[发明专利]一种采用三段柔化切换实现无人机的高度全自动飞行的方法

权利要求书

1.一种采用三段柔化切换实现无人机高度全自动飞行的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10，在四旋翼无人机上安装KY-IMU102N-B0惯性测量单元，测量其俯仰角、偏航角、滚转角的角速度信号，并且测量三个轴向的加速度；

步骤S20，根据所述测量所得的俯仰、偏航与滚转角速率信号，分别进行积分，得到俯仰角、偏航角与滚转角信号；

步骤S30，根据所述的俯仰角信号与俯仰角指令信号进行对比，得到俯仰角误差信号，然后对俯仰角误差信号进行非线性积分，得到俯仰角误差非线性积分信号，最后与俯仰角速率信号进行组合，得到四旋翼无人机俯仰力矩控制信号，实现俯仰通道的稳定控制；

步骤S40，根据所述的偏航角信号与偏航角指令信号进行对比，得到偏航角误差信号，然后对偏航角误差信号进行非线性积分，得到偏航角误差非线性积分信号，最后与偏航角速率信号进行组合，得到四旋翼无人机偏航力矩控制信号，实现偏航通道的稳定控制；

步骤S50，根据所述的滚转角信号与滚转角指令信号进行对比，得到滚转角误差信号，然后对滚转角误差信号进行非线性积分，得到滚转角误差非线性积分信号，最后与滚转角速率信号进行组合，得到四旋翼无人机滚转力矩控制信号，实现滚转通道的稳定控制；

步骤S60，根据所述测量所得的三个轴向加速度信号，进行两次积分，分别得到前向、侧向与垂向的速度与位置信号；

步骤S70，根据四旋翼无人机的高度飞行任务，进行典型任务分解，将其分解为多个典型的爬高或降高过程，得到高度任务特征点装定矩阵；然后根据高度任务特征点装定矩阵生成其为期望高度信号；

步骤S80，根据所述的无人机垂向位置信号，与期望高度信号进行比较，得到高度误差信号，然后根据高度误差信号的大小进行判断，将无人机高度调整的过程分为早期大范围调整、中期小范围调整与末端微调整三个阶段；

步骤S90，在无人机进入所述的早期大范围调整阶段时，根据所述的高度误差信号进行非线性变换，并叠加无人机重力补偿信号，设计早期大范围调整阶段的无人机升力控制器如下：

L₁₂＝mg；

L₁＝L₁₁+L₁₂；

其中L₁₁为早期大范围调整阶段的高度误差非线性信号，k_l1与ε_l1为常值参数信号；L₁₂为四旋翼无人机的重力补偿信号，m为无人机的重量，g为重力加速度；L₁为早期大范围调整阶段的期望升力信号；

步骤S100，在无人机进入所述的中期小范围调整阶段时，根据所述的高度误差信号进行非线性变换，并叠加无人机重力补偿信号与垂向速度反馈阻尼信号，设计中期小范围调整阶段的无人机升力控制器如下：

L₂₂＝mg；

L₂₃＝k_l2av_y；

L₂＝L₂₁+L₂₂+L₂₃+k_l24e_y；

其中L₂₁为早期大范围调整阶段的高度误差非线性信号，k_l2、ε_l2、k_l2a与k_l24为常值参数信号；L₂₂为四旋翼无人机的重力补偿信号，m为无人机的重量，g为重力加速度；L₂₃为垂向速度信号反馈阻尼信号，L₂为早期小范围调整阶段的期望升力信号；

步骤S110，在无人机进入所述的末端微调整阶段时，根据所述的高度误差信号进行非线性变换，并叠加无人机重力补偿信号与垂向速度信号以及高度误差积分信号，设计末端微调整阶段的无人机升力控制器；

L₃₂＝mg；

L₃₃＝k_l3av_y；

L₃₄＝k_l3b∫e_ydt；

L₃＝L₃₁+L₃₂+L₃₃+L₃₄+k_l35e_y；

其中L₃₁为早期大范围调整阶段的高度误差非线性信号，k_l2、ε_l3、k_l3a、k_l3b与k_l35为常值参数信号；L₃₂为四旋翼无人机的重力补偿信号，m为无人机的重量，g为重力加速度；L₃₃为垂向速度信号反馈阻尼信号，L₃₄为高度误差积分信号，dt表示对时间信号的积分，L₃为末端微调整阶段阶段的期望升力信号；

步骤S112，根据所述的升力期望信号、俯仰力矩信号、偏航力矩信号与滚转力矩信号，通过反解求逆运算计算出四旋翼直升飞机的四个旋翼的期望旋转角速度，然后由相应的电机驱动旋翼，即可实现四旋翼直升飞机的高度航路规划与复杂的飞行控制。