本發(fā)明涉及運(yùn)輸無(wú)人機(jī)控制，具體涉及一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)人飛行器在各行各業(yè)中都有著較為廣泛的應(yīng)用。例如運(yùn)用無(wú)人飛行器在山區(qū)進(jìn)行貨物的運(yùn)輸；運(yùn)輸通常是山與山之間，山上與山下之間的運(yùn)輸；這類(lèi)的運(yùn)輸是因受地形影響，修建道路的成本較高，綜合考慮，通常會(huì)采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，一般會(huì)采用大型四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸?，F(xiàn)有的無(wú)人機(jī)在運(yùn)輸飛行過(guò)程中，有時(shí)會(huì)受到風(fēng)吹動(dòng)自身攜帶貨物，造成貨物擺動(dòng)的干擾，進(jìn)而對(duì)飛行姿態(tài)歐拉角造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明提供一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，

4、一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，包括位置子系統(tǒng)、姿態(tài)子系統(tǒng)、姿態(tài)控制器、位置控制器和姿態(tài)解算模塊；位置子系統(tǒng)包括位置控制器，位置控制器得到垂直速度控制量并輸入到位置子系統(tǒng)，并同時(shí)解算出所需要的期望姿態(tài)歐拉角度；姿態(tài)歐拉角度包括俯仰角θ、滾轉(zhuǎn)角和偏航角ψ；根據(jù)初步解算的期望姿態(tài)歐拉角進(jìn)行控制模式的選取，并重新計(jì)算出姿態(tài)歐拉角；通過(guò)姿態(tài)子系統(tǒng)的姿態(tài)控制器得到姿態(tài)歐拉角控制量，即俯仰角控制量、滾轉(zhuǎn)角控制量和偏航角控制量，并將姿態(tài)歐拉角控制量輸出到姿態(tài)子系統(tǒng)；設(shè)位置控制器的虛擬控制量ux、uy、uz的計(jì)算公式為：

5、

6、根據(jù)上式，垂直速度控制量u1的計(jì)算公式為：

7、

8、根據(jù)位置控制器的虛擬控制量的計(jì)算公式和四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型，那么位置子系統(tǒng)模型則能夠簡(jiǎn)化為：

9、

10、采用滑模控制器定義位置誤差：

11、

12、式中：四個(gè)螺旋槳的產(chǎn)生的升力分別為f1-f4，無(wú)人機(jī)共有垂直速度控制量u1、滾轉(zhuǎn)角控制量u2、俯仰角控制量u3、偏航角控制量u4四個(gè)控制輸入量；x、y、z為無(wú)人機(jī)在慣性坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)；fx、fy、fz為貨物未知擺動(dòng)干擾；m為飛行器質(zhì)量；g為重力加速度；ex、ey、ez為位置誤差的坐標(biāo)；xd、xy、xz為無(wú)人機(jī)在慣性坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)虛擬位置的坐標(biāo)。

13、進(jìn)一步的：所述升力與控制量的關(guān)系為：

14、；

15、其中，l為每個(gè)螺旋槳中心距離無(wú)人機(jī)質(zhì)心ob的距離；

16、由牛頓-歐拉方程，可得到四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型為：

17、

18、其中：x、y、z為無(wú)人機(jī)在慣性坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)；fx、fy、fz為貨物未知擺動(dòng)干擾；ix、iy、iz為繞機(jī)體坐標(biāo)系的xb、yb、zb軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為飛行器質(zhì)量；g為重力加速度。

19、進(jìn)一步的：采用pid控制器對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)的控制，以期望姿態(tài)歐拉角度與當(dāng)前姿態(tài)歐拉角度的計(jì)算值之差作為pid控制器的輸入；并輸出pwm信號(hào)到每個(gè)電機(jī)上并驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3個(gè)pid控制器輸出量疊加到不同位置的電子調(diào)速器上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度發(fā)生變化，從而使得無(wú)人機(jī)能夠完成在立體空間中的運(yùn)動(dòng)。

20、進(jìn)一步的：為了保證多架次無(wú)人機(jī)運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸效率，在正常的無(wú)人機(jī)編隊(duì)外設(shè)置巡航機(jī)，將正在運(yùn)輸?shù)臒o(wú)人機(jī)假定為任務(wù)機(jī)；當(dāng)有任務(wù)機(jī)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，則為任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)，巡航機(jī)在運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)的中段區(qū)域做繞圈巡航動(dòng)作；當(dāng)有多個(gè)任務(wù)機(jī)出現(xiàn)多個(gè)緊急狀態(tài)時(shí)，地面站先來(lái)先服務(wù)的調(diào)度機(jī)制，為發(fā)生事件較早的那一架任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)；當(dāng)同時(shí)發(fā)生緊急狀態(tài)時(shí)，則優(yōu)先為緊急狀態(tài)任務(wù)機(jī)編號(hào)較小的任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)；緊急狀態(tài)任務(wù)機(jī)編號(hào)由去程無(wú)人機(jī)最靠近貨物待運(yùn)輸?shù)厮诘攸c(diǎn)的距離所決定。

21、進(jìn)一步的：無(wú)人機(jī)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)對(duì)象，分別為任務(wù)機(jī)、地面站和巡航機(jī)，那么每個(gè)單位時(shí)間中，首先各個(gè)無(wú)人機(jī)檢測(cè)自身狀態(tài)參數(shù)，在無(wú)人機(jī)本體進(jìn)行判斷緊急或非緊急，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緊急或者非緊急信號(hào)至地面站，地面站更新各個(gè)無(wú)人機(jī)的狀態(tài)并根據(jù)先來(lái)先服務(wù)的機(jī)制為任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)；然后將改變locked位指令信息發(fā)送至巡航機(jī)，最后巡航機(jī)根據(jù)飛行控制算法做出調(diào)整后的飛行時(shí)間δt。

22、進(jìn)一步的：locked位是任務(wù)機(jī)和巡航機(jī)相互間是否能夠配對(duì)的標(biāo)志位；當(dāng)擺渡機(jī)分配給緊急狀態(tài)任務(wù)機(jī)時(shí)，巡航機(jī)和任務(wù)機(jī)的locked位置為真實(shí)存在的；當(dāng)巡航機(jī)中的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)預(yù)警值，則將巡航機(jī)和原先與之配對(duì)的任務(wù)機(jī)解鎖。

23、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明能夠在四旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型中加入貨物未知擺動(dòng)干擾量，并通過(guò)pid控制器對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)的控制；并引入了巡航機(jī)的概念，使得運(yùn)輸無(wú)人機(jī)在緊急狀態(tài)下通過(guò)單位時(shí)間處理時(shí)序引入巡航機(jī)替代后續(xù)運(yùn)輸任務(wù)，進(jìn)一步的提高了運(yùn)輸無(wú)人機(jī)的運(yùn)輸效率。

技術(shù)特征：

1.一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，包括位置子系統(tǒng)、姿態(tài)子系統(tǒng)、姿態(tài)控制器、位置控制器和姿態(tài)解算模塊；位置子系統(tǒng)包括位置控制器，位置控制器得到垂直速度控制量并輸入到位置子系統(tǒng)，并同時(shí)解算出所需要的期望姿態(tài)歐拉角度；姿態(tài)歐拉角度包括俯仰角θ、滾轉(zhuǎn)角和偏航角ψ；根據(jù)初步解算的期望姿態(tài)歐拉角進(jìn)行控制模式的選取，并重新計(jì)算出姿態(tài)歐拉角；通過(guò)姿態(tài)子系統(tǒng)的姿態(tài)控制器得到姿態(tài)歐拉角控制量，即俯仰角控制量、滾轉(zhuǎn)角控制量和偏航角控制量，并將姿態(tài)歐拉角控制量輸出到姿態(tài)子系統(tǒng)；設(shè)位置控制器的虛擬控制量ux、uy、uz的計(jì)算公式為：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，所述升力與控制量的關(guān)系為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，采用pid控制器對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)的控制，以期望姿態(tài)歐拉角度與當(dāng)前姿態(tài)歐拉角度的計(jì)算值之差作為pid控制器的輸入；并輸出pwm信號(hào)到每個(gè)電機(jī)上并驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3個(gè)pid控制器輸出量疊加到不同位置的電子調(diào)速器上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度發(fā)生變化，從而使得無(wú)人機(jī)能夠完成在立體空間中的運(yùn)動(dòng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，為了保證多架次無(wú)人機(jī)運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸效率，在正常的無(wú)人機(jī)編隊(duì)外設(shè)置巡航機(jī)，將正在運(yùn)輸?shù)臒o(wú)人機(jī)假定為任務(wù)機(jī)；當(dāng)有任務(wù)機(jī)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，則為任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)，巡航機(jī)在運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)的中段區(qū)域做繞圈巡航動(dòng)作；當(dāng)有多個(gè)任務(wù)機(jī)出現(xiàn)多個(gè)緊急狀態(tài)時(shí)，地面站先來(lái)先服務(wù)的調(diào)度機(jī)制，為發(fā)生事件較早的那一架任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)；當(dāng)同時(shí)發(fā)生緊急狀態(tài)時(shí)，則優(yōu)先為緊急狀態(tài)任務(wù)機(jī)編號(hào)較小的任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)；緊急狀態(tài)任務(wù)機(jī)編號(hào)由去程無(wú)人機(jī)最靠近貨物待運(yùn)輸?shù)厮诘攸c(diǎn)的距離所決定。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，無(wú)人機(jī)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)對(duì)象，分別為任務(wù)機(jī)、地面站和巡航機(jī)，那么每個(gè)單位時(shí)間中，首先各個(gè)無(wú)人機(jī)檢測(cè)自身狀態(tài)參數(shù)，在無(wú)人機(jī)本體進(jìn)行判斷緊急或非緊急，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緊急或者非緊急信號(hào)至地面站，地面站更新各個(gè)無(wú)人機(jī)的狀態(tài)并根據(jù)先來(lái)先服務(wù)的機(jī)制為任務(wù)機(jī)分配巡航機(jī)；然后將改變locked位指令信息發(fā)送至巡航機(jī)，最后巡航機(jī)根據(jù)飛行控制算法做出調(diào)整后的飛行時(shí)間δt。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于，locked位是任務(wù)機(jī)和巡航機(jī)相互間是否能夠配對(duì)的標(biāo)志位；當(dāng)擺渡機(jī)分配給緊急狀態(tài)任務(wù)機(jī)時(shí)，巡航機(jī)和任務(wù)機(jī)的locked位置為真實(shí)存在的；當(dāng)巡航機(jī)中的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)預(yù)警值，則將巡航機(jī)和原先與之配對(duì)的任務(wù)機(jī)解鎖。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種交通運(yùn)輸用飛行器的飛行控制系統(tǒng)，包括位置子系統(tǒng)、姿態(tài)子系統(tǒng)、姿態(tài)控制器、位置控制器和姿態(tài)解算模塊；位置控制器得到垂直速度控制量并輸入到位置子系統(tǒng)，并同時(shí)解算出所需要的期望姿態(tài)歐拉角度；根據(jù)初步解算的期望姿態(tài)歐拉角進(jìn)行控制模式的選取，并重新計(jì)算出姿態(tài)歐拉角；通過(guò)姿態(tài)子系統(tǒng)的姿態(tài)控制器得到姿態(tài)歐拉角控制量，并將姿態(tài)歐拉角控制量輸出到姿態(tài)子系統(tǒng)；本發(fā)明能夠在四旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型中加入貨物未知擺動(dòng)干擾量，并通過(guò)PID控制器對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)的控制；使得運(yùn)輸無(wú)人機(jī)在緊急狀態(tài)下通過(guò)單位時(shí)間處理時(shí)序引入巡航機(jī)替代后續(xù)運(yùn)輸任務(wù)，進(jìn)一步的提高了運(yùn)輸無(wú)人機(jī)的運(yùn)輸效率。

技術(shù)研發(fā)人員：朱思丞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：朱思丞
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2