为飞行器体轴系下的线速度分量，p，q，r为体轴系下的角速率分量，θ，ψ为欧拉角；

为飞行器输入矩阵，每行由三个操纵自由度和一个转速自由度组成，其中R表示旋翼，D表示运动自由度，R_iD_j表示第i个旋翼的第j个运动自由度，i,j＝1,2,3,4，D₁、D₂、D₃分别为总距自由度、纵向周期变距自由度、横向周期变距自由度，D₄为电机转速自由度；

所述配平计算方法为求解非线性方程组：

f(X₀,U₀)＝0

得到四套旋翼短舱系统的操纵自由度和转速自由度的组合协调关系，即U₀；

所述舵机摇臂(15)与单个旋翼操纵自由度的运动关系方程、电机转速与旋翼转速的比例关系方程为：

式中，S_i1，S_i2，S_i3分别表示第i个旋翼短舱系统中的三个舵机摇臂的转动角度，i＝1,2,3,4，f₁，f₂，f₃分别为总距、纵向周期变距、横向周期变距与三个舵机摇臂转动角度的机械传动关系函数；Ω_Ri为第i个旋翼短舱系统中的旋翼转速，i＝1,2,3,4，k为旋翼与电机的转速传动比；所述旋翼操纵自由度的多种飞行器操纵协调关系，包括总距同步、总距差动、横向周期变距同步、横向周期变距差动、纵向周期变距同步、纵向周期变距差动，其中：

在执行总距同步操纵时，对应舵机摇臂(15)通过下拉杆(21)使所述自动倾斜器(13)同时上下平动相同位移量，使对应旋翼有相同的总距大小，产生相同大小的拉力；

在执行总距差动操纵时，对应舵机摇臂(15)通过下拉杆(21)使所述自动倾斜器(13)上下平动不同位移量，使对应旋翼有不同的总距大小，产生不同大小的拉力；

在执行横向周期变距同步操纵时，对应舵机摇臂(15)通过下拉杆(21)使所述自动倾斜器(13)同时倾斜，使对应旋翼产生相同的横向周期变距，对应桨盘产生相同的侧倒；

在执行横向周期变距差动操纵时，对应舵机摇臂(15)通过下拉杆(21)使所述自动倾斜器(13)倾斜不同角度，使对应旋翼产生不同的横向周期变距，对应桨盘产生不同的侧倒；

在执行纵向周期变距同步操纵时，对应舵机摇臂(15)通过下拉杆(21)使所述自动倾斜器(13)同时倾斜，使对应旋翼产生相同的纵向周期变距，对应桨盘产生相同的前倒或后倒；

在执行纵向周期变距差动操纵时，对应舵机摇臂(15)通过下拉杆(21)使所述自动倾斜器(13)倾斜不同角度，使对应旋翼产生不同的纵向周期变距，对应桨盘产生不同的前倒或后倒。