CN116009606A - 无人机的动力分配方法、装置、无人机及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无人机的动力分配方法、装置、无人机及存储介质，该无人机的动力分配方法包括：获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；获取无人机电机的动力分配约束信息；根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。本申请通过无人机电机的动力分配约束信息来确定无人机当前各电机的实际力矩指令，进而分配无人机电机动力，在无人机电机指令触及电机控制指令的上下边界时，可以通过牺牲飞机的航向控制能力和垂向控制能力保证飞机姿态的稳定，降低无人机因突发扰动或其他原因导致的姿态不稳而引起的事故率，提升飞机性能边界。

Description

无人机的动力分配方法、装置、无人机及存储介质

技术领域

本申请涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机的动力分配方法、装置、无人机及存储介质。

背景技术

四旋翼无人机由于其操作简单，灵活度高，目前在航拍/测绘/植保/安防/物流等多个领域广泛应用。四旋翼通过对四个电机转速的控制，产生滚转力矩L/俯仰力矩M/偏航力矩N及机体垂向的拉力T，实现对飞机姿态和高度的控制。从L/M/N/T到四个电机转速指令之间的映射，即为动力分配。

常见的控制分配方式为通过线性映射的方式，将力矩和力的指令转换为电机指令。该方法简单可靠，对于无约束分配，可以取得最优结果。但是对于四旋翼而言，属于有约束的动力分配，超过约束边界后，该方法的性能急剧下降，极端情况下可能造成飞机失稳并坠毁。

发明内容

本申请实施例提供一种无人机的动力分配方法、装置、无人机及存储介质，可以降低无人机因突发扰动或其他原因导致的姿态不稳而引起的事故率，提升飞机性能边界

一方面，本申请提供一种无人机的动力分配方法，所述无人机的动力分配方法包括：

获取无人机的运行控制指令，所述运行控制指令中包括控制所述无人机的期望力矩指令；

获取无人机电机的动力分配约束信息；

根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令。

在本申请一些实施例中，所述期望力矩指令中包括初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令，初始偏航力矩指令、无人机的初始拉力值；

所述根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，包括：

将所述期望力矩指令进行归一化处理，将所述无人机初始拉力值映射到第一区间，将所述初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令和初始偏航力矩指令映射到第二区间，得到归一化的动力指令；

根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

其中，所述归一化的动力指令包括归一化的滚转力矩指令、归一化的俯仰力矩指令、归一化的偏航力矩指令、归一化的无人机拉力值。

在本申请一些实施例中，所述动力分配约束信息中包括所述滚转力矩控制可达集；

所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，包括：

将所述归一化的滚转力矩指令线性映射到滚转力矩控制可达集内，得到所述约束后的滚转力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的滚转力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述动力分配约束信息中包括所述俯仰力矩控制可达集；

所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：

将所述归一化的俯仰力矩指令线性映射到所述俯仰力矩控制可达集内，得到约束后的俯仰力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的俯仰力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：

获取所述无人机各电机归一化的最大推力值和最小推力值；

将所述各电机归一化的最大推力值和最小推力值，约束后的滚转力矩指令和所述约束后的俯仰力矩指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，确定所述无人机的向上拉力指令。

在本申请一些实施例中，所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：

根据所述约束后的滚转力矩指令、所述约束后的俯仰力矩指令、所述无人机的向上拉力指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，推导所述无人机的偏航力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令，包括：

对所述实际力矩指令中各指令值，利用伪逆法求解所述无人机的的电机指令。

另一方面，本申请提供一种无人机的动力分配装置，所述无人机的动力分配装置包括：

第一获取模块，用于获取无人机的运行控制指令，所述运行控制指令中包括控制所述无人机的期望力矩指令；

第二获取模块，用于获取无人机电机的动力分配约束信息；

确定模块，用于根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

计算模块，用于根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令。

在本申请一些实施例中，所述期望力矩指令中包括初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令，初始偏航力矩指令、无人机的初始拉力值；

所述确定模块具体用于：

将所述期望力矩指令进行归一化处理，将所述无人机初始拉力值映射到第一区间，将所述初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令和初始偏航力矩指令映射到第二区间，得到归一化的动力指令；

根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

其中，所述归一化的动力指令包括归一化的滚转力矩指令、归一化的俯仰力矩指令、归一化的偏航力矩指令、归一化的无人机拉力值。

在本申请一些实施例中，所述动力分配约束信息中包括所述滚转力矩控制可达集；

所述确定模块具体用于：

将所述归一化的滚转力矩指令线性映射到滚转力矩控制可达集内，得到所述约束后的滚转力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的滚转力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述动力分配约束信息中包括所述俯仰力矩控制可达集；

所述确定模块具体用于：

将所述归一化的俯仰力矩指令线性映射到所述俯仰力矩控制可达集内，得到约束后的俯仰力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的俯仰力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述确定模块具体用于：

获取所述无人机各电机归一化的最大推力值和最小推力值；

将所述各电机归一化的最大推力值和最小推力值，约束后的滚转力矩指令和所述约束后的俯仰力矩指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，确定所述无人机的向上拉力指令。

在本申请一些实施例中，所述确定模块具体还用于：

根据所述约束后的滚转力矩指令、所述约束后的俯仰力矩指令、所述无人机的向上拉力指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，推导所述无人机的偏航力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述计算模块具体用于：

对所述实际力矩指令中各指令值，利用伪逆法求解所述无人机的的电机指令。

另一方面，本申请还提供一种无人机，所述无人机包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个应用程序，其中所述一个或多个应用程序被存储于所述存储器中，并配置为由所述处理器执行以实现第一方面中任一项所述的无人机的动力分配方法。

第四方面，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器进行加载，以执行第一方面任一项所述的无人机的动力分配方法中的步骤。

本申请通过获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；获取无人机电机的动力分配约束信息；根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。本申请实施例中在无人机飞行过程中，通过无人机电机的动力分配约束信息来确定无人机当前各电机的实际力矩指令，进而分配无人机电机动力，因此可以在无人机电机指令触及电机控制指令的上下边界时，可以通过牺牲飞机的航向控制能力和垂向控制能力保证飞机姿态的稳定，降低无人机因突发扰动或其他原因导致的姿态不稳而引起的事故率，提升飞机性能边界。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的无人机***的场景示意图；

图2是本申请实施例中提供的无人机的动力分配方法的一个实施例流程示意图；

图3是本申请实施例中无人机电机的一个实施例示意图；

图4是本申请实施例中无人机的动力分配装置的一个结构示意图；

图5是本申请实施例中提供的无人机的一个实施例结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

需要说明的是，本申请实施例方法由于是在无人机中执行，各无人机的处理对象均以数据或信息的形式存在，例如时间，实质为时间信息，可以理解的是，后续实施例中若提及尺寸、数量、位置等，均为对应的数据存在，以便电子设备进行处理，具体此处不作赘述。

本申请实施例提供一种无人机的动力分配方法、装置、无人机及存储介质，以下分别进行详细说明。

请参阅图1，图1为本申请实施例所提供的无人机***的场景示意图，该无人机***可以包括无人机100和控制设备200，无人机100中集成有无人机的动力分配装置，如图1中的无人机。

本申请实施例中无人机100主要用于获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；获取无人机电机的动力分配约束信息；根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。

本申请实施例中，该控制设备200可以是控制手柄或者终端，可以理解的是，本申请实施例中所使用的终端可以是既包括接收和发射硬件的设备，即具有能够在双向通信链路上，执行双向通信的接收和发射硬件的设备。这种设备可以包括：蜂窝或其他通信设备，其具有单线路显示器或多线路显示器或没有多线路显示器的蜂窝或其他通信设备。具体的终端具体可以是台式终端或移动终端，终端具体还可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等中的一种。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的应用环境，仅仅是与本申请方案一种应用场景，并不构成对本申请方案应用场景的限定，其他的应用环境还可以包括比图1中所示更多或更少的无人机，例如图1中仅示出1个无人机，可以理解的，该无人机***还可以包括一个或多个其他服务，具体此处不作限定。

另外，该无人机***还可以包括存储器，用于存储数据，如存储无人机数据，例如无人机飞行数据等。

需要说明的是，图1所示的无人机***的场景示意图仅仅是一个示例，本申请实施例描述的无人机***以及场景是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着无人机***的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

首先，本申请实施例中提供一种无人机的动力分配方法，该无人机的动力分配方法的执行主体为无人机的动力分配装置，该无人机的动力分配装置应用于无人机，该无人机的动力分配方法包括：获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；获取无人机电机的动力分配约束信息；根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。

如图2所示，为本申请实施例中无人机的动力分配方法的一个实施例流程示意图，该无人机的动力分配方法包括：

201、获取无人机的运行控制指令，所述运行控制指令中包括控制所述无人机的期望力矩指令。

其中，无人机的运行控制指令，可以是控制设备发送的，该运行控制指令中包括控制所述无人机的期望力矩指令。

本申请实施例中，无人机为旋翼飞机，可选的，无人机为四旋翼飞机，对于四旋翼飞机而言，属于有约束的动力分配，超过约束边界后，性能急剧下降，极端情况下可能造成无人机失稳并坠毁，因此，四旋翼飞机更需要有约束的动力分配。

以无人机为四旋翼飞机为例，如图3所示，该无人机包括四个螺旋桨，该四个螺旋桨各有一个电机(该电机也称为螺旋桨电机)，该四个电机分别为第一电机1、第二电机2、第三电机3和第四电机4，其中第一电机1、第二电机2、第三电机3和第四电机4为输出动力相同的电机。

典型的对称四旋翼无人机的4个旋翼，通常采用四套相同的动力输出装置，即采用四套相同规格的螺旋桨、电调等，四个螺旋桨的动力输出特性一致，以简化的非对称四旋翼无人机在进行俯仰动作时为例，假设该无人机的四个螺旋桨，分别称之为#1螺旋桨、#2螺旋桨、#3螺旋桨和#4螺旋桨。控制设备在控制无人机进行俯仰时，令#1螺旋桨和#3螺旋桨的输出动力增加ΔF，令#2螺旋桨和#4螺旋桨的输出动力减小ΔF，可在不影响无人滚转、航向、升力的情况下，独立控制飞机实现俯仰动作，即#1螺旋桨和#3螺旋桨所在的一侧上仰；同理可知，控制设备在控制无人机进行翻滚时，令#2螺旋桨和#3螺旋桨的输出动力增加ΔF，#1螺旋桨和#4螺旋桨的输出动力减小ΔF，可在不影响无人滚转、航向、升力的情况下，独立控制飞实现滚转动作。

202、获取无人机电机的动力分配约束信息。

其中，动力分配约束信息为用于约束无人机电机的动力的约束信息。

本申请实施例中，无人机的飞行姿态包括绕无人机纵向轴线翻转的滚转、绕无人机横轴轴线翻转的俯仰、无人机沿定向的方向航行和在垂直方向的升降，对应地，对于旋翼飞机，动力包括控制力和控制力拒，控制力即为拉力，控制力矩包括：滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩等。

因此，本申请实施例中，无人机电机的动力分配约束信息可以包括滚转力矩控制可达集、俯仰力矩控制可达集、偏航力矩控制可达集，无人机向上拉力控制可达集，无人机各电机的向上拉力控制可达集等。

203、根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令。

204、根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令。

本申请实施例通过获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；获取无人机电机的动力分配约束信息；根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。本申请实施例中在无人机飞行过程中，通过无人机电机的动力分配约束信息来确定无人机当前各电机的实际力矩指令，进而分配无人机电机动力，因此可以在无人机电机指令触及电机控制可达集上下边界时，可以通过牺牲飞机的航向控制能力和垂向控制能力保证飞机姿态的稳定，降低无人机因突发扰动或其他原因导致的姿态不稳而引起的事故率，提升飞机性能边界。

在本申请一些实施例中，所述期望力矩指令中包括初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令，初始偏航力矩指令和无人机的初始拉力值。

此时，所述根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，包括：将所述期望力矩指令进行归一化处理，将所述无人机初始拉力值映射到第一区间，将所述初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令和初始偏航力矩指令映射到第二区间，得到归一化的动力指令；根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；其中，所述归一化的动力指令包括归一化的滚转力矩指令、归一化的俯仰力矩指令、归一化的偏航力矩指令和归一化的无人机拉力值。

对于旋翼飞机而言，其姿态的稳定控制最为重要，其次是高度控制，再者是航向角度的控制。其优先级满足如下关系：L＝M>T>N，即俯仰/滚转力矩的优先级最高，拉力的优先级其次，偏航力矩的优先级最低。基于此原则，可以得到在输出受到约束时的动力分配算法。

进一步的，所述动力分配约束信息中包括所述滚转力矩控制可达集；此时，所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，包括：将所述归一化的滚转力矩指令线性映射到滚转力矩控制可达集内，得到所述约束后的滚转力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的滚转力矩指令值。

进一步的，所述动力分配约束信息中包括所述俯仰力矩控制可达集；此时，所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：将所述归一化的俯仰力矩指令线性映射到所述俯仰力矩控制可达集内，得到约束后的俯仰力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的俯仰力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：获取所述无人机各电机归一化的最大推力值和最小推力值；将所述各电机归一化的最大推力值和最小推力值，约束后的滚转力矩指令和所述约束后的俯仰力矩指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，确定所述无人机的向上拉力指令。

具体的，对于无人机的向上拉力指令：根据约束后的滚转力矩指令、约束后的俯仰力矩指令、采用归一化控制量的控制分配模型(即如下实施例中描述的动力分配模型)，根据归一化的电机拉力最大最小值约束，通过不等式变换求解拉力指令的范围，再将初始的拉力指令约束到该范围内，确定无人机的向上拉力指令。

在本申请一些实施例中，所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：根据所述约束后的滚转力矩指令、所述约束后的俯仰力矩指令、所述无人机的向上拉力指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，推导所述无人机的偏航力矩指令值。

具体的，对于偏航力矩指令，则在上述拉力指令确定方式基础上，增加无人机的向上拉力指令的约束。例如，在满足约束后的滚转力矩指令、约束后的俯仰力矩指令、约束后的无人机的向上拉力指令以及采用归一化量的控制分配模型，通过归一化的电机拉力最大最小值约束，通过

的不等式变换求解偏航力矩指令的可取范围，再将初始的偏航力矩指令约束到该范围内，即推导得到无人机的偏航力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令，包括：对所述实际力矩指令中各指令值，利用伪逆法求解所述无人机的的电机指令。

下面以图3为例，结合一个具体实施例场景对本申请中无人机动力分配进行说明，其动力分配模型具体如下：

其中，R表示1号电机和2号电机之间的距离，km表示电机的扭矩系数，F_i(i＝1,2,3,4)表示每个电机产生的力，T表示z轴拉力(向上)，L表示滚转力矩，M表示俯仰力矩，N表示偏航力矩。将上述式子进行归一化处理，将T和F_i映射到[0,1]，将L、M、N映射到[-1,1]上，可以得到下式：

需要说明的是，Fi是控制分配的输出，在计算过程中并不体现对它的归一化，因为当其他所有量都是归一化得值时，计算出的结果自然是归一化的。这里对他进行归一化说明，只是为了便于整个过程的理解。

对于旋翼飞机而言，其姿态的稳定控制最为重要，其次是高度控制，再者是航向角度的控制。其优先级满足如下关系：L＝M>T>N，即俯仰/滚转力矩的优先级最高，拉力的优先级其次，偏航力矩的优先级最低。基于此原则，可以得到在输出受到约束时的动力分配算法：

将L_nd和M_nd线性映射到各自的控制可达集内，得到约束后的滚转力矩和俯仰力矩指令的值L_{nd_sp}和M_{nd_sp}，其中，后缀为Nd表示归一化无量纲的意思，sp的后缀表示是控制器计算输出的指令；根据

之间的约束关系，推导T_nd的范围，并确定拉力指令值T_{nd_sp}，其中，Fmin和Fmax表示单个电机的最大最小推力，具体数值可以根据实际采用的是什么电机型号配的是多大的桨去该厂商的官网查或者实验得到；根据T_{nd_sp}和

之间的约束关系，推导N_nd的范围，并确定偏航力矩指令值N_{nd_sp}对约束后的指令，利用伪逆法求解电机指令

基于上述方式可以无人机动力分配后电机指令值。

进一步的，四旋翼无人机因为其易操控、体积小、行动灵活等特点，现已被广泛的应用。但随着其被应用，许多问题也显现出来，因其在飞行状态时，电机和螺旋桨工作在高速旋转的状态，由于执行机构的电圈老化等问题，容易发生失效故障。四旋翼一旦发生上述故障，如果对故障无容错能力，则会导致飞机的稳定性下降，甚至导致无人机失控，威胁到人身安全。

因此，本发明针对现有技术中存在的问题，本申请实施例中，还进一步提供故障情况下四旋翼无人机控制的方案，能够在四旋翼无人机的电机发生部分失效故障时，保证无人机姿态和高度的可控性，保持无人机姿态的稳定性，避免了事故的发生。

具体的，即本申请实施例进一步可以包括：当无人机的部分电机发生故障时，获取故障电机的故障信息；根据所述故障信息对四个电机的控制分配信息进行优化，使所述四个电机的虚拟控制指令与无人机所要达到的姿态和高度呈线性关系；所述虚拟控制指令为无人机飞控***根据用户操作解算出的控制指令；根据优化后的控制分配信息对所述四个电机的虚拟控制指令进行分配，获得所述四个电机的实际控制指令；根据所述实际控制指令控制所述无人机达到所需的姿态和高度。

需要说明的是，四旋翼无人机的飞行原理是通过改变四个电机的转速来改变飞机的姿态。电机的转速是通过改变PWM信号的占空比改变的，电机转速发生变化后，电机产生的拉力和转矩发生变化，同时根据四旋翼自身电机的位置分布，决定了roll(滚转)方向、pitch(俯仰)方向的转矩和yaw(偏航)方向的反转矩。Roll方向和pitch方向的变化产生了飞机X，Y轴方向的线速度，yaw角的变化为飞机航向的变化，拉力的变化产生了飞机Z轴即高度的变化。

其中，机体坐标系定义为：原点取在无人机的质心，坐标系与机体固连；X轴与机身设计的纵轴平行，且处于无人机的对称平面内，指向前方；Y轴垂直于无人机对称平面指向右方；Z轴在无人机对称平面内，且垂直于X轴指向下方。整个坐标系符合欧拉坐标系右手定则。地面坐标系即惯性坐标系定义为：采用北东地坐标系，XE轴指向北面，YE轴指向东面，而ZE轴指向地心方向。地面坐标系为仿真实验的环境中的坐标系。

无人机根据用户操作所产生的虚拟控制指令经控制分配信息分配为每个电机的实际控制指令。在四个电机正常的情况下，控制分配信息为固定值，不发生改变。但当无人机的部分电机发生故障时，电机无法正确响应分配的实际控制指令，即电机对于相同的控制指令无法调整为对应的转速，不能满足控制的要求，因此需对控制分配信息进行优化再分配。

当无人机的部分电机发生故障时，先获取故障电机的故障信息，通过飞控***解算出由用户操作所产生的虚拟控制指令，通过执行机构对飞机施加相应的力和力矩，从而调整无人机的高度和姿态达到期望值。

为了使无人机能够达到其所要达到的高度和姿态，解算出的虚拟控制指令以及无人机的高度和姿态可以呈线性关系。因此根据故障信息对控制分配信息进行调整，使解算出的虚拟控制指令以及无人机的高度和姿态满足线性关系，从而获得优化后的控制分配信息。由用户操作所产生的虚拟控制指令经优化后的控制分配信息分配为每个电机的实际控制指令，使每个电机根据实际控制指令驱动无人机达到所要达到的高度和姿态，从而保证无人机姿态和高度的可控性，保持无人机姿态的稳定性，避免了事故的发生。

进一步地，所述当无人机的部分电机发生故障时，获取故障电机的故障信息，具体包括：对无人机的四个电机进行实时检测；当无人机的部分电机发生故障时，计算故障电机的输出与无故障时的输出的比值，所述比值即为所述故障电机的故障信息；根据所述故障电机的故障信息构建故障信息矩阵。

需要说明的是，当无人机的部分电机发生故障时，获取四个电机的输出值，即电机的效率。未发生故障的电机，即正常电机的效率设为1。发生故障的电机，其效率会衰减，使得故障电机的效率为故障电机的输出相对于正常时的输出的量化值，即故障电机的故障信息。四个电机的效率分别表示为h 1、h 2、h 3、h 4，从而构建出故障信息矩阵H＝diag[h 1,h 2,h 3,h 4]。

进一步地，所述根据所述故障信息对四个电机的控制分配信息进行优化，使所述四个电机的虚拟控制指令与无人机所要达到的姿态和高度呈线性关系，具体包括：

根据优化公式，使所述四个电机的虚拟控制指令与无人机所要达到的姿态和高度呈线性关系，并根据正常时的控制分配矩阵和所述故障信息矩阵，计算优化后的控制分配矩阵，所述优化后的控制分配矩阵即为优化后的控制分配信息。

为了更好实施本申请实施例中无人机的动力分配方法，在无人机的动力分配方法基础之上，本申请实施例中还提供一种无人机的动力分配装置，如图4所示，无人机的动力分配装置400包括第一获取模块401、第二获取模块402、确定模块403和计算模块404，具体如下：

第一获取模块401，用于获取无人机的运行控制指令，所述运行控制指令中包括控制所述无人机的期望力矩指令；

第二获取模块402，用于获取无人机电机的动力分配约束信息；

确定模块403，用于根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

计算模块404，用于根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令。

本申请实施例通过第一获取模块401获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；第二获取模块402获取无人机电机的动力分配约束信息；确定模块403根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；计算模块404根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。本申请实施例中在无人机飞行过程中，通过无人机电机的动力分配约束信息来确定无人机当前各电机的实际力矩指令，进而分配无人机电机动力，因此可以在无人机电机指令触及电机控制可达集上下边界时，可以通过牺牲飞机的航向控制能力和垂向控制能力保证飞机姿态的稳定，降低无人机因突发扰动或其他原因导致的姿态不稳而引起的事故率，提升飞机性能边界。

在本申请一些实施例中，所述期望力矩指令中包括初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令，初始偏航力矩指令、无人机的初始拉力值。

所述确定模块403具体用于：

将所述期望力矩指令进行归一化处理，将所述无人机初始拉力值映射到第一区间，将所述初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令和初始偏航力矩指令映射到第二区间，得到归一化的动力指令；

根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

其中，所述归一化的动力指令包括归一化的滚转力矩指令、归一化的俯仰力矩指令、归一化的偏航力矩指令、归一化的无人机拉力值。

在本申请一些实施例中，所述动力分配约束信息中包括所述滚转力矩控制可达集；

所述确定模块403具体用于：

将所述归一化的滚转力矩指令线性映射到滚转力矩控制可达集内，得到所述约束后的滚转力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的滚转力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述动力分配约束信息中包括所述俯仰力矩控制可达集；

所述确定模块403具体用于：

将所述归一化的俯仰力矩指令线性映射到所述俯仰力矩控制可达集内，得到约束后的俯仰力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的俯仰力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述确定模块403具体用于：

获取所述无人机各电机归一化的最大推力值和最小推力值；

将所述各电机归一化的最大推力值和最小推力值，约束后的滚转力矩指令和所述约束后的俯仰力矩指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，确定所述无人机的向上拉力指令。

在本申请一些实施例中，所述确定模块403具体还用于：

根据所述约束后的滚转力矩指令、所述约束后的俯仰力矩指令、所述无人机的向上拉力指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，推导所述无人机的偏航力矩指令值。

在本申请一些实施例中，所述计算模块404具体用于：

对所述实际力矩指令中各指令值，利用伪逆法求解所述无人机的的电机指令。

本申请实施例还提供一种无人机，其集成了本申请实施例所提供的任一种无人机的动力分配装置，所述无人机包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个应用程序，其中所述一个或多个应用程序被存储于所述存储器中，并配置为由所述处理器执行上述无人机的动力分配方法实施例中任一实施例中所述的无人机的动力分配方法中的步骤。

本申请实施例还提供一种无人机，其集成了本申请实施例所提供的任一种无人机的动力分配装置。如图5所示，其示出了本申请实施例所涉及的无人机的结构示意图，具体来讲：

该无人机可以包括一个或者一个以上处理核心的处理器501、一个或一个以上计算机可读存储介质的存储器502、电源503和输入单元504等部件。本领域技术人员可以理解，图5中示出的无人机结构并不构成对无人机的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。其中：

处理器501是该无人机的控制中心，利用各种接口和线路连接整个无人机的各个部分，通过运行或执行存储在存储器502内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器502内的数据，执行无人机的各种功能和处理数据，从而对无人机进行整体监控。可选的，处理器501可包括一个或多个处理核心；优选的，处理器501可集成应用处理器和调制解调处理器，其中，应用处理器主要处理操作***、用户界面和应用程序等，调制解调处理器主要处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调处理器也可以不集成到处理器501中。

存储器502可用于存储软件程序以及模块，处理器501通过运行存储在存储器502的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器502可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能等)等；存储数据区可存储根据无人机的使用所创建的数据等。此外，存储器502可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。相应地，存储器502还可以包括存储器控制器，以提供处理器501对存储器502的访问。

无人机还包括给各个部件供电的电源503，优选的，电源503可以通过电源管理***与处理器501逻辑相连，从而通过电源管理***实现管理充电、放电、以及功耗管理等功能。电源503还可以包括一个或一个以上的直流或交流电源、再充电***、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态指示器等任意组件。

该无人机还可包括输入单元504，该输入单元504可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户设置以及功能控制有关的键盘、鼠标、操作杆、光学或者轨迹球信号输入。

尽管未示出，无人机还可以包括显示单元等，在此不再赘述。具体在本实施例中，无人机中的处理器501会按照如下的指令，将一个或一个以上的应用程序的进程对应的可执行文件加载到存储器502中，并由处理器501来运行存储在存储器502中的应用程序，从而实现各种功能，如下：

获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；获取无人机电机的动力分配约束信息；根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器进行加载，以执行本申请实施例所提供的任一种无人机的动力分配方法中的步骤。例如，所述计算机程序被处理器进行加载可以执行如下步骤：

获取无人机的运行控制指令，运行控制指令中包括控制无人机的期望力矩指令；获取无人机电机的动力分配约束信息；根据期望力矩指令和动力分配约束信息，确定无人机的实际力矩指令；根据实际力矩指令计算无人机的电机指令。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。

具体实施时，以上各个单元或结构可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元或结构的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。

以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。

以上对本申请实施例所提供的一种无人机的动力分配方法、装置、无人机及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种无人机的动力分配方法，其特征在于，所述方法包括：

获取无人机的运行控制指令，所述运行控制指令中包括控制所述无人机的期望力矩指令；

获取无人机电机的动力分配约束信息；

根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令。

2.根据权利要求1所述的无人机的动力分配方法，其特征在于，所述期望力矩指令中包括初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令，初始偏航力矩指令和无人机的初始拉力值；

所述根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，包括：

将所述期望力矩指令进行归一化处理，将所述无人机初始拉力值映射到第一区间，将所述初始滚转力矩指令、初始俯仰力矩指令和初始偏航力矩指令映射到第二区间，得到归一化的动力指令；

根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

其中，所述归一化的动力指令包括归一化的滚转力矩指令、归一化的俯仰力矩指令、归一化的偏航力矩指令和归一化的无人机拉力值。

3.根据权利要求2所述的无人机的动力分配方法，其特征在于，所述动力分配约束信息中包括所述滚转力矩控制可达集；

所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，包括：

将所述归一化的滚转力矩指令线性映射到滚转力矩控制可达集内，得到所述约束后的滚转力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的滚转力矩指令值。

4.根据权利要求2所述的无人机的动力分配方法，其特征在于，所述动力分配约束信息中包括所述俯仰力矩控制可达集；

所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：

将所述归一化的俯仰力矩指令线性映射到所述俯仰力矩控制可达集内，得到约束后的俯仰力矩指令值，所述实际力矩指令包括所述约束后的俯仰力矩指令值。

5.根据权利要求2所述的无人机的动力分配方法，其特征在于，

所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：

获取所述无人机各电机归一化的最大推力值和最小推力值；

将所述各电机归一化的最大推力值和最小推力值，约束后的滚转力矩指令和所述约束后的俯仰力矩指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，确定所述无人机的向上拉力指令。

6.根据权利要求5所述的无人机的动力分配方法，其特征在于，所述根据所述归一化的动力指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令，还包括：

根据所述约束后的滚转力矩指令、所述约束后的俯仰力矩指令、所述无人机的向上拉力指令，输入预设的归一化控制量的控制分配模型，推导所述无人机的偏航力矩指令值。

7.根据权利要求1所述的无人机的动力分配方法，其特征在于，所述根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令，包括：

对所述实际力矩指令中各指令值，利用伪逆法求解所述无人机的的电机指令。

8.一种无人机的动力分配装置，其特征在于，所述无人机的动力分配装置包括：

第一获取模块，用于获取无人机的运行控制指令，所述运行控制指令中包括控制所述无人机的期望力矩指令；

第二获取模块，用于获取无人机电机的动力分配约束信息；

确定模块，用于根据所述期望力矩指令和所述动力分配约束信息，确定所述无人机的实际力矩指令；

计算模块，用于根据所述实际力矩指令计算所述无人机的电机指令。

9.一种无人机，其特征在于，所述无人机包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个应用程序，其中所述一个或多个应用程序被存储于所述存储器中，并配置为由所述处理器执行以实现权利要求1至7中任一项所述的无人机的动力分配方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器进行加载，以执行权利要求1至7任一项所述的无人机的动力分配方法中的步骤。

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