[发明专利]一种基于四轴飞行器的数学模型构建方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于四轴飞行器的数学模型构建方法及装置，生成带负载的四轴飞行器数学模型，依靠这个数学模型，使用先进的自适应控制算法，设计出该模型自适应率，及在控制率下的自适应控制器，从而实现实时稳定控制四轴飞行器。本发明的一种基于四轴飞行器的数学模型构建方法，包括：获取四轴飞行器的数学模型，并将其拆分为第一运动学模型和第一动力学模型；构建四轴飞行器负载的合外力表达式；对合外力表达式按X、Y和Z轴方向分解得到合外力影响因子；将第一运动学模型、合外力影响因子和预置的第一环境干扰因子进行整合，得到第二运动学模型；构建四轴飞行器负载的转矩表达式；对转矩表达式按X、Y和Z轴方向分解得到转矩影响因子。

本申请要求专利号为201610657114.2，申请日为2016年08月11日，专利名称为“一种基于四轴飞行器的数学模型构建方法及装置”的优先权。

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其涉及一种基于四轴飞行器的数学模型构建方法及装置。

背景技术

在最近的几年时间，多旋翼飞行器无论工业使用中或者在学术研究领域，都受到了越来越多的重视，多旋翼飞行器，包括四轴飞行器、六轴飞行器以及多轴飞行器。四轴飞行器是多旋翼飞行器中结构最简单的类型，而且能在特定的区域起飞和降落，还可以承载一定的重物，所以得到该领域中大多数人的关注。四轴飞行器是无人飞行器的一种，也是智能机器人，“四轴”指四个旋翼式的飞行引擎。人们对于四轴飞行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。在无人机中常用四轴飞行器作为研究对象，四轴飞行器控制系统设计好了，更多轴的飞行器用同样的方法也会有良好的飞行效果。

通常，四轴飞行器的主要研究领域包括如何设计出稳定性好的飞行器控制系统和保持良好的飞行稳定性前提下，能准确的构建数学建模。没有精确的数学模型，再好的控制系统也不能发挥性能，四轴飞行器的数学建模包括运动学模型和动力学模型，建立运动学模型的目的是对飞行器的位置准确描述，动力学模型目的是推导出飞行器的数学表达式。四轴飞行器为六自由度的系统，而控制输入量只有四个，所以是一个欠驱动系统为了得到飞行器的运动学模型，首先建立两个坐标系，一个是机体坐标系：固定在四轴飞行器上的坐标系，一般沿机身方向为X轴，沿机翼方向为Y轴，垂直机身方向为Z轴；另外一个坐标系我们称之为惯性坐标系，相对于地球表面，取“东北天”建立该坐标系。设q＝(x，y，z，φ，θ，ψ)∈R⁶为广义坐标，设四轴飞行器相对于固定坐标系的坐标位置为ξ＝(x，y，z)∈R³，表明四轴飞行器姿态坐标设为η＝(φ，θ，ψ)∈R³，其中，当四轴飞行器旋转x轴，产生的角度称为滚转角roll，用符号φ表示；当四轴飞行器旋转y轴，产生的角度称俯仰角pitch，用符号θ表示；当四轴飞行器旋转z轴，产生的角度称为偏航角yaw，用符号ψ表示。四轴飞行器的系统输入量有4个，就是四个旋翼的电机运转产生的升力，我们就用F_i(i＝1，2，3，4)表示，系统的输入设U_i(i＝1，2，3，4)。

最后，一般研究的四轴飞行器数学模型可以用以下方程表示出来：

其中：

c_φ＝cosφ，s_φ＝sinφ，类似符号同样的写法。g是重力系数，J_x，J_y，J_z，是作用在四轴飞行器重心得转动惯量，l是电机到重心的距离。

U₁＝F₁+F₂+F₃+F₄

U₂＝F₃-F₁