[发明专利]主动变形四旋翼飞行器自抗扰飞行控制方法

说明书

本发明公开了主动变形四旋翼飞行器自抗扰飞行控制方法，包括：S1、根据主动变形四旋翼飞行器的两种变形方式，对主动变形四旋翼飞行器进行结构设计；S2、根据步骤S1中所设计的主动变形四旋翼飞行器结构，推导动态变形时机体重心位置、惯性张量参数的变化；S3、根据步骤S1、S2推导出主动变形四旋翼飞行器的动力学模型和控制分配形式；S4、根据步骤S3中所建立的主动变形四旋翼飞行器的动力学模型，设计位姿自抗扰飞行控制器。本发明提出的基于自抗扰控制技术的四旋翼飞行器通过飞行中的主动变形，可克服常规四旋翼飞行器难以适应不同任务环境的缺点，具有良好的稳定性和抗扰性，提升了多旋翼飞行器的环境适应能力。

技术领域

本发明涉及航空飞行器与机器人及其控制技术，特别是涉及主动变形四旋翼飞行器自抗扰飞行控制方法。

背景技术

多旋翼飞行器机动性强并且具有悬停能力，除了可以执行航拍、环境监测等正常任务，还可用于地下管道、自然洞穴以及工业容器探测中。常规多旋翼飞行器具有的共同特点是几何外形较为固定，一旦设计定型，在飞行过程中就无法改变自身形态。因此在设计之初就存在一个问题，即缺乏自然界飞行生物中很常见的适应不同飞行状态与任务的变形能力，例如，鸽子可以通过改变翅膀形态来越过不同尺寸间隙：它们向上弯折翅膀来越过相对较大的垂直缺口，向身体内侧收紧翅膀来穿过比较狭窄的缝隙。这种变形能力在执行营救任务或在复杂结构中进行检查等场景下非常有用，避免了在设计过程中通过减少飞行续航时间以及运载能力从而使多旋翼飞行器微型化来穿过狭窄缝隙。该能力的缺失导致常规多旋翼飞行器的环境适应性和通过性较差，很难通过一些受限空间。

主动变形四旋翼是一种在飞行过程中能够主动改变自身形态的飞行器。主动变形四旋翼飞行器的基本思想是在飞行作业过程中通过主动改变机臂长度、角度等，使飞行器形状结构发生改变，进而得到更好的环境适应性。

现有技术中，通过在机体中心固连反向共轴双旋翼组件，可通过调整各旋翼动力输出以及旋翼工作倾角，使得飞行器可以保持机体水平的同时实现前飞。但该异性倾转多旋翼飞行器无法真正实现自身形状结构的改变，环境适应性有限，并且其没有给出控制方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种主动变形四旋翼飞行器自抗扰飞行控制方法，以实现动态变形时位置和姿态的良好控制，提高抵抗外部扰动的能力。

技术方案：本发明的主动变形四旋翼飞行器自抗扰飞行控制方法，包括以下步骤：

S1、根据主动变形四旋翼飞行器的两种变形方式，对主动变形四旋翼飞行器进行结构设计；

S2、根据步骤S1中所设计的主动变形四旋翼飞行器结构，推导动态变形时机体重心位置、惯量矩阵参数的变化；

S3、根据步骤S1、S2推导出主动变形四旋翼飞行器的动力学模型和控制分配形式；

S4、根据步骤S3中所建立的主动变形四旋翼飞行器的动力学模型，设计位姿自抗扰飞行控制器。

进一步的，步骤S1中两种变形方式为：

(a)机臂伸缩，即通过伸缩舵机使机臂进行伸缩变形，以改变机臂长度；

(b)机臂折叠，通过旋转舵机使机臂绕机体系z_B轴进行折叠变形，即改变δ_i，其中，δ_i表示第i个机臂绕机体系z_B轴旋转的角度，i＝1...4；其四个机臂可以单独或组合进行变形。

进一步的，步骤S2具体为：

主动变形四旋翼飞行器机体重心与机体系坐标原点的偏移量r_CoG∈R³表示如下：