多旋翼无人机全局输入解耦装置及包含该装置的控制系统

摘要

本发明涉及一种多旋翼无人机全局输入解耦装置，该装置包括系数矩阵Mco存储模块；结构矩阵Mrel存储模块；将系数矩阵Mco与结构矩阵Mrel相乘并求逆得到逆矩阵(Mco·Mrel)-1的模块；主导旋翼转速运算模块；本发明通过非线性解耦映射实现了模型未知情况下的多旋翼无人机输入解耦，使多旋翼无人机这个多输入多输出系统解耦为若干个单输入单输出子系统，且每一个自由度只受到一个子系统回路的影响。从而实现了自由度(位置及姿态)的独立控制，降低了系统控制的复杂度，系统控制实现简单、不基于对象的数学模型、适用范围广、适合于任意结构的多旋翼无人机。

主权项

1.一种多旋翼无人机全局输入解耦装置，其特征在于包括：系数矩阵M_co存储模块(101)；所述的系数矩阵M_co＝diag(k₁₁，k₂₂，...，k_mm)；(1)结构矩阵M_rel存储模块(102)；所述的结构矩阵M_rel＝{-1^kAIV_ij}_{m×6，k＝1，2}    (2)式(2)中i＝1、2、3、……m，j＝1、2、3、4、5、6，m为旋翼的数量；AIV_ij为第i个旋翼动作时对第j个自由度的绝对影响值；设多旋翼无人机机体坐标系的x、y轴位于各连接杆所在的平面内并相互垂直，z轴通过多旋翼无人机的质心且垂直于各连接杆所在的平面；沿x、y、z轴正向移动自由度为正，沿x、y、z轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机机体绕y轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺指针转动自由度为负；滚转角φ为无人机机体绕x轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；偏航角ψ为无人机机体绕z轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；则第i个旋翼动作时对x、y、z轴方向平动自由度的绝对影响值：第i个旋翼动作时对俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ转动自由度的绝对影响值：当自由度向负方向变化时，k＝1，当自由度向正方向变化时k＝2；将系数矩阵M_co与结构矩阵M_rel相乘并求逆得到逆矩阵(M_co·M_rel)^-1的模块103；主导旋翼转速运算模块(104)：利用式(5)得到各主导旋翼转速，并根据其他旋翼与主导旋翼的对应关系得到其他旋翼转速，然后将得到的各旋翼转速分别传输给各旋翼对应的驱动装置：$\left[\begin{array}{c}{\Omega }_1\\ {\Omega }_2\\ ...\\ {\Omega }_q\end{array}\right]=\sqrt{{\left(M_{\mathrm{co}}{M}_{\mathrm{rel}}\right)}^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ ...\\ U_p\end{array}\right]}---\left(5\right)$式(5)中U₁、U₂、……、U_p为有效自由度虚拟控制量，Ω₁、Ω₂、……、Ω_q为各主导旋翼的转速。