六旋翼无人机分立输入解耦装置及包含该装置的控制系统

摘要

一种六旋翼无人机分立输入解耦装置及包含该装置的控制系统。本发明涉及一种六旋翼无人机分立输入解耦装置，该装置包括系数矩阵Mco存储模块；结构矩阵Mrel存储模块；将系数矩阵与结构矩阵相乘并存储为映射矩阵Map的模块；映射矩阵降维模块；降维齐次线性方程求解模块；基础解向量归一化模块；差分模块；放大增益模块；求和模块；非线性解算模块；本发明使全驱动六旋翼无人机这个多输入多输出系统解耦为六个单输入单输出系统，从而实现了无人机六个自由度独立控制，其最大优点是解耦之后的系统形式简单易于设计控制算法，由虚拟附加控制量可以快速地求取各个电机实际转速，算法对电机转速发生波动具有一定的鲁棒性。

主权项

1.一种六旋翼无人机分立输入解耦装置，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，....，k₆₆)；(1)结构矩阵M_rel存储模块(102)；所述的结构矩阵M_rel＝{-1^kAIV_ij}_{6×6，k＝1，2}   (2)式(2)中，i代表旋翼编号，j代表自由度编号；i＝1、2、3、……6，j＝1、2、3、4、5、6；AIV_ij为第i个旋翼动作时对第j个自由度的绝对影响值；设六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轴通过六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；将系数矩阵与结构矩阵相乘并存储为映射矩阵Map的模块(103)；映射矩阵降维模块(104)：依次将映射矩阵Map中的某一行去掉，得到六个五行六列的行满秩矩阵Map′_j(j＝，1，2，3，4，5，6)；降维齐次线性方程求解模块(105)：求出六个降维齐次线性方程的基础解向量所述降维齐次线性方程为：${\mathrm{Map}}_j^{\prime }{\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\Delta \Omega }}_{1j}^2& {\mathrm{\Delta \Omega }}_{2j}& {\mathrm{\Delta \Omega }}_{3j}^2& {\mathrm{\Delta \Omega }}_{4j}^2& {\mathrm{\Delta \Omega }}_{5j}^2& {\mathrm{\Delta \Omega }}_{6j}^2\end{array}\right]}^T=0---\left(11\right)$其中${\mathrm{\Delta \Omega }}_{1j}^2,{\mathrm{\Delta \Omega }}_{2j}^2,{\mathrm{\Delta \Omega }}_{3j}^2,{\mathrm{\Delta \Omega }}_{4j}^2,{\mathrm{\Delta \Omega }}_{5j}^2,{\mathrm{\Delta \Omega }}_{6j}^2$分别为自由度虚拟控制量增量ΔU_j引起的各旋翼转速平方增量；基础解向量归一化模块(106)：将基础解向量进行归一化运算得到然后将与自由度虚拟控制量增量ΔU_j对应的映射矩阵的行a_j相乘得到最后将送给求和模块(109)，将送给放大增益模块(108)；差分模块(107)：根据两个采样周期分别计算得到的自由度虚拟控制量和计算自由度虚拟控制量增量ΔU_j，其中，t₂＝t₁+Δt；放大增益模块(108)：利用式(12)计算得到放大增益K_j，然后将K_j与相乘，并将相乘的结果送到求和模块(109)；${\mathrm{\Delta U}}_j=K_j{\left|\right|{\stackrel{r}{a}}_j\frac{{\stackrel{r}{\xi }}_j}{\left|{\stackrel{r}{\xi }}_j\right|}\left|\right|}_1---\left(12\right)$求和模块(109)：利用式(13)计算出各旋翼转速总平方增量；非线性解算模块(110)：利用式(14)得到各旋翼转速${\Omega }_i(t+\mathrm{\Delta t})=\sqrt{{\Omega }_i^2\left(t\right)+{{\mathrm{\Delta \Omega }}_i}^2}---\left(14\right)$其中为当前时刻第i个旋翼转速的平方，Ω_i(t+Δt)为下一时刻第i个旋翼的转速。