CN104760695A - 一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，将四旋翼飞机接收到的遥控器发来的Roll和Pitch方向的控制量转换为矢量，对应在坐标系中分别是X方向和Y方向，再根据机身旋转角度对该矢量进行旋转后重新映射到新的坐标系X′Y′中上以控制整个机身前进、后退、左飞、右飞。

Description

一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞机控制方法，尤其涉及一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法。

背景技术

四旋翼飞行器是一种能实现垂直起降的非共轴式多旋翼飞行器，结构如图1所示，其可以只通过调节蝶形分布的四个旋翼的转速，实现对四旋翼飞行器飞行姿态的控制.其本身是一个具有六自由度和4个控制输入的非线性欠驱动***，具有对外界和自身抗干扰敏感的特性控制的主要问题是解决强耦合性和不稳定的动力特性。由于不需要尾翼，四旋翼飞行器结构更加紧凑，四个旋翼的提升力比单旋翼更加均匀，因而飞行姿态更加稳定。另外，四旋翼飞行器还具有起飞要求低、可悬停等特点。

在四旋翼飞行器的前后运动和侧向运动都是使飞行器在对应的方向上倾斜一定的角度，即机体上水平角度检测装置测试出来的是沿X方向和Y方向的倾角，遥控器遥杆前后左右的控制分别对应X型四旋翼Y和X方向上的倾角，在物理上的机头、机尾、左侧和右侧方向的控制，参照图1，即机头对应电机1和电机4，机尾对应电机2和电机3，左侧对应电机1和电机2，右侧对应电机3和电机4，对前后运动来说，当机头正向朝前时，遥控器方向遥杆前推，飞机远离操控者，方向遥杆向回拉时，飞机朝操控者飞来，但是当机体旋转一定角度如图8所示，遥控器遥杆前推，飞机会向左前方飞行，对于新手很难控制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，将四旋翼飞机接收到的遥控器发来的Roll和Pitch方向的控制量转换为矢量，对应在坐标系中分别是X方向和Y方向，再根据机身旋转角度对该矢量进行旋转后重新映射到新的坐标系X′Y′中上以控制整个机身前进、后退、左飞、右飞。

一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，将接收到遥控X方向A控制量和Y 方向B控制量作用于四旋翼控制上，其作用力控制量为大小为和Pitch方向的控制角度为在四旋翼空间坐标系中当机体旋转θ，则对整个机体的控制方向为再对根据机身控制角重新映射在X′和Y′方向，以达到遥控矢量旋转来控制四旋翼飞行的目的。

进一步地，四旋翼飞机带有可检测机体旋转角度的陀螺装置，能够准确计算出旋转角θ。

进一步地，当四旋翼飞行器距离操控者较远，操控者无法辨识机头方向时，四旋翼飞机可通过所述方法自由控制。

进一步地，在遥控数据等效数学模型中，Roll控制参量在X方向为一个大小为A的控制量，Pitch控制参量在Y方向是一个大小为B的控制量，作用在四旋翼上是一个大小为|C|，和机头方向夹角为的矢量，其中 

$\left|C\right|=\sqrt{A^2+B^2}$

对四旋翼如果机体旋转角θ可通过飞行器陀螺仪装置获取，则遥控器控制飞机机身整体向前则实际作用角度为控制量大小为|C|，所以转换后的X′方向控制矢量A′和Y′方向的控制矢量B′如下：

根据转换后的A′和B′来控制电机的转速即可实现四旋翼的控制。

本发明的一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法可以实现以下三种控制模式：

1.无头控制模式，当四旋翼飞行器距离操控者较远，操控者无法辨识机头方向，可启动该模式自由控制；

2.远距离断线返航，如果远距离飞行器接收不到遥控数据后可根据运动轨迹自动靠近操控者；

3一键返航，通过一个按键触发让飞行器靠近操控者。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的四旋翼飞行器结构示意图；

图2为本发明的四旋翼飞行器垂直运动原理示意图；

图3为本发明的四旋翼飞行器滚动运动原理示意图；

图4为本发明的四旋翼飞行器俯仰运动原理示意图；

图5为本发明的四旋翼飞行器偏航运动原理示意图；

图6为本发明的四旋翼飞行器前后运动原理示意图；

图7为本发明的四旋翼飞行器侧向运动原理示意图；

图8为本发明的四旋翼飞行器倾斜角度前进飞行原理示意图；

图9为本发明的四旋翼飞行器飞行姿态原理示意图；

图10为本发明的四旋翼飞行器遥控数据等效数学模型原理示意图；

图11为本发明的四旋翼飞行器的数学模型示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

四旋翼飞行器结构形式如图1所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作)，这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：(1)垂直运动；(2)俯仰运动；(3)滚转运动；(4)偏航运动；(5)前后运动；(6)侧向运动。

在图1中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿X轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。其中各基本运动状态：

(1)垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。在图2中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿Z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

(2)滚动运动：在图3中，电机1和电机2的转速下降，电机3和电机4的转速上升。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1、旋翼2与旋翼3、旋翼4转速改变量的大小应相等。由于旋翼1、2的升力下降，旋翼3、4的升力上升，产生的不平衡力矩使机身绕Y轴旋转(方向如图所示)，同理，当电机1、2的转速上升，电机3、4的转速下降，机身便绕Y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的滚动运动。

(3)俯仰运动：与图3的原理相同，在图4中，电机2和电机3的转速下降，电机1和电机4的转速上升，则可使机身绕X轴正向旋转，否则身绕X轴负向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

(4)偏航运动：四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图5中，当电机2和电机4的转速上升，电机1和电机3的转速下降时，旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机2、电机4的转向相反。

(5)前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图6中，增加电机2、3转速，使拉力增大，相应减小电机1、4转速，使拉力减小，反扭矩仍然要保持平衡。按图3的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图3图4中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

(6)侧向运动：在图7中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

总得来说就是控制四个电机的速度，然后相应的提高电机速度和减慢电机速度就可以让四轴动起来。

如图9所示，在本发明的一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法中，通过将接收到遥控器的控制数据，根据机体上的陀螺装置检测到机体旋转角度，通过矢量旋转，将原本在XY坐标型中的控制量映射到整个四旋翼机体X′Y′坐标系上，操控者将方向遥杆前推，四旋翼沿Y′正向远离操控者，控制器摇杆向后飞机会沿Y′负向靠近操控者，控制人员不必关心实际机头的朝向，如图5所示，不管机身如何旋转，遥控向前，四旋翼远离操控者，遥控 向后，四旋翼靠近控制者，遥控向左，四旋翼向左飞；遥控向右，四旋翼右飞。

有关本发明的一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法的详细说明和映射转换过程如下：

遥控数据等效数学模型如图10所示，Roll控制参量在X方向为一个大小为A的控制量，Pitch控制参量在Y方向是一个大小为B的控制量，作用在四旋翼上是一个大小为|C|，和机头方向夹角为的矢量，其中

$\left|C\right|=\sqrt{A^2+B^2}$

对四旋翼如果机体旋转角θ可通过飞行器陀螺仪装置获取，如图11所示，则遥控器控制飞机机身整体向前则实际作用角度为控制量大小为|C|，所以转换后的X′方向控制矢量A′和Y′方向的控制矢量B′如下：

根据转换后的A′和B′来控制电机的转速即可实现四旋翼的控制。

应该理解，尽管参考其示例性的实施方案，已经对本发明进行具体地显示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离由权利要求书所定义的本发明的精神和范围的条件下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，可以进行各种实施方案的任意组合。

Claims (5)

1.一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，其特征在于：将四旋翼飞机接收到的遥控器发来的Roll和Pitch方向的控制量转换为矢量，对应在坐标系中分别是X方向和Y方向，再根据机身旋转角度对该矢量进行旋转后重新映射到新的坐标系X′Y′中上以控制整个机身前进、后退、左飞、右飞。

2.一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，其特征在于：将接收到遥控X方向A控制量和Y方向B控制量作用于四旋翼控制上，其作用力控制量为大小为和Pitch方向的控制角度为在四旋翼空间坐标系中当机体旋转θ，则对整个机体的控制方向为再对根据机身控制角重新映射在X′和Y′方向，以达到遥控矢量旋转来控制四旋翼飞行的目的。

3.根据权利要求2所述的一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，其特征在于：四旋翼飞机带有可检测机体旋转角度的陀螺装置，能够准确计算出旋转角θ。

4.根据权利要求2所述的一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，其特征在于：当四旋翼飞行器距离操控者较远，操控者无法辨识机头方向时，四旋翼飞机可通过所述方法自由控制。

5.根据权利要求1或2所述的一种利用矢量旋转法来进行四旋翼飞机控制的方法，其特征在于：在遥控数据等效数学模型中，Roll控制参量在X方向为一个大小为A的控制量，Pitch控制参量在Y方向是一个大小为B的控制量，作用在四旋翼上是一个大小为|C|，和机头方向夹角为的矢量，其中

$\left|C\right|=\sqrt{A^2+B^2}$

对四旋翼如果机体旋转角θ可通过飞行器陀螺仪装置获取，则遥控器控制飞机机身整体向前则实际作用角度为控制量大小为|C|，所以转换后的X′方向控制矢量A′和Y′方向的控制矢量B′如下：

根据转换后的A′和B′来控制电机的转速即可实现四旋翼的控制。