【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于航空飛行器與機器人控制領域，特別是涉及機臂二自由度變形的四旋翼飛行控制方法及裝置。
技術介紹
1、多旋翼的控制技術趨于成熟。它除了可以執行航拍，環境監測等正常任務，還可用于地下管道，自然洞穴或者災區搜救等復雜狹窄環境工作。然而在復雜狹窄的空間里，例如蜿蜒的管道，復雜的叢林，其環境多變，充斥著各種不確定因素，這對于多旋翼容易造成碰撞干擾，導致墜毀，因此如何適應復雜狹窄環境是一個難題。常規多旋翼結構固定，其缺乏機臂旋翼的變形能力。因此難以根據外界環境改變自身形狀，在狹窄環境中的適應性較弱。
2、常規多旋翼屬于欠驅動系統，旋翼推力始終垂直于機體面，因此不能產生矢量推力，這會導致傳統多旋翼無法位置和姿態解耦。此外，常規多旋翼機身結構固定，缺乏變形能力，對于某些狹窄環境不具備適應性。對此，增強多旋翼的空間變形能力，以提高復雜環境下的機動性和適應性是一個重要的研究問題。
3、目前變形多旋翼可分為機臂旋轉變形和旋翼傾轉變形兩大類。傾轉多旋翼的機臂結構固定，無法減小機身飛行時的物理尺寸，且改變姿態飛行時推力可能存在冗余，這極大影響運動效率。另機臂變形多旋翼缺失傾轉自由度，無法完成推力矢量化，缺乏空間位置和姿態獨立運動能力，僅能實現水平姿態下的變形，對空間的適應能力有限。針對這些問題，亟需設計一種新型的兼具變形和傾轉的飛行器。
技術實現思路
1、專利技術目的：本專利技術的一個目的是提供一種可以實現良好控制能力和空中傾轉變形能力的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法
2、本專利技術的另一個目的是提供一種所述控制方法所使用的裝置。
3、技術方案：本專利技術所述一種機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，包括以下步驟：
4、s1、根據機臂二自由度變形四旋翼能夠實現位姿解耦獨立傾轉的同時能夠穿越水平或者垂直狹窄環境的特點，分析機臂二自由度變形四旋翼變形方式，確定機臂二自由度變形四旋翼結構；
5、s2、根據機臂二自由度變形四旋翼結構，推導機臂二自由度變形四旋翼的動力學模型和運動學模型；
6、s3、根據機臂二自由度變形四旋翼的動力學模型和運動學模型，推導出機臂二自由度變形四旋翼的控制分配模型；
7、s4、根據機臂二自由度變形四旋翼的控制分配模型，分析控制分配模型奇異性問題，并針對奇異性設計特殊控制分配模型；
8、s5、根據機臂二自由度變形四旋翼的動力學模型、運動學模型、控制分配模型及特殊控制分配模型，設計位姿四元數非奇異終端滑模飛行控制器。
9、進一步的，步驟s1中機臂二自由度變形四旋翼結構包括機體、二自由度變形機臂，二自由度變形機臂結構的方式為：
10、
11、其中，αi為第i個機臂的機臂坐標系相對于機體坐標系的偏航角，i表示第i個機臂i＝1,2,3,4；為第i個機臂的機臂坐標系到機體坐標系的旋轉矩陣，為第i個機臂的第一關節的坐標系到機臂坐標系的旋轉矩陣，為第i個機臂的第二關節的坐標系到第i個機臂的第一關節的旋轉矩陣，βi為第i個機臂的第一關節相對于機臂坐標系的偏航旋轉角，γi為第i個機臂的第二級關節相對于第一級關節坐標系的滾轉旋轉角；
12、第1和第3機臂第一關節自由度轉動方式一樣，第2和第4機臂第一關節自由度轉動方式一樣，并且滿足β1＝β3＝-β2＝-β4。
13、第二關節坐標系相對于機體坐標系的位置矢量位置矢量為：
14、
15、其中，為第i個機臂的第一關節坐標系相對于機臂坐標系的位置矢量，l1為第i個機臂的第一關節坐標系相對于機臂坐標系的距離，為第i個機臂的第二關節坐標系相對于第一關節坐標系的位置矢量，l2為第i個機臂的第一關節坐標系相對于機臂坐標系的距離。
16、進一步的，步驟s2中機臂二自由度變形四旋翼的動力學模型為：
17、
18、其中，m為機臂二自由度變形四旋翼的質量，vb為機體坐標系下的線速度，為vb的導數，j＝diag(jx,jy,jz)為機臂二自由度變形四旋翼的慣性矩陣，jx為x軸轉動慣量，jy為y軸轉動慣量，jz為z軸轉動慣量，ωb為機體坐標系下的角速度，為ωb的導數，q為機臂二自由度變形四旋翼的四元數，q*為q的共軛四元數，為世界坐標系下的重力，為擾動力，為第i個機臂的機臂坐標系到機體坐標系的旋轉矩陣，為第i個機臂的第一關節的坐標系到機臂坐標系的旋轉矩陣，為第i個機臂的第二關節的坐標系到第i個機臂的第一關節的坐標系的旋轉矩陣，是第二關節坐標系中第i個旋翼的升力，為第i個機臂的第一關節坐標系相對于機臂坐標系的位置矢量，為第i個機臂的第二關節坐標系相對于第一關節坐標系的位置矢量，kq為旋翼反扭矩系數，ni為第i個旋翼轉速，為干擾力矩。
19、進一步的，步驟s2中機臂二自由度變形四旋翼的動力學模型包括基于四元數的位姿動力學模型和運動學模型，基于四元數的位姿動力學模型和運動學模型包括基于四元數的姿態運動學和動力學模型，以及基于四元數的位置動力學和運動學模型；
20、其中，基于四元數的姿態運動學和動力學模型為：
21、
22、其中，qe＝(qe0,qe1,qe2,qe3)t，qe0為qe的標量部分，qe1為qe的第二項，qe2為qe的第三項，qe3為qe的第四項，為qe的導數，為qe的矢量部分的轉置，為機體系下的角速度誤差，f(ωb)＝-j-1ωb×jωb，為角速度誤差，為機體系下的角速度期望，dω為姿態的擾動力矩，uq為姿態動力學的輸入。
23、基于四元數的位置動力學和運動學模型為：
24、
25、其中，ve為世界坐標系下的線速度，pe為世界坐標系下的位置，為pe的導數，pb為機體系下的位置，為世界坐標系下的加速度，為世界坐標系下的重力，是擾動力。
26、進一步的，步驟s3中控制分配模型為：
27、
28、其中，是靜態控制分配矩陣，為使用中間執行器變量的執行器矩陣，為第i個機臂的機臂坐標系到機體坐標系的旋轉矩陣，為第i個機臂的第一關節的坐標系到機臂坐標系的旋轉矩陣，為第i個機臂的第二關節的坐標系到第i個機臂的第一關節的坐標系的旋轉矩陣，是第二關節坐標系中第i個旋翼的升力，為第i個機臂的第一關節坐標系相對于機臂坐標系的位置矢量，為第i個機臂的第二關節坐標系相對于第一關節坐標系的位置矢量，km為旋翼反扭矩系數，ni為第i個旋翼轉速；
29、控制輸出求解為：
30、
31、其中，為的偽逆計算，為機體坐標系下機臂二自由度變形四旋翼的推力，為推力力矩；
32、每個執行器的輸出結果如下
33、
34、其中，為的第2i-1項的平方，為的第2i項的平方，為的第2i+1項的平方。
35、進一步的，步驟s4中設計特殊控制分配模型如下：當飛行器穿過水平狹窄空間時，特殊控制分配模型為：
36、
37、根據本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟S1中機臂二自由度變形四旋翼結構包括機體、二自由度變形機臂，二自由度變形機臂結構的方式為：
3.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟S2中機臂二自由度變形四旋翼的動力學模型為：
4.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟S2中機臂二自由度變形四旋翼的運動學和動力學模型包括基于四元數的位姿動力學模型和運動學模型，基于四元數的位姿動力學模型和運動學模型包括基于四元數的姿態運動學和動力學模型，以及基于四元數的位置動力學和運動學模型；
5.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟S3中控制分配模型為：
6.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟S4中設計特殊控制分配模型如下：
7.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其
8.一種機臂二自由度變形四旋翼飛行控制裝置，其特征在于，包括：
9.一種控制設備，其特征在于，包括處理器、通信接口、存儲器和通信總線；其中，所述處理器、所述通信接口、所述存儲器通過所述通信總線完成相互間的通信；所述存儲器，用于存放計算機程序；所述處理器，用于執行所述存儲器上所存放的程序時，實現權利要求1-7任一項所述的機臂二自由度變形四旋翼位飛行控制方法的步驟。
10.一種存儲介質，其特征在于，所述存儲介質上存儲有計算機程序，所述計算機程序被至少一個處理器執行時實現如權利要求1-7任一項所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法的步驟。
...【技術特征摘要】
1.一種機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟s1中機臂二自由度變形四旋翼結構包括機體、二自由度變形機臂，二自由度變形機臂結構的方式為：
3.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟s2中機臂二自由度變形四旋翼的動力學模型為：
4.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟s2中機臂二自由度變形四旋翼的運動學和動力學模型包括基于四元數的位姿動力學模型和運動學模型，基于四元數的位姿動力學模型和運動學模型包括基于四元數的姿態運動學和動力學模型，以及基于四元數的位置動力學和運動學模型；
5.根據權利要求1所述的機臂二自由度變形四旋翼飛行控制方法，其特征在于，步驟s3中控制分配模型為：
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【專利技術屬性】
技術研發人員：廖祿偉，楊忠，徐宏雨，卓浩澤，許諾，陶坤，梁家斌，王煒，成丹果，陳旭，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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