[发明专利]一种无人机特技飞行控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种无人机特技飞行控制系统及方法，通过惯性矩计算姿态控制角，外回路使用非线性跟踪指导控制来确定加速度指令，内环通过PI控制率来跟踪加速度指令，能够让固定翼无人机实现敏捷飞行、特技飞行等高难度飞行动作。本发明步骤为首先计算无人机的惯性矩；在导航系统中得到新的基于地面坐标系期望位置，然后在位置控制系统中利用PD控制率获取基于机体坐标系的期望姿态，进行倾斜滚转分解后，得到的姿态角误差在姿态控制环节中结合无人机的惯性矩计算无人机作动器舵机的输出。本发明在采取缩放积分的基础上利用无人机的惯性矩对姿态控制角进行计算，对于滚转角的控制响应更为快捷，而且可以根据飞机的气动外形，更好地提高飞行控制性能。

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，特别涉及一种无人机特技飞行控制系统及方法。

背景技术

无人机是一种智能无人驾驶飞行器。近年来，随着无人机技术的发展，无人机被广泛运用于各个领域中，特别在军事领域中的应用比较大。比如空中攻击，特种飞行等任务中，此外，在民用领域中也有较大的应用，例如电力巡检、防灾救援、管道巡逻、环境监测等领域。其中，固定翼无人机由于飞行速度快，续航时间长，航程远等难以取代的优点，被广泛应用于各个领域的工作中。

无人机的控制系统是无人机的中枢系统，其在控制无人机姿态，协调无人机各子系统有着关键作用，通过发展无人机的控制技术来提高无人机的飞行性能是十分重要的。飞行控制系统必须调整飞机的控制输入，这是一个具有挑战性的控制问题，因为系统是欠驱动的，并且执行器的效用随着飞机的速度而变化。导致无人机的控制精准度降低，控制响应迟滞。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无人机特技飞行控制系统及方法，通过惯性矩计算姿态控制角的飞行控制方案，能够让无人机实现敏捷飞行、特技飞行等高难度飞行动作。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种无人机特技飞行控制方法，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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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。