[发明专利]基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法

权利要求书

1.一种基于PWM波占空比的多旋翼飞行器导航方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、通过旋翼台架试验，测试PWM波占空比和旋翼转速、升力、力矩数据，通过数据处理，得到PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系；

S2、根据步骤1中PWM波占空比与旋翼转速、升力、力矩的关系，建立多旋翼飞行器动力学方程；

S3、根据实际PWM波占空比，解算动力学方程，得到导航信息；

步骤S1中，具体的，单个旋翼产生的升力、力矩分别表示为：

F_i＝f(ω_i) (1)

M_i＝h(ω_i) (2)

式中，ω_i表示第i个旋翼的PWM波占空比，F_i表示第i个旋翼产生的升力，M_i表示第i个旋翼产生的力矩；

旋翼转速Ω表示为

Ω_i＝k(ω_i) (3)；

步骤S2中，建立多旋翼飞行器动力学方程的具体步骤如下：

S21设定，a、四旋翼飞行器为刚体，机体严格对称；b、质量和重力加速度为常值；c、地面坐标系为惯性坐标系；d、忽略地球曲率的影响；e、忽略空气阻力；

S22、四旋翼飞行器在空间的运动需要六个自由度才能完全描述，包括飞行器质心沿着地面惯性坐标系的三个坐标轴的平动位移，即线运动，以及飞行器绕机体坐标系的三个坐标轴的转动运动，即角运动；

S221、线运动方程：

在地面惯性坐标系中，四旋翼飞行器在合外力作用下的线运动方程为：

其中，m为飞行器质量，g为重力加速度；位置坐标为x、y和z；姿态角θ、φ、ψ分别为俯仰角、滚转角和偏航角；

四个旋翼产生的总升力T为：

T＝F₁+F₂+F₃+F₄ (5)；

S222、角运动方程：

在地面惯性坐标系中，四旋翼飞行器的角运动方程为：

式中，p、q和r分别表示机体坐标系下的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度；I_x、I_y和I_z分别为绕机体x,y,z三轴的转动惯量；M_x、M_y和M_z表示机体坐标系下力矩分量，作用在旋翼飞行器上的力矩的计算公式如下：

其中，l表示旋翼中心到飞行器质心的距离，I_r表示旋翼的转动惯量；旋翼飞行器力矩由气动力矩和陀螺力矩两部分组成，分别对应式(8)右侧两项；

步骤S3中，在多旋翼飞行器飞行过程中，测量旋翼PWM波占空比ω₁至ω₄，通过式(1)、(2)和(3)分别求解每个旋翼升力F_i、力矩M_i和转速Ω_i，代入方程(6)至(8)求解姿态角速率p、q和r，以及姿态角θ、φ、ψ；将升力和姿态角代入式(4)求解位置x、y、z和速度最终得到全部导航信息。