CN108945398B - 控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置；其中，该方法应用于倾转旋翼机，包括：获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量；根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系；根据第一对应关系，确定控制参量的自由系数；根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解；根据最优解，确定最终的控制参量。本发明降低了倾转旋翼机控制方法的复杂度，提高了控制效率。

Description

控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其是涉及一种控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置。

背景技术

倾转旋翼机的控制参量包括与旋翼数量对应的各个电机的转速及各个旋翼在水平方向及竖直方向的倾转角度；当倾转旋翼机为三旋翼式时，包括九个控制参量；而一个飞行器的运动自由度共有六个，包含沿三个坐标轴的平移运动和旋转运动；由此可见，控制参量大于运动自由度，造成了参量冗余的问题，导致对倾转旋翼机的控制方法比较为复杂，效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置，以降低控制方法的复杂度，提高控制效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种控制参量的冗余优化处理方法，该方法应用于倾转旋翼机，包括：获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量；根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系；根据第一对应关系，确定控制参量的自由系数；根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解；根据最优解，确定最终的控制参量。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述控制参量包括第一电机的转速、第二电机的转速、第三电机的转速、第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度、第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度和第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；上述飞行参量包括第一水平方向的合力、第二水平方向的合力、竖直方向的合力、第一水平方向的力矩、第二水平方向的力矩及竖直方向的力矩；第一水平方向与第二水平方向垂直。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系的步骤，包括：通过下述公式建立控制参量与飞行参量的第一对应关系：

其中，Γ＝τ₁cosα₁cosβ₁-τ₂cosα₂cosβ₂+τ₃cosα₃cosβ₃，τ₁为第一电机产生的力矩，F₁为第一旋翼的升力；τ₂为第二电机产生的力矩，F₂为第二旋翼的升力；τ₃为第三电机产生的力矩，F₃为第三旋翼的升力；α₁、β₁分别为第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₂、β₂分别为第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₃、β₃分别为第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；U₁为第一水平方向的合力，U₂为第二水平方向的合力、U₃分别为竖直方向的合力，U₄为第一水平方向的力矩，U₅为第二水平方向的力矩、U₆为竖直方向的力矩，l为机轴长度。

其中，τ_i、F_i分别与第i电机的转速成正比：

τ_i＝dS_i ²(i＝1，2，3)

F_i＝k_FS_i ²(i＝1，2，3)

其中，S_i为第i电机的转速，d、k_F为已知比例系数。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述根据第一对应关系，确定控制参量的自由系数的步骤，包括：采用下述公式计算获得自由系数：

其中，

t₁，t₂，t₃为自由系数。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解的步骤，包括：如果优化指标包括能量消耗量，建立能量消耗量与控制参量的第二对应关系；获取能量消耗量最小时，自由系数的取值，将该取值确定为自由系数的最优解。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述建立能量消耗量与控制参量的第二对应关系的步骤，包括：通过下述公式建立能量消耗量与控制参量的第二对应关系：

其中，J为能量消耗量的指标函数，表示0～t_f时间内能量消耗量的大小；L为自由系数与能量消耗量相关的函数。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述获取能量消耗量最小时，自由系数的取值，将该取值确定为自由系数的最优解的步骤，包括

根据第二对应关系，通过计算得到函数L的公式如下：

根据变分法基本原理、第二对应关系以及函数L的公式，计算得到下述公式，以求取自由系数的最优解：

其中，

根据最小二乘法原理，通过近似计算得到当能量消耗量近似最小时，自由系数的近似最优解：

第二方面，本发明实施例还提供一种控制参量的冗余优化处理装置，该装置设置于倾转旋翼机，包括：参量获取模块，用于获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量；第一对应关系建立模块，用于根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系；自由系数确定模块，用于根据第一对应关系，确定控制参量的自由系数；求取最优解模块，用于根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解；控制参量确定模块，用于根据最优解，确定最终的控制参量。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述控制参量包括第一电机的转速、第二电机的转速、第三电机的转速、第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度、第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度和第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；上述飞行参量包括第一水平方向的合力、第二水平方向的合力、竖直方向的合力、第一水平方向的力矩、第二水平方向的力矩及竖直方向的力矩；第一水平方向与第二水平方向垂直。

第三方面，本发明实施例还提供一种控制参量的冗余优化处理实现装置，包括存储器和处理器，其中，存储器用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器执行，以实现上述方法。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了一种控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置；获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量后，根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系；根据该对应关系，确定控制参量的自由系数；进一步根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解；从而根据最优解，确定最终的控制参量。该方式降低了控制方法的复杂度，提高了控制效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的一种控制参量的冗余优化处理方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的倾转旋翼机的PID控制器的动力学模型模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于Backstepping方法的倾转旋翼机控制器的动力学模型模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种控制参量的冗余优化处理装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种控制参量的冗余优化处理实现装置的结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

目前，倾转旋翼机的控制参量大于其运动自由度，造成了参量冗余，导致控制方法比较为复杂，效率较低，基于此，本发明实施例提供了一种控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置，可以应用于飞行器的控制参数优化及其他参数优化领域。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种控制参量的冗余优化处理方法进行详细介绍，

参见图1所示的一种控制参量的冗余优化处理方法的流程图，该方法应用于倾转旋翼机，包括：

步骤S100，获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量。

上述控制参量为可以通过倾转旋翼机输出的控制指令控制的参量，如电机的转速、旋翼的倾转角度等；通过对控制参量的控制，对倾转旋翼机在各个运动自由度上的飞行参量进行控制，从而控制倾转旋翼机的飞行轨迹。具体地，当该倾转旋翼机为三旋翼式时，上述控制参量包括第一电机的转速、第二电机的转速、第三电机的转速、第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度、第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度和第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；上述飞行参量包括第一水平方向的合力、第二水平方向的合力、竖直方向的合力、第一水平方向的力矩、第二水平方向的力矩及竖直方向的力矩；第一水平方向与第二水平方向垂直。

步骤S102，根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系。

现有的动力学模型通过建立坐标系，并利用Newton-Euler(牛顿-欧拉)法或Lagrange(拉格朗日)法对飞行器的运动方程求解的方式获得。根据动力学模型，通过下述公式可以建立倾转旋翼机的控制参量与飞行参量的关系：

其中，Γ＝τ₁cosα₁cosβ₁-τ₂cosα₂cosβ₂+τ₃cosα₃cosβ₃，τ₁为第一电机产生的力矩，F₁为第一旋翼的升力；τ₂为第二电机产生的力矩，F₂为第二旋翼的升力；τ₃为第三电机产生的力矩，F₃为第三旋翼的升力；α₁、β₁分别为第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₂、β₂分别为第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₃、β₃分别为第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；U₁为第一水平方向的合力，U₂为第二水平方向的合力、U₃分别为竖直方向的合力，U₄为第一水平方向的力矩，U₅为第二水平方向的力矩、U₆为竖直方向的力矩，l为机轴长度。

其中，τ_i、F_i分别与第i电机的转速成正比：

τ_i＝dS_i ²(i＝1，2，3)

F_i＝k_FS_i ²(i＝1，2，3)

其中，S_i为第i电机的转速，d、k_F为已知比例系数。

步骤S104，根据第一对应关系，确定控制参量的自由系数。

根据上述公式(1)，得到以下公式：

其中，

k＝d/k_F，t₁，t₂，t₃为自由系数。

当t₁,t₂,t₃的取值确定时，控制参量的取值便也确定了理论上可以取任意实数，在实际中由于旋翼转速的上限和倾转角度的取值范围的限制，其取值会有所限制；可以根据执行机构的限制反求出t₁,t₂,t₃的取值范围，也可以根据控制目标设置一些限制条件，该限制条件可以被称为优化指标。

步骤S106，根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解。

具体地，上述优化指标可以为能量消耗量，也可以为飞行速度等；当优化指标为能量消耗量时，可以通过下述方式对自由系数求取最优解，包括以下步骤：

(1)建立能量消耗量与控制参量的第二对应关系；具体地，通过下述公式建立能量消耗量与控制参量的关系：

其中，J为能量消耗量的指标函数，表示0～t_f时间内能量消耗量的大小；L为自由系数与能量消耗量相关的函数。能量消耗量的指标函数为与能量消耗量呈正相关的函数，当指标函数取得最小值的时候，能量消耗量最小。

(2)获取能量消耗量最小时，自由系数的取值，将该取值确定为自由系数的最优解。

具体地，根据上述第二对应关系，通过计算得到函数L的公式如下：

根据变分法基本原理、第二对应关系以及函数L的公式，计算得到下述公式，以求取自由系数的最优解：

其中，

根据最小二乘法原理，通过近似计算得到当能量消耗量近似最小时，自由系数的近似最优解：

步骤S108，根据最优解，确定最终的控制参量。

当t₁,t₂,t₃的值确定后，根据公式(2)-(4)，即可确定控制参量的值。

本发明实施例提供了一种控制参量的冗余优化处理方法、装置及实现装置；获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量后，根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系；根据该对应关系，确定控制参量的自由系数；进一步根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解；从而根据最优解，确定最终的控制参量。该方法降低了控制方法的复杂度，提高了控制效率。

本发明实施例还提供了另一种控制参量的冗余优化处理方法，该方法在图1所示的方法基础上实现，主要通过简化可控参量的表达式，设计出优化指标函数，并进行优化计算，具体包括以下步骤：

(1)建立直接参量与控制量的表达式(相当于上述第一对应关系)，具体表达式如公式(1)所示；如表达式所示，控制量(相当于上述飞行参量)是等号左边的(U₁,U₂,U₃,U₄,U₅,U₆)，直接参量(相当于上述控制参量)是等号右边的(F₁,F₂,F₃,α₁,α₂,α₃,β₁,β₂,β₃)；通过公式(1)将直接参量反解出来，即可以通过直接参量对控制量进行控制；然而公式(1)不定方程组，未知数(直接参量)有9个，而方程组只有6个，解得的直接参量没有确定的值，而是与自由系数有关的值，自由系数为3个。

(2)根据表达式，确定自由系数；具体地，根据公式(1)、(3)可得：

进一步得到公式(2)，即自由系数与直接参量之间的关系式。当确定了t₁,t₂,t₃这三个参数，就可以确定F_i,α_i,β_i这些参量，二者的具体关系如下：

(3)根据能量消耗跟旋翼的转速和旋翼倾转的速率的关系，建立能量的优化指标函数；具体地，如公式(6)所示。

(4)根据该函数，求取自由系数的最优解。

由于第一旋翼的水平倾转角度全导数如下述公式所示：

同理，有，

得到L的表达式如公式(6)所示，令：

则L可以表示为：

将其带入变分原理的基本方程Euler-Lagrange方程，得到

对于t₁来说，

代入到公式(18)中，有

同理，有

从而得到公式(7)，也就是说，欲使得能量指标函数J最小化的目的已经转化为了求解方程(7)。事实上，结合公式(7)、(12)和(17)可知，

其中，

这样，结合公式(7)及公式(25)，可以利用计算机数值求解出每一循环下的t₁,t₂,t₃的值，最终只需得到Π的取得最小值时，t₁,t₂,t₃的值。

在进行求解的过程中，需要注意关于变分原理中的边界条件的问题。该指标函数的积分上下限为0和t_f。当t＝0时，由于各执行机构均处于初始未动状态，可以知道此时(t₁,t₂,t₃)＝(0,0,0)，也就是说初始时刻的状态是固定的。关于末态时刻t_f，可以定义其为稳定后的任意某个时刻,而该时刻的(t₁,t₂,t₃)值是可以确定的(至少可以用上一个时刻的值来近似)。上面的论述也就是说，该问题的边界条件都可以确定，这也就保证了使用Euler-Lagrange方程的正确性。

由于公式(7)及公式(25)的复杂程度较高，在计算机上仿真时，也需要几十秒的计算时间，这对于需要实时计算来对飞行器进行控制的控制器来说是不可接受的。因此，必须提出一种近似的优化方案来代替它，以争取降低计算复杂度，减少计算时间。

考虑公式(25)，观察三个根式，我们容易知道

考虑由t₁,t₂,t₃所张成的三维空间，在这个空间中，上述三个最小值条件构成了三个平面和三个点，这里这三个点重合成为一个点—坐标原点。可以看出，不存在某组t₁,t₂,t₃让三个最小值条件同时成立。因此，可以想象使得Π取最小值的某组(t₁,t₂,t₃)所形成的点就在这三个面与坐标原点之间的某处。因而采用最小二乘法，取到这三张平面和坐标原点“距离”之和为参量函数，对其求导计算，就得到了想要的结果。这里，采用的距离并不是几何意义上的距离，而是代入值之差。具体来说，有下式：

其中，l为由t₁,t₂,t₃所张成的三维空间中，坐标为(x₀,y₀,z₀)的点到P_min、Q_min、R_min三点的距离。

上式分别对x₀,y₀,z₀求偏导数，有

由此可知，到达P_min、Q_min、R_min三点距离之和最近的点的坐标如公式(27)所示，从而得到t₁,t₂,t₃的最优解如下：

在该取值下，即可以达到近似优化的效果，而无须在求解之前的复杂非线性方程组，大大减小了计算量。

进一步地，上述方法可以应用于倾转旋翼机的PID(proportion-integral-derivative，比例-积分-微分)控制器的动力学模型模块中；PID控制是一种由当前偏差来确定输出的控制方法；基于该方法的PID控制器包括：Desired Parameters(期望参数)模块，用于输入期望参数；PIDControl(PID控制)模块，用于实现PID控制算法，也是用来参数整定的模块；基础参数设定模块，用于设定机轴长度，机体质量等基础参数；动力学模型模块，用于实现该倾转旋翼机的动力学模型。

通过MATLAB对上述控制器进行仿真，其中，动力学模型模块的结构示意图如图2所示，其中，U₁,U₂,U₃,U₄,U₅,U₆分别为上述第一对应关系中的飞行参量，它们为该控制器的PID控制模块计算得到；l,k,k_F分别为机轴长度,相对比例系数和力比例系数；t₁,t₂,t₃即为上述自由系数；a,b,c,d,e,f,g,h,m为公式(3)中所示的中间变量；F₁,F₂,F₃,αlpha₁(α₁),αlpha₂(α₂),αlpha₃(α₃),βeta₁(β₁),βeta₂,βeta₃分别为三个旋翼的升力F₁,F₂,F₃和倾角α₁,α₂,α₃,β₁,β₂,β₃；模块A、B、C、D及E分别为通过MATLAB工具建立的计算模块；模块A用于通过得到的U_i并根据近似优化算法输出t_i；模块B用于根据t_i和U_i确定a,b,c,d…的值,进而通过模块C确定F_i,α_i,β_i的值；在模块C之后为各个控制参数添加了饱和限制器，即图3中Saturation模块，用于限制对应的控制参数的取值上下限，其上下限的具体取值可根据实际选用的电机，桨叶等执行机构来进行调整；模块D是电机动力学(Motor Dynamic1)模块，可以从中得到电机的某些参数变化曲线；模块E用于根据之前F_i,α_i,β_i的值对U_i的值进行更新。

进一步地，上述方法还可以应用于倾转旋翼机的基于Backstepping(逐步后推)方法建立的控制器中；Backstepping法又称反步法、反演法、回推法，它是一种鲁棒递推设计方法，它是从离制输入量最远的那个方程开始，通过一步一步地对子系统进行设计，向着控制输入“步”(step back)的方法。即从位于最后的一级开始设计，使其达到渐进稳定，以后再对包括后一级在内的前一级进行设计，使达到渐进稳定，依次类推，直到完成整个控制系统的计。基于该方法设计的控制器包括：期望参量输入模块，参数整定模块，主要负责调参，常数输入模块，机体初始状态输入模块，控制器模块，用于根据控制输入参量的表达式进行控制；动力学模型模块，用于实现实现该倾转旋翼机的动力学模型。

通过MATLAB对上述控制器进行仿真，其中，动力学模型模块的结构示意图如图3所示，其中的输出输出变量与图2中表达含义一致；模块A、B、C、D及E分别为通过MATLAB工具建立的计算模块；模块A用于通过得到的U_i并根据近似优化算法输出t_i；模块B用于根据t_i和U_i确定a,b,c,d…的值,进而通过模块C确定F_i,α_i,β_i的值；在模块C之后为各个控制参数添加了饱和限制器，即图3中Saturation模块，用于限制对应的控制参数的取值上下限，其上下限的具体取值可根据实际选用的电机，桨叶等执行机构来进行调整用以限制执行机构的上下限取值范围；模块D是电机动力学模块(Motor Dynamic1)模块，可以从中得到电机的某些参数变化曲线；模块E用于根据之前F_i,α_i,β_i的值对U_i的值进行更新；由描述可知，该模块功能与PID算法模型中相应的模块功能完全一致。

该方法通过优化冗余的控制参量，降低了控制方法的复杂度，提高了控制效率。

本发明实施例还提供一种控制参量的冗余优化处理装置，该装置设置于倾转旋翼机，其结构示意图如图4所示，包括：参量获取模块400，用于获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量；第一对应关系建立模块402，用于根据倾转旋翼机的动力学模型，建立控制参量与飞行参量的第一对应关系；自由系数确定模块404，用于根据第一对应关系，确定控制参量的自由系数；求取最优解模块406，用于根据预设的优化指标，对自由系数求取最优解；控制参量确定模块408，用于根据最优解，确定最终的控制参量。

具体地，上述控制参量包括第一电机的转速、第二电机的转速、第三电机的转速、第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度、第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度和第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；上述飞行参量包括第一水平方向的合力、第二水平方向的合力、竖直方向的合力、第一水平方向的力矩、第二水平方向的力矩及竖直方向的力矩；第一水平方向与第二水平方向垂直。

本发明实施例提供的一种控制参量的冗余优化处理装置，与上述实施例提供的控制参量的冗余优化处理方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

对应于上述实施例，本发明实施例还提供一种控制参量的冗余优化处理实现装置，包括存储器和处理器，其中，存储器用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器执行，以实现上述方法。

本实施方式提供了一种与上述方法实施方式相对应的控制参量的冗余优化处理实现装置。图5为该实现装置的结构示意图，如图5所示，该设备包括处理器1201和存储器1202；其中，存储器1202用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器执行，以实现上述数据的展示方法。

图5所示的实现装置还包括总线1203和转发芯片1204，处理器1201、转发芯片1204和存储器1202通过总线1203连接。该报文传输的实现装置可以是网络边缘设备。

其中，存储器1202可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。总线1203可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图5中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

转发芯片1204用于通过网络接口与至少一个用户终端及其它网络单元连接，将封装好的IPv4报文或IPv6报文通过网络接口发送至用户终端。

处理器1201可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器1201中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器1201可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施方式中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施方式所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器1202，处理器1201读取存储器1202中的信息，结合其硬件完成前述实施方式的方法的步骤。

本发明实施方式还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，机器可执行指令促使处理器实现上述控制参量的冗余优化处理方法，具体实现可参见方法实施方式，在此不再赘述。

本发明实施方式所提供的控制参量的冗余优化处理装置及实现装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施方式相同，为简要描述，装置实施方式部分未提及之处，可参考前述方法实施方式中相应内容。

在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施方式中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种控制参量的冗余优化处理方法，其特征在于，所述方法应用于倾转旋翼机，包括：

获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量；

根据所述倾转旋翼机的动力学模型，建立所述控制参量与所述飞行参量的第一对应关系；

根据所述第一对应关系，确定所述控制参量的自由系数；

根据预设的优化指标，对所述自由系数求取最优解；

根据所述最优解，确定最终的控制参量；

所述根据所述倾转旋翼机的动力学模型，建立所述控制参量与所述飞行参量的第一对应关系的步骤，包括：

通过下述公式建立所述控制参量与所述飞行参量的第一对应关系：

其中，Γ＝τ₁ cosα₁ cosβ₁-τ₂ cosα₂ cosβ₂+τ₃ cosα₃ cosβ₃，τ₁为第一电机产生的力矩，F₁为第一旋翼的升力；τ₂为第二电机产生的力矩，F₂为第二旋翼的升力；τ₃为第三电机产生的力矩，F₃为第三旋翼的升力；α₁、β₁分别为第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₂、β₂分别为第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₃、β₃分别为第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；U₁为第一水平方向的合力，U₂为第二水平方向的合力、U₃

分别为竖直方向的合力，U₄为第一水平方向的力矩，U₅为第二水平方向的力矩、U₆为竖直方向的力矩，l为机轴长度；

其中，τ_i、F_i分别与第i电机的转速的平方成正比：

τ_i＝dS_i ²(i＝1，2，3)

F_i＝k_FS_i ²(i＝1，2，3)

其中，S_i为第i电机的转速，d、k_F为已知比例系数；

所述根据所述第一对应关系，确定所述控制参量的自由系数的步骤，包括：

采用下述公式计算获得自由系数：

其中，

t₁，t₂，t₃为所述自由系数；k＝d/k_F；

所述根据预设的优化指标，对所述自由系数求取最优解的步骤，包括：

如果所述优化指标包括能量消耗量，建立所述能量消耗量与所述控制参量的第二对应关系；

获取所述能量消耗量最小时，所述自由系数的取值，将所述取值确定为所述自由系数的最优解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制参量包括第一电机的转速、第二电机的转速、第三电机的转速、第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度、第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度和第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；所述飞行参量包括第一水平方向的合力、第二水平方向的合力、竖直方向的合力、第一水平方向的力矩、第二水平方向的力矩及竖直方向的力矩；所述第一水平方向与所述第二水平方向垂直。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述能量消耗量与所述控制参量的第二对应关系的步骤，包括：

通过下述公式建立所述能量消耗量与所述控制参量的第二对应关系：

其中，J为能量消耗量的指标函数，表示0～t_f时间内能量消耗量的大小；L为所述自由系数与能量消耗量相关的函数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取所述能量消耗量最小时，所述自由系数的取值，将所述取值确定为所述自由系数的最优解的步骤，包括：

根据所述第二对应关系，通过计算得到函数L的公式如下：

根据变分法基本原理、所述第二对应关系以及所述函数L的公式，计算得到下述公式，以求取所述自由系数的最优解：

其中，

根据最小二乘法原理，通过近似计算得到当所述能量消耗量近似最小时，所述自由系数的近似最优解：

5.一种控制参量的冗余优化处理装置，其特征在于，所述装置设置于倾转旋翼机，包括：

参量获取模块，用于获取倾转旋翼机的控制参量和飞行参量；

第一对应关系建立模块，用于根据所述倾转旋翼机的动力学模型，建立所述控制参量与所述飞行参量的第一对应关系；

自由系数确定模块，用于根据所述第一对应关系，确定所述控制参量的自由系数；

求取最优解模块，用于根据预设的优化指标，对所述自由系数求取最优解；

控制参量确定模块，用于根据所述最优解，确定最终的控制参量；

所述第一对应关系建立模块还用于：

通过下述公式建立所述控制参量与所述飞行参量的第一对应关系：

其中，Γ＝τ₁ cosα₁ cosβ₁-τ₂ cosα₂ cosβ₂+τ₃ cosα₃ cosβ₃，τ₁为第一电机产生的力矩，F₁为第一旋翼的升力；τ₂为第二电机产生的力矩，F₂为第二旋翼的升力；τ₃为第三电机产生的力矩，F₃为第三旋翼的升力；α₁、β₁分别为第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₂、β₂分别为第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；α₃、β₃分别为第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；U₁为第一水平方向的合力，U₂为第二水平方向的合力、U₃分别为竖直方向的合力，U₄为第一水平方向的力矩，U₅为第二水平方向的力矩、U₆为竖直方向的力矩，l为机轴长度；

其中，τ_i、F_i分别与第i电机的转速的平方成正比：

τ_i＝dS_i ²(i＝1，2，3)

F_i＝k_FS_i ²(i＝1，2，3)

其中，S_i为第i电机的转速，d、k_F为已知比例系数；

所述自由系数确定模块还用于：

采用下述公式计算获得自由系数：

其中，

t₁，t₂，t₃为所述自由系数；k＝d/k_F；

所述求取最优解模块还用于：

如果所述优化指标包括能量消耗量，建立所述能量消耗量与所述控制参量的第二对应关系；

获取所述能量消耗量最小时，所述自由系数的取值，将所述取值确定为所述自由系数的最优解。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制参量包括第一电机的转速、第二电机的转速、第三电机的转速、第一旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度、第二旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度和第三旋翼的水平倾转角度及竖直倾转角度；所述飞行参量包括第一水平方向的合力、第二水平方向的合力、竖直方向的合力、第一水平方向的力矩、第二水平方向的力矩及竖直方向的力矩；所述第一水平方向与所述第二水平方向垂直。

7.一种控制参量的冗余优化处理实现装置，其特征在于，包括存储器和处理器，其中，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行，以实现权利要求1至4任一项所述的方法。

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