本發(fā)明涉及無人機，尤其是一種基于磁向量場的無人機空中對接系統(tǒng)和方法。

背景技術：

1、隨著無人機技術的快速發(fā)展，無人機在民用和軍事領域的應用日趨廣泛，對其執(zhí)行任務的能力要求也隨之提高，同時隨著輕量級、低功耗傳感器技術和機載計算機的應用，無人機可以獲得更高的算力，執(zhí)行越來越復雜的任務，還可以實現更強大的控制方法。

2、目前無人機也可以可靠地完成空中攝像、自主監(jiān)視、物體交付和建筑工地檢查等任務。當無人機降落或停留在某個地方時，為了提高其定位的精度，需要使用高級別的傳感器或者組合式的傳感器才可以獲得精確的位置，而這些傳感器價格極為昂貴。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于磁向量場的無人機空中對接系統(tǒng)和方法，本發(fā)明可以實現無人的高精度對接和長時間空中停留。

2、本發(fā)明的技術方案為：一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，包括以下步驟：

3、s1)、建立無人機的動力學模型；

4、s2)、利用磁向量場測量模擬裝置測量并擬合得到磁向量場數學模型；

5、s3)、設計對接流程并利用卡爾曼濾波算法對無人機的空中對接過程中進行位置數據融合；

6、s4)、根據初始期望力和力矩以及磁向量場數學模型計算新的期望力矩和力；

7、s5)、利用qp補償對期望差進行補償處理，得到無人機最終的期望拉力；

8、s6)、執(zhí)行器根據無人機最終的期望拉力，通過油門與推力關系辨識模型對無人機電機進行控制。

9、作為優(yōu)選的，步驟s1)中，所述的無人機的動力學模型的表達式為：

10、

11、式中，p＝(x,y,z)為飛行器在世界坐標系下的位置；r為機體坐標系相對于世界坐標系的姿態(tài)在下的表示；v＝[vx,vy,vz]t為飛行器在世界坐標系下的線速度；m為無人機的質量；g為在世界坐標系下的重力加速度；fb和mb分別表示在機體坐標系下執(zhí)行機構產生的力和力矩；tem和mem分別表示在機體坐標系下電磁系統(tǒng)產生的電磁力和力矩；i表示慣性矩陣；w＝[wx,wy,wz]t為飛行器在機體坐標系下的角速度；為對位置p求導；為反對稱陣；為對姿態(tài)角r求導；為對角速度w求導；為對線速度v求導；t表示轉置處理。

12、作為優(yōu)選的，步驟s3)中，利用卡爾曼濾波算法對無人機的空中對接點進行位置數據融合，具體包括如下步驟：

13、s31)、將永磁裝置設置在對接點位置；并且假設無人機從起飛點a出發(fā)往對接點靠近，當無人機的d435相機首次檢測到對接點位置處的二維碼標靶時，無人機立即停止運動，并將該位置設為位置b；

14、s32)、保持b位置狀態(tài)，使用無人機的d435相機連續(xù)測量二維碼標靶一段時間，同時建立中間坐標系：{om,xm,xy,zm}；

15、s33)、對步驟s32)中連續(xù)測量的數據取均值，得到在b位置狀態(tài)下，無人機與對接點的真實距離(l,w,h)；

16、s34)、在對接過程中，使用卡爾曼濾波算法對位置進行位置數據融合。

17、作為優(yōu)選的，步驟s34)中，使用卡爾曼濾波算法對位置c進行位置數據融合的表達式為：

18、

19、

20、

21、式中，表示從t265獲得與標靶的位置數據；表示中間坐標系下t265攝像機反饋的無人機的坐標；表示d435測得的標靶位置數據；表示圖像坐標系到中間坐標系的變換矩陣；(xd435,yd435,zd435)表示d435相機坐標系下標靶位置；ptarget表示融合后距離標靶的位置；kk表示卡爾曼增益。

22、作為優(yōu)選的，步驟s4)中，根據初始期望力和力矩以及磁向量場數學模型計算新的期望力矩和力，具體包括如下步驟：

23、s41)、在進入到控制分配層前，將上層控制器給出的初始期望力fb和力矩mb分解到三個軸xyz上，并根據控制效率矩陣a6×4計算電機的拉力fi(i＝1,2,3,4)；即：

24、

25、式中，[f1,f2,f3,f4]分別表示無人機四個電機的拉力；分別表示初始期望力fb和力矩mb在三軸xyz上的分量；

26、s42)、考慮電磁力對無人機的四個電機的拉力fi′(i＝1,2,3,4)的作用，得到新的期望力矩和力即：

27、

28、式中，[memx,memy,memz]、[temx,temy,temz]分別為力矩tem和電磁力mem在三個軸上的分量；[f1′,f2′,f3′,f4′]為限幅處理后得到的四個電機的拉力；

29、s43)、由于電磁裝置安裝在無人機質心上距離h的位置，且過軸，因此，得到電磁力矩的表達為：

30、

31、作為優(yōu)選的，步驟s5)中，利用qp補償器對期望差進行補償處理，得到無人機最終的期望拉力，具體包括如下步驟：

32、s51)、將新的期望力矩和力減去上層控制器給出的初始期望力fb和力矩mb；得到期望差δt：

33、

34、s52)、由于期望差δt滿足控制效率模型，因此得到qp問題中的等式約束的表達式為：

35、

36、式中，δf表示拉力期望差；

37、s53)、通過引入松弛變量s來松弛步驟s52)中的約束；得到：

38、δτ＝a6×4δf+s；

39、式中，δτ表示引入松弛變量s的等式約束；

40、s54)、對δf進行限制，得到不等式約束：

41、fmin-f′≤δf≤fmax-f′；

42、式中，fmin、fmax分別表示設置的執(zhí)行器提供的最小和最大拉力；

43、s55)、構建目標函數，以使執(zhí)行器不達到飽和狀態(tài)；即：

44、

45、式中，u、v是權重矩陣；

46、s56)、輸出期望拉力fexp為：

47、fexp＝f′+δf；

48、

49、通過油門與推力關系辨識模型對電機進行控制。

50、本發(fā)明的有益效果為：

51、1、本發(fā)明無需采用高精度傳感器也不需要復雜的機械結構即可實現高精度對接和長時間空中停留；

52、2、本發(fā)明通過將擬合后磁向量場數學模型部署到無人機對接系統(tǒng)中，從而通過磁力實現無人機的對接；而且本發(fā)明可有效融合引入磁向量場所帶來的相關因素，使得完整的對接系統(tǒng)具有更高的魯棒性。

技術特征：

1.一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s1)中，所述的無人機的動力學模型的表達式為：

3.根據權利要求1所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s2)中，所述的磁向量場數學模型的表達式為：

4.根據權利要求1所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s3)中，利用卡爾曼濾波算法對無人機的空中對接點進行位置數據融合，具體包括如下步驟：

5.根據權利要求4所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s34)中，使用卡爾曼濾波算法對位置c進行位置數據融合的表達式為：

6.根據權利要求1所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s4)中，在進入到控制分配層前，將上層控制器給出的初始期望力fb和力矩mb分解到三個軸xyz上，并根據控制效率矩陣a6×4計算無電磁力影響下的四個電機的拉力fi(i＝1,2,3,4)；即：

7.根據權利要求6所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s4)中，考慮電磁力對無人機的四個電機的拉力fi(i＝1,2,3,4)的作用，得到新的期望力矩和力即：

8.根據權利要求7所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s4)中，由于電磁裝置安裝在無人機質心上距離h的位置，且過zb軸，因此，得到電磁力矩的表達為：

9.根據權利要求8所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s5)中，將新的期望力矩和力減去上層控制器給出的初始期望力fb和力矩mb；得到期望差δt：

10.根據權利要求9所述的一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，其特征在于：步驟s5)中，利用qp補償對期望差進行補償處理，得到無人機最終的期望拉力，具體包括如下步驟：

技術總結
本發(fā)明提供一種基于磁向量場的無人機空中對接方法，包括建立無人機的動力學模型；利用磁向量場測量模擬裝置測量并擬合得到磁向量場數學模型；設計對接流程；根據初始期望力和力矩以及磁向量場數學模型計算新的期望力矩和力；利用QP補償對期望差進行補償處理，得到無人機最終的期望拉力；根據無人機最終的期望拉力，通過油門與推力關系辨識模型對無人機電機進行控制。本發(fā)明無需采用高精度傳感器也不需要復雜的機械結構即可實現高精度對接和長時間空中停留；本發(fā)明通過將擬合后磁向量場數學模型部署到無人機對接系統(tǒng)中，從而通過電磁力實現無人機的對接；而且可有效融合引入磁向量場所帶來的相關因素，使得完整的對接系統(tǒng)具有更高的魯棒性。

技術研發(fā)人員：劉昆,俞瀟斌,魏靜波,李開心,李昕亮,陳偉健
受保護的技術使用者：中山大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2