[发明专利]基于对偶四元数的倾转旋翼多旋翼无人机跟踪控制方法

说明书

本发明公开了基于单位对偶四元数的多旋翼无人机一体化跟踪控制方法，应用于无人机控制技术领域技术领域，包括以下步骤：建立倾转旋翼多旋翼无人机一体化动力学模型；用单位对偶四元数表示，得到基于单位对偶四元数的倾转旋翼多旋翼无人机一体化动力学模型；建立基于单位对偶四元数的倾转旋翼多旋翼无人机一体化跟踪控制器；对倾转旋翼多旋翼无人机的执行机构进行控制。本发明能够耦合平移和旋转运动的运动学和动力学分析；可实现轨迹和姿态的实时跟踪，兼顾倾转多旋翼无人机的特性，消除时变扰动、不确定性、未建模力等引起的跟踪误差，使倾转旋翼多旋翼无人机系统始终稳定。

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，尤其基于单位对偶四元数的多旋翼无人机一体化跟踪控制方法。

背景技术

在过去的几十年里，无人驾驶飞行器(UAV)由于其优越的适应性、生存能力和相对较低的成本而迅速发展并得到越来越广泛的应用。在各类无人机中，倾转旋翼多旋翼无人机是一种特殊的旋翼无人机。它们有六个可控自由度(DoF)，表明这类无人机是全向力的，这意味着系统的平移和旋转动力学是解耦的，它们在任何悬停方向都是完全驱动的系统。倾转旋翼多旋翼无人机的这些特殊特性允许与环境稳定交互，颠覆了传统固定翼和固定旋翼无人机驱动不足的缺陷，并为未来的空中机器人应用提供了令人信服的解决方案。

倾转旋翼多旋翼无人机的力全向性特性赋予其姿态全向性能力，使系统能够实现无限制的空中运动和六自由度轨迹的鲁棒跟踪。倾转旋翼多旋翼无人机的这些优势为航空摄影、工业检测、交互式应用以及在密闭空间环境中的运动和操作提供了独特的优势。

在目前研究的倾转旋翼多旋翼无人机控制器的运动描述中，欧拉角法因其直观性而被优先考虑和普遍使用。然而，大多数倾转旋翼多旋翼无人机控制器使用的欧拉角方法，这使得平台模型失去了数学上的简单性。另外，使用欧拉角表示会引入不连续性，使得倾转旋翼多旋翼无人机的分析和控制律设计繁琐。用于对倾斜旋翼多旋翼无人机的位置和姿态跟踪进行建模的计算更简单、更稳定的数学工具是单位对偶四元数。

单位对偶四元数是单位四元数和使用Plück坐标的平移向量的组合。与只关注姿态的单位四元数不同，单位对偶四元数不仅表示姿态的变化，还表示刚体的位置运动——仅仅使用八个数字(两个约束)。单位对偶四元数以其紧凑、无歧义、无奇异性和计算极简刚体变换等优点在过去十年中被广泛应用于各个领域。在单位对偶四元数的众多应用领域中，无人机、机器人和其他类似平台是典型的例子。

近年来，有很多研究关于基于对偶四元数的刚体位置姿态跟踪问题和固定翼、四旋翼等无人机的控制问题。但是，几乎是针对对偶四元数在固定翼或四旋翼无人机等欠驱动系统中的应用的探索。然而，基于单位对偶四元数的倾转多旋翼无人机控制研究较少。倾斜旋翼多旋翼无人机是一类更需要单位对偶四元数的无人机，因为它们具有位姿全向性的特点。

因此，提供一种基于单位对偶四元数的多旋翼无人机一体化跟踪控制方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于单位对偶四元数的多旋翼无人机一体化跟踪控制方法，使倾转旋翼多旋翼无人机系统始终稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于单位对偶四元数的多旋翼无人机一体化跟踪控制方法，包括以下步骤：

S101、建立倾转旋翼多旋翼无人机一体化动力学模型；

S201、S101得到的倾转旋翼多旋翼无人机一体化动力学模型利用单位对偶四元数表示，得到基于单位对偶四元数的倾转旋翼多旋翼无人机一体化动力学模型；

S301、根据S201中基于单位对偶四元数的倾转旋翼多旋翼无人机一体化动力学模型，建立基于单位对偶四元数的倾转旋翼多旋翼无人机一体化跟踪控制器；