[发明专利]一种无人机特技飞行控制系统及方法

权利要求书

1.一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定敏捷性无人机的三个方向的惯性矩；

步骤2、根据无人机当前位置和期望轨迹，确定无人机新的期望位置；

步骤3、将新的期望位置和当前位置对应的地面坐标系的姿态误差，转换成无人机坐标系的姿态误差；

步骤4、将无人机坐标系的姿态误差分解为倾斜误差和滚转误差，并结合四元数得到期望姿态；

步骤4中所述期望姿态的表达式如下：

其中，q_des为期望姿态，q_ref为当前姿态，q_z为倾斜误差，q_y为滚转误差；

步骤5、基于四元数来跟踪机体的位置，根据当前姿态和期望姿态确定姿态角误差，PD控制率根据姿态角误差确定无人机的加速度，并根据加速度和无人机惯性矩得到姿态变换所需要的力矩，进而得到无人机舵机输出；

根据无人机的当前姿态和步骤4得到的期望姿态计算偏航角、滚转角和俯仰角的姿态角误差；将加速度乘以步骤1中惯性矩得到姿态变换所需要的力矩，进而确定方向舵、升降舵和副翼的舵机输出；

所述姿态角误差的数学表达式为：

Δq＝q_des-q_ref

期望力矩包括滚转力矩L、俯仰力矩M和偏航力矩N；

其中，I_x、I_y分别为x方向和y方向的惯性矩；

所述方向舵δ_a、升降舵δ_e和副翼舵机δ_r的表达式如下：

2.根据权利要求1所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤1中所述三个方向的惯性矩分别为X方向、Y方向和Z方向的惯性矩，表达式如下：

其中，I_x、I_y、I_z为三个方向的惯性矩，m_i为飞机第i个零件的质量，x_i、y_i、z_i为第i个零件的质心。

3.根据权利要求1所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤2中所述新的期望位置的表达式如下：

其中，p_ref为期望位置，p为当前位置，p₀为上一点的位置，为当前位置p的x,y方向构成的二维矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤3中采用转换矩阵将地面坐标系的姿态误差转换成机体坐标系的姿态误差，转化矩阵根据姿态角的四元数q0,q1,q2,q3确定。

5.根据权利要求4所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，步骤3中姿态误差包括倾斜误差和滚转误差，倾斜误差由无人机的Z方向位置误差确定，滚转误差由无人机的Y方向位置误差确定；

所述倾斜误差θ_y和滚转误差θ_z的表达式如下：

θ_z＝K_PΔy_p+K_dΔy_d

θ_y＝K_pΔz_p+K_dΔz_d

其中，Δy_p、Δz_p为y、z方向上的当前位置误差，Δy_d、Δz_d为y、z方向上的期望位置误差，K_p，K_d为常数。

6.根据权利要求4所述的一种无人机特技飞行控制方法，其特征在于，所述无人机坐标系的姿态误差的表达式如下：

7.一种无人机特技飞行控制方法的控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的方法。