CN109189084A - 一种四旋翼机器人软件平台设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四旋翼机器人软件平台设计方法，包括以下步骤：进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态；通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制；根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼动力学模型。本发明具有避免了重新开发算法、提高了开发效率的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及智能制造、自动化控制和智能机器人技术领域，尤其是涉及四旋翼机器人软件平台设计方法及系统。
背景技术
四旋翼机器人具有动力装置，不负载人员和具有四个旋翼的飞行器。它通过利用空气动力来克服自身重量，可遥控或自主飞行，能够携带载荷可一次性或多次回收使用。目前四旋翼机器人软件，从最基本的飞行控制到机体的动力学技术再到空气动力学技术均一般依靠各家公司单独开发。四旋翼机器人其技术缺点在于四旋翼无人机系统各个厂家涉及经济利益，大公司对算法封锁保密均，小公司摸黑探索技术路线。纠其根源软件不开源，导致其控制和运动算法均需要重新开发，即浪费时间，也造成资源浪费。
因此缺少一种四旋翼无人机机器人软件平台设计方法，使用户可以在该四旋翼无人机平台上进行二次开发。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种四旋翼机器人软件平台设计方法，包括以下步骤：
进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态；
通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制；
根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼的非线性运动方程为:
其中，Mx、My和Mz表示四旋翼直升机的合力矩在机体坐标系三个坐标轴上的分量；Fx、Fy和Fz表示作用在四旋翼飞行器上的外力和的分量；u、v和w表示无人机的质心速度分量；p、q和r表示无人机的角速度分量；θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角。
根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼动力学模型，四旋翼动力学模型为:
其中，m表示为旋翼飞行器的质量；为机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的笛卡尔坐标系加速度分量；Ix、Iy和Iz分别表示机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的转动惯量，θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角。
旋翼飞行器的输入为:
其中，T1、T2、T3和T4依次为北、西、南和东方向；b为旋翼的拉力系数；wi为第i个旋翼的转速；d为旋翼升力作用点到质心的距离；l为机械臂长；地面坐标系下旋翼飞行器所受到的阻力FT＝[fTx、fTy、fTz]。
一些实施例中，通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制的步骤中：四旋翼机器人具有两个左端旋翼和两个右端旋翼，其中一个左端旋翼与其相对的右端旋翼为一组，两者逆时针旋转，另一个左端旋翼与其相对的右端的旋翼为一组，两者顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩；
通过增加一组旋翼一端的转速而使另一端减少相同的转速，从而对整个飞行器产生推力；
其中一组旋翼相互之间利用转速差控制横滚速率，而另一组旋翼利利用转速差来控制俯仰速率；
横摆速率通过所述顺时针旋转和所述逆时针旋转的相对速率来控制。
一些实施例中，进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态的步骤中，
地面坐标系和机体坐标系之间的角度用三个欧拉角偏角ψ、俯仰角θ、滚转角φ加以确定：
其中，偏角ψ为机体轴Ox在地面坐标系水平面OXY上的投影线X’与地面坐标系的X轴之间的夹角；俯仰角θ为机体轴与地面坐标系水平面OXY的夹角；滚转角φ为机体轴Oz和机体轴Ox间的夹角；
从而地面坐标系和机体坐标系之间的关系为：
R为地面坐标系和机体坐标系之间的关系转换矩阵。
相应地，本发明还提供一种四旋翼机器人软件平台系统，包括以下模块：
坐标系转换模块，用于进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态；
飞行运动控制模块，通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制；
四旋翼动力学建模模块，用于根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼动力学模型，四旋翼动力学模型为:
其中，m表示为旋翼飞行器的质量；为机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的笛卡尔坐标系加速度分量；Ix、Iy和Iz分别表示机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的转动惯量，θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角。
旋翼飞行器的输入为:
其中，T1、T2、T3和T4依次为北、西、南和东方向；b为旋翼的拉力系数；wi为第i个旋翼的转速；d为旋翼升力作用点到质心的距离；l为机械臂长；地面坐标系下旋翼飞行器所受到的阻力FT＝[fTx、fTy、fTz]。
一些实施例中，飞行运动控制模块进行运动控制的具体过程为：四旋翼机器人具有两个左端旋翼和两个右端旋翼，其中一个左端旋翼与其相对的右端旋翼为一组，飞行运动控制模块控制两者逆时针旋转，另一个左端旋翼与其相对的右端的旋翼为一组，飞行运动控制模块控制两者顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩；
飞行运动控制模块控制增加一组旋翼一端的转速而使另一端减少相同的转速，从而控制整个飞行器产生推力；
其中一组旋翼相互之间利用转速差控制横滚速率，而另一组旋翼利利用转速差来控制俯仰速率；
横摆速率通过所述顺时针旋转和所述逆时针旋转的相对速率来控制。
一些实施例中，坐标系转换模块进行坐标系转换的具体过程为：地面坐标系和机体坐标系之间的角度用三个欧拉角偏角ψ、俯仰角θ、滚转角φ加以确定：
其中，偏角ψ为机体轴Ox在地面坐标系水平面OXY上的投影线X’与地面坐标系的X轴之间的夹角；俯仰角θ为机体轴与地面坐标系水平面OXY的夹角；滚转角φ为机体轴Oz和机体轴Ox间的夹角；
从而地面坐标系和机体坐标系之间的关系为：
其中，R为地面坐标系和机体坐标系之间的关系转换矩阵。
更加地，本发明还提供一种四旋翼机器人，该四旋翼机器人具有上述的四旋翼机器人软件平台系统。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供的四旋翼机器人软件平台能够实现的有益效果：
本发明的四旋翼机器人软件平台，适用于大多数无人机，避免了重新开发算法，益于二次开发，提高了开发效率。
附图说明
图1是本发明四旋翼机器人软件平台坐标系转换示意图；
图2是本发明四旋翼机器人一个实施例的结构图；
图3是本发明四旋翼机器人系统软件平台一个实施例的系统框图。
具体实施方式
本发明提供一种四旋翼机器人软件平台设计方法，使用该软件平台设计方法构建的软件平台，用户在掌握了平台架构与接口以后，可以很方便的进行二次开发。
本发明的四旋翼机器人软件平台的设计方法具体包括：
进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态。请参阅图1，为本发明四旋翼机器人软件平台坐标系转换示意图，展示了四旋翼机器人的机体平面图、机体坐标系、地面坐标系。
四旋翼机器人的姿态角、飞行速度的大小和方向等参数总是和坐标系联系在一起的，要确切的描述飞机的运动状态，就要先建立适当的坐标轴系。在四旋翼机器人飞行运动控制的过程中,对于描述地面坐标系和机体坐标系之间的关系的角度可用如下定义的三个欧拉角加以确定。
偏角ψ—机体轴Ox在地面坐标系水平面OXY上的投影线X’与X轴之间的夹角；
俯仰角θ—机体轴Ox与地面坐标系水平面OXY的夹角；
滚转角φ—机体轴Oz和包含机体轴Ox间的夹角。
其中，R为地面坐标系和机体坐标系之间的关系转换矩阵。
如图2所示，是四旋翼飞行器的典型结构。通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制。四旋翼机器人四个旋翼呈十字平均分布的旋翼取代了传统的单独的旋翼，对机身产生单独的力和力矩。四旋翼直升机通过改变旋翼转速来控制飞行器的姿态，且四个旋翼的动态特性高度祸合。
四旋翼机器人具有两个左端旋翼和两个右端旋翼，其中一个左端旋翼与其相对的右端旋翼为一组，两者逆时针旋转，另一个左端旋翼与其相对的右端的旋翼为一组，两者顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩。通过增加一组旋翼一端的转速而使另一端减少相同的转速，从而对整个飞行器产生推力。其中一组旋翼相互之间利用转速差控制横滚速率，而另一组旋翼利利用转速差来控制俯仰速率。横摆速率通过所述顺时针旋转和所述逆时针旋转的相对速率来控制。
在本发明的一个实施例中，图2中通过数字1、2、3、4来表示旋翼，其中前端旋翼1和后端旋翼3逆时针旋转，而左端旋翼2和右端的旋翼4顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩。通过增加一组旋翼(前后旋翼1，3或左右旋翼2，4)其中一端的转速而使另一端减少相同的转速，可对整个飞行器产生推力。左端旋翼2与右端4相互之间利用转速差控制横滚速率，而前端旋翼1，后端旋翼3利用转速差来控制俯仰速率。而横摆速率则通过顺时针旋转和逆时针旋转的相对速率来控制四旋翼机器人还通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制。
在图2所示的四旋翼机器人的实施例中，对于四旋翼机器人的几种状态的控制过程如下。
垂直升降与悬停：同时增加或减少四旋翼的旋翼电机输出功率，使得转子转速随着增加或者减少，转子转速增加，张力变大，至使总力变化，大于或小于重力飞机，四旋翼无人机垂直升降；而拉力等于飞机重力时，四旋翼直升机实现悬停。
前后和侧向：为了使得四旋翼无人机在水平面上的实现平移运动。四旋翼机器人必须在水平面上施加力。当转子3转速提高时，张力增大，前转子1转速降低了，张力降低，其余两电机转速保持不变，扭矩保持平衡。首先，要有一定的倾斜程度，使旋翼产生一个水平分量的无人机前后运动。由于结构对称，侧向运动原理类似，水平旋转的控制方式。
水平旋转：左右转子电机输出功率，输出功率相同。前后转子(1和3)升降和左右转子(第二和第4)电梯。前后旋翼(1和3)对机身的反力矩大于左右翼(第2和第4)体扭矩。无人机会实现水平旋转，水平旋转的控制方式。
横向飞行与俯仰运动：电机转子1转速提高，电机转子3转速下降。电机转子2和电机转子4转速保持不变。为了不改变四旋翼无人机整体转子的总转矩和，转子1和转子3的速度该变量应该相等。使右侧拉力小于左侧总拉力，从而左侧拉力改变，相应的减机身会向右侧俯仰倾斜。同理，横向飞行与俯仰运动的控制方式一致。
本发明的四旋翼机器人软件平台设计方法中，还根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼动力学模型。
具体地，由于四旋翼飞行器为非线性系统,所以对整个系统建立动力学模型比较复杂，该公式是简化动力学模型。
根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼的非线性运动方程为:
其中，Mx、My和Mz表示四旋翼直升机的合力矩在机体坐标系三个坐标轴上的分量；Fx、Fy和Fz表示作用在四旋翼飞行器上的外力和的分量；u、v和w表示无人机的质心速度分量；p、q和r表示无人机的角速度分量；θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角。
本发明中建立的四旋翼动力学模型为:
其中，m表示为旋翼飞行器的质量；为机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的笛卡尔坐标系加速度分量；Ix、Iy和Iz分别表示机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的转动惯量，θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角。
旋翼飞行器的输入为:
其中，T1、T2、T3和T4依次为北、西、南和东方向；b为旋翼的拉力系数；wi为第i个旋翼的转速；d为旋翼升力作用点到质心的距离；l为机械臂长；地面坐标系下旋翼飞行器所受到的阻力FT＝[fTx、fTy、fTz]。
此外，本发明还提供了一种四旋翼机器人软件平台系统，包括以下模块：
坐标系转换模块，用于进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态。飞行运动控制模块进行运动控制的具体过程为：四旋翼机器人具有两个左端旋翼和两个右端旋翼，其中一个左端旋翼与其相对的右端旋翼为一组，飞行运动控制模块控制两者逆时针旋转，另一个左端旋翼与其相对的右端的旋翼为一组，飞行运动控制模块控制两者顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩。飞行运动控制模块控制增加一组旋翼一端的转速而使另一端减少相同的转速，从而控制整个飞行器产生推力。其中一组旋翼相互之间利用转速差控制横滚速率，而另一组旋翼利利用转速差来控制俯仰速率。横摆速率通过所述顺时针旋转和所述逆时针旋转的相对速率来控制。
飞行运动控制模块，通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制。飞行运动控制模块根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼的非线性运动方程为:
其中，Mx、My和Mz表示四旋翼直升机的合力矩在机体坐标系三个坐标轴上的分量；Fx、Fy和Fz表示作用在四旋翼飞行器上的外力和的分量；u、v和w表示无人机的质心速度分量；p、q和r表示无人机的角速度分量；θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角。
四旋翼动力学建模模块，用于根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼动力学模型，四旋翼动力学模型为:
其中，m表示为旋翼飞行器的质量；为机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的笛卡尔坐标系加速度分量；Ix、Iy和Iz分别表示机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的转动惯量，θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角。
旋翼飞行器的输入为:
其中，T1、T2、T3和T4依次为北、西、南和东方向；b为旋翼的拉力系数；wi为第i个旋翼的转速；d为旋翼升力作用点到质心的距离；l为机械臂长；地面坐标系下旋翼飞行器所受到的阻力FT＝[fTx、fTy、fTz]。
如图3所示，为采用本发明四旋翼机器人平台系统的四旋翼无人机控制系统结构框图。该四旋翼机器人控制平台分为两个部分：RBP(robot base platform)：机器人基础控制平台，既四旋翼机器人最小平台，该平台辅助提供机器人运动、通信、编程、操作的基础功能、应用功能和统一的二次开发接口。其中主要包括：机器人运动学、机器人指令系统、手臂运动控制、地盘控制、激光系统、机器人执行和示教线程等部分。RSP(robot serverplatform)：机器人服务控制平台，该平台包含ECAT总线、Canopen总线，上电逻辑等部分。平台内部的功能控制系统采用E600板卡为控制器，同时配以电池电量监控模块、传感器采集模块、电机双轴驱动模块和信号转接模块等板卡完成整体机器人的运动控制和信息处理。
本发明的四旋翼机器人软件平台系统还包括捷联惯导模块。捷联惯导是不依赖于外部信息，依靠牛顿定律能够通过捷联惯导模块的陀螺仪、加速度计和运算器计算出无人机的航向、姿态和角速度等位姿信息。捷联惯导模块具有重量轻、成本低和维护方便等优点。
本文发明的是一种提供四旋翼机器人软件平台系统。该平台支持不仅支持四旋翼机器人，而且支持直升机、旋翼式飞机、软式小型飞船以及其它飞行器。利用该平台，用户在掌握了平台架构与接口以后，可以很方便的进行二次开发。
本发明的四旋翼机器人软件平台系统能够实现的有益效果：
(1)、采用四旋翼机器人通用软件平台，适用于大多数无人机，避免了各大高校重新开发算法，益于二次开发，提高了开发效率。
(2)、采用捷联惯导技术，能够保证四旋翼无人机进行粗定位导航。
本发明还包括一种四旋翼机器人，具有上述的四旋翼机器人软件平台系统。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种四旋翼机器人软件平台设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态；
通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制；
根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼的非线性运动方程为:
其中，Mx、My和Mz表示四旋翼直升机的合力矩在机体坐标系三个坐标轴上的分量；Fx、Fy和Fz表示作用在四旋翼飞行器上的外力和的分量；u、v和w表示无人机的质心速度分量；p、q和r表示无人机的角速度分量；θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角；
根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼动力学模型，四旋翼动力学模型为:
其中，m表示为旋翼飞行器的质量；和为机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的笛卡尔坐标系加速度分量；Ix、Iy和Iz分别表示机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的转动惯量，θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角；
旋翼飞行器的输入为：
其中，T1、T2、T3和T4依次为北、西、南和东方向；b为旋翼的拉力系数；wi为第i个旋翼的转速；d为旋翼升力作用点到质心的距离；l为机械臂长；地面坐标系下旋翼飞行器所受到的阻力FT＝[fTx、fTy、fTz]。
2.根据权利要求1所述的四旋翼机器人软件平台设计方法，其特征在于，通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制的步骤中：
四旋翼机器人具有两个左端旋翼和两个右端旋翼，其中一个左端旋翼与其相对的右端旋翼为一组，两者逆时针旋转，另一个左端旋翼与其相对的右端的旋翼为一组，两者顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩；
通过增加一组旋翼一端的转速而使另一端减少相同的转速，从而对整个飞行器产生推力；
其中一组旋翼相互之间利用转速差控制横滚速率，而另一组旋翼利利用转速差来控制俯仰速率；
横摆速率通过所述顺时针旋转和所述逆时针旋转的相对速率来控制。
3.根据权利要求1所述的四旋翼机器人软件平台设计方法，其特征在于，进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态的步骤中，
地面坐标系和机体坐标系之间的角度用三个欧拉角偏角ψ、俯仰角θ、滚转角φ加以确定：
其中，偏角ψ为机体轴Ox在地面坐标系水平面OXY上的投影线X’与地面坐标系的X轴之间的夹角；俯仰角θ为机体轴与地面坐标系水平面OXY的夹角；滚转角φ为机体轴Oz和机体轴Ox间的夹角；
从而地面坐标系和机体坐标系之间的关系为：
R为地面坐标系和机体坐标系之间的关系转换矩阵。
4.一种四旋翼机器人软件平台系统，其特征在于，包括以下模块：
坐标系转换模块，用于进行机体平面图、机体坐标系、地面坐标系的坐标系转换，以便描述飞机的运动状态；
飞行运动控制模块，通过改变旋翼转速来进行飞行运动控制，根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼的非线性运动方程为:
其中，Mx、My和Mz表示四旋翼直升机的合力矩在机体坐标系三个坐标轴上的分量；Fx、Fy和Fz表示作用在四旋翼飞行器上的外力和的分量；u、v和w表示无人机的质心速度分量；p、q和r表示无人机的角速度分量；θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角
四旋翼动力学建模模块，用于根据坐标系转换及飞行运动控制数据，建立的四旋翼动力学模型，四旋翼动力学模型为:
其中，m表示为旋翼飞行器的质量；和为机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的笛卡尔坐标系加速度分量；Ix、Iy和Iz分别表示机体坐标系中Xb轴、Yb轴、Zb轴的转动惯量，θ和ψ分别表示滚转角、俯仰角和偏角
旋翼飞行器的输入为:
其中，T1、T2、T3和T4依次为北、西、南和东方向；b为旋翼的拉力系数；wi为第i个旋翼的转速；d为旋翼升力作用点到质心的距离；l为机械臂长；地面坐标系下旋翼飞行器所受到的阻力FT＝[fTx、fTy、fTz]。
5.根据权利要求4所述的四旋翼机器人软件平台系统，其特征在于，飞行运动控制模块进行运动控制的具体过程为：四旋翼机器人具有两个左端旋翼和两个右端旋翼，其中一个左端旋翼与其相对的右端旋翼为一组，飞行运动控制模块控制两者逆时针旋转，另一个左端旋翼与其相对的右端的旋翼为一组，飞行运动控制模块控制两者顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的转矩；
飞行运动控制模块控制增加一组旋翼一端的转速而使另一端减少相同的转速，从而控制整个飞行器产生推力；
其中一组旋翼相互之间利用转速差控制横滚速率，而另一组旋翼利利用转速差来控制俯仰速率；
横摆速率通过所述顺时针旋转和所述逆时针旋转的相对速率来控制。
6.根据权利要求4所述的四旋翼机器人软件平台系统，其特征在于，坐标系转换模块进行坐标系转换的具体过程为：地面坐标系和机体坐标系之间的角度用三个欧拉角偏角ψ、俯仰角θ、滚转角φ加以确定：
其中，偏角ψ为机体轴Ox在地面坐标系水平面OXY上的投影线X’与地面坐标系的X轴之间的夹角；俯仰角θ为机体轴与地面坐标系水平面OXY的夹角；滚转角φ为机体轴Oz和机体轴Ox间的夹角；
从而地面坐标系和机体坐标系之间的关系为：
R为地面坐标系和机体坐标系之间的关系转换矩阵。
7.一种四旋翼机器人，其特征在于，所述四旋翼机器人具有如权利要求4-6任一项所述的四旋翼机器人软件平台系统。
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