CN110723309A - 一种四旋翼无人机转动惯量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四旋翼无人机转动惯量测量方法，包括下述步骤：根据无人机动力学模型和运动学模型，建立转动惯量与角速度、角加速度间的关系表达式；进行飞行测试，采集数据；起飞前，先校准传感器；使用最小二乘法和近邻法处理四旋翼无人机处于机动飞行状态的数据，得到它三个轴的转动惯量最优解；本发明所使用的测量方法基于四旋翼无人机的实际飞行，能解决现有测量装置设备存在摩擦误差的问题，提高了测量精度，更贴近真实状态；可以在仅有一套四旋翼无人机的情况下完成转动惯量的测量任务，在一定程度上简化测量设备与步骤，降低研发成本。

Description

一种四旋翼无人机转动惯量测量方法

技术领域

本发明涉及小型无人机技术领域，具体涉及一种四旋翼无人机转动惯量测量方法。

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，可以只通过调节四个旋翼的转速，实现对四旋翼飞行姿态的控制，其具有外形紧凑、机动性能好、结构简单等优点。与固定翼飞行器相比，四旋翼的控制相对简单，只需调节其四个旋翼转速即可实现对四旋翼飞行姿态的控制。为使得四旋翼能够按照设计的姿态与轨迹进行飞行，必须首先对四旋翼进行建模，然后根据得到的模型设计飞行控制系统并进行仿真验证。为了使模型更准确，需要对模型的参数进行测量或者识别。

公开号为CN109720603A的中国专利公开了一种四旋翼无人机参数辨识与姿态控制实验验证装置，该装置由四个活动杆、三个固定杆，五个活动点组成，四旋翼无人机固定于在转置上，在无人机自身推力作用下，通过活动点运动，可在位置不变情况下，实现三个姿态角(俯仰角、滚转角和偏航角)的任意角度运动。可用于四旋翼无人机姿态控制实验验证，四旋翼无人机转动惯量参数识别，旋转运动空气阻力系数辨识等。该装置可以辨识四旋翼无人机转动惯量参数识别、空气阻力系数，但由于该装置活动部件间存在摩擦，使得辨识得到的转动惯量参数与实际值存在着一定的误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种四旋翼无人机转动惯量测量方法，该方法能够解决现有测量装置设备存在摩擦误差的问题，提高了测量精度，可在仅有一套四旋翼无人机的情况下完成转动惯量的测量任务，一定程度上简化测量步骤，大大地降低研发成本。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种四旋翼无人机转动惯量测量方法，包括下述步骤：

S1，根据无人机动力学模型和运动学模型，建立转动惯量与角速度、角加速度间的关系表达式；

S2，进行飞行测试，采集数据；起飞前，先校准传感器：陀螺仪、加速度计、磁罗盘和气压计，消除陀螺仪所存在的零偏移误差、标定加速度计的量程与刻度、标记来自无人机自身针对磁罗盘的电磁干扰源；控制无人机做稳定的悬停飞行，分别对每个轴设置阶跃输入，即单独控制无人机的每个欧拉角，记录无人机的响应；并在采集数据过程中，使用滤波器对传感器原始数据进行滤波；为减少后期计算量，在保存无人机飞行数据前，先判断四旋翼无人机是否处于机动飞行状态，仅保存四旋翼无人机处于机动飞行状态的数据；

S3，使用最小二乘法，解超定方程组，并结合近邻法得到四旋翼飞行器三个轴转动惯量的最优解。

优选地，所述S1中，根据无人机动力学模型和运动学模型，建立相关方程式：

上式中，ω_x、ω_y、ω_z分别为无人机三个坐标轴上的角速度；I_xx、I_yy、I_zz分别为通过无人机重心三个坐标轴上的转动惯量；ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为四个螺旋桨的转速；k_f、k_m分别为螺旋桨升力系数和反扭矩阻力系数，为已测得量；Δt为数据采样间隔。

优选地，所述S2中，无人机内部飞行控制模块安装有黑匣子，可记录IMU、欧拉角、四元数的数据，飞行控制模块将在Δt的时间间隔下储存数据。

优选地，所述S3中，使用最小二乘法并结合近邻法得到四旋翼飞行器三个轴转动惯量的最优解，具体为：

S31，在所有已采集数据中，顺序选取1个样本数据，同时随机选取3个样本数据，保证每个有效数据都使用到；

S32，使用最小二乘法求解转动惯量，代入数据，求解方程组ax＝b，式中，

x＝[I_xx,I_yy,I_zz]^T

对于每一组有效数据，方程式皆有解；使用每组有效数据对方程进行扩充，有Ax＝B；

式中，

其中，A_12×3为12行3列矩阵，Ax＝B为超定方程，转化为求最优值问题；

测量误差可近似看作高斯噪声，取使残差的2范数极小值的解：

||AX^*＝B||₂＝min||AX^*＝B||₂

求得方程组最小二乘解，并记录下：

X＝(A^TA)^-1A^TB；

S33，重复操作S31和S32，直到顺序选取的样本达到采集数据的末尾；

S34，然后在解集中顺序选取样本，求得解集所有样本与它的距离，并将小于某个阈值的样本作为相邻点，并记下该样本的相邻点数量；

S35，取相邻点数量最多者为最优解，即为测量计算的转动惯量。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)本发明所使用的测量方法基于四旋翼无人机的实际飞行，能解决现有测量装置设备存在摩擦误差的问题，提高了测量精度，更贴近真实状态；

(2)本发明可以在仅有一套四旋翼无人机的情况下完成转动惯量的测量任务，在一定程度上简化测量设备与步骤，降低研发成本。

附图说明

图1为本发明的转动惯量测量流程图；

图2为本发明转动惯量测量的求解优化算法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～2所示，一种四旋翼无人机转动惯量测量方法，包括下述步骤：

步骤一，根据无人机动力学模型和运动学模型，建立转动惯量与角速度、角加速度间的关系表达式；

根据无人机动力学模型和运动学模型，建立相关方程式：

上式中，ω_x、ω_y、ω_z分别为无人机三个坐标轴上的角速度；I_xx、I_yy、I_zz分别为通过无人机重心三个坐标轴上的转动惯量；ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为四个螺旋桨的转速；k_f、k_m分别为螺旋桨升力系数和反扭矩阻力系数，为已测得量；Δt为数据采样间隔。

步骤二，进行飞行测试，采集数据；起飞前，先校准传感器：陀螺仪、加速度计、磁罗盘和气压计，消除陀螺仪所存在的零偏移误差、标定加速度计的量程与刻度、标记来自无人机自身针对磁罗盘的电磁干扰源；控制无人机做稳定的悬停飞行，分别对每个轴设置阶跃输入，即单独控制无人机的每个欧拉角，记录无人机的响应；并在采集数据过程中，使用滤波器对传感器原始数据进行滤波；为减少后期计算量，在保存无人机飞行数据前，先判断四旋翼无人机是否处于机动飞行状态，仅保存四旋翼无人机处于机动飞行状态的数据；

无人机内部飞行控制模块安装有黑匣子，可记录IMU、欧拉角、四元数的数据，飞行控制模块将在Δt的时间间隔下储存数据。

步骤三，使用最小二乘法，解超定方程组，并结合近邻法得到四旋翼飞行器三个轴转动惯量的最优解。

使用最小二乘法并结合近邻法得到四旋翼飞行器三个轴转动惯量的最优解，具体为：

(1)在所有已采集数据中，顺序选取1个样本数据，同时随机选取3个样本数据，保证每个有效数据都使用到；

(2)使用最小二乘法求解转动惯量，代入数据，求解方程组ax＝b，式中，

x＝[I_xx,I_yy,I_zz]^T

对于每一组有效数据，方程式皆有解；使用每组有效数据对方程进行扩充，有Ax＝B；

式中，

其中，A_12×3为12行3列矩阵，Ax＝B为超定方程，转化为求最优值问题；

测量误差可近似看作高斯噪声，取使残差的2范数极小值的解：

||AX^*＝B||₂＝min||AX^*＝B||₂

求得方程组最小二乘解，并记录下：

X＝(A^TA)^-1A^TB；

(3)重复操作S31和S32，直到顺序选取的样本达到采集数据的末尾；

(4)然后在解集中顺序选取样本，求得解集所有样本与它的距离，并将小于某个阈值的样本作为相邻点，并记下该样本的相邻点数量；

(5)取相邻点数量最多者为最优解，即为测量计算的转动惯量。

具体来说，如图1所示，为本发明一种四旋翼无人机转动惯量测量方法实现的结构框图。开始采集飞行数据前，先校准四旋翼无人机传感器。使用椭球拟合法拟合加速度计、磁罗盘在所处环境下的值，计算出两者在各个方向的偏差与刻度。

为解除耦合现象并提高数据采集效率，飞行过程中，对欧拉角的控制输入分次进行，使四旋翼无人机处于机动动作飞行状态。为保证飞行控制模块能完整地保存数据帧，需要数据记录时间间隔Δt足够大，且又要保证数据的储存密度，在本实例中，Δt选择5ms；先在悬停飞行状态下测量计算得到最优滤波器参数，再使用该一维卡尔曼滤波器对传感器信号进行滤波，消除由于电源波动、振动等原因引起的传感器测量误差；若在采样间隔Δt前后测得的速度差|Δω|≥ω₀，则认为四旋翼无人机正处于机动飞行状态，保存当前数据到飞行控制板黑匣子里；若在采样间隔Δt前后测得的速度差|Δω|＜ω₀，四旋翼无人机角速度变化较小，可认为处于稳定飞行状态，此时采集的数据对转动惯量的测量来说是无效的。

如图2所示，为本发明的转动惯量测量的求解优化算法流程图，在所有已采集数据中，顺序选取1个样本数据，同时随机选取3个样本数据，保证每个有效数据皆使用到；再使用最小二乘法求解转动惯量，代入数据，超定方程组Ax＝B，方程组最小二乘解，并记录下解：

X＝(A^TA)^-1A^TB

重复选取样本数据，直到顺序选取的样本达到采集数据的末尾，得到四旋翼无人机转动惯量解集；然后在解集中顺序历遍选取样本，求得解集所有样本与它的距离，并将小于阈值R的样本，作为相邻点，并记下该样本的相邻点数量；选取相邻点数量为最多的解，作为测量计算转动惯量的最优值。

如表1所示，表示处于机动飞行时储存在黑匣子数据帧结构，包括帧头标志位、数据长度、时间、角速度、数据校验位。记录时间用来确保数据帧时效与区别性；使用和校验，确保数据在保存过程没有出现错误。

表1黑匣子储存数据表

起始位	含义	长度(Bye)	备注
				1	FLAG	4	帧头标志位
5	LENG	4	帧长度
				9	TIME	32	时间
41	GYRO_X	32	X轴角速度数据
				73	GYRO_Y	32	Y轴角速度数据
105	GYRO_Z	32	Z轴角速度数据
				137	CRC	8	数据校验位

本发明所使用的测量方法基于四旋翼无人机的实际飞行，能解决现有测量装置设备存在摩擦误差的问题，提高了测量精度，更贴近真实状态；可以在仅有一套四旋翼无人机的情况下完成转动惯量的测量任务，在一定程度上简化测量设备与步骤，降低研发成本。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种四旋翼无人机转动惯量测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1，根据无人机动力学模型和运动学模型，建立转动惯量与角速度、角加速度间的关系表达式；

S2，进行飞行测试，采集数据；起飞前，先校准传感器：陀螺仪、加速度计、磁罗盘和气压计，消除陀螺仪所存在的零偏移误差、标定加速度计的量程与刻度、标记来自无人机自身针对磁罗盘的电磁干扰源；控制无人机做稳定的悬停飞行，分别对每个轴设置阶跃输入，即单独控制无人机的每个欧拉角，记录无人机的响应；并在采集数据过程中，使用滤波器对传感器原始数据进行滤波；为减少后期计算量，在保存无人机飞行数据前，先判断四旋翼无人机是否处于机动飞行状态，仅保存四旋翼无人机处于机动飞行状态的数据；

S3，使用最小二乘法，解超定方程组，并结合近邻法得到四旋翼飞行器三个轴转动惯量的最优解。

2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机转动惯量测量方法，其特征在于，所述S1中，根据无人机动力学模型和运动学模型，建立相关方程式：

上式中，ω_x、ω_y、ω_z分别为无人机三个坐标轴上的角速度；I_xx、I_yy、I_zz分别为通过无人机重心三个坐标轴上的转动惯量；ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为四个螺旋桨的转速；k_f、k_m分别为螺旋桨升力系数和反扭矩阻力系数，为已测得量；Δt为数据采样间隔。

3.根据权利要求1所述的四旋翼无人机转动惯量测量方法，其特征在于，所述S2中，无人机内部飞行控制模块安装有黑匣子，可记录IMU、欧拉角、四元数的数据，飞行控制模块将在Δt的时间间隔下储存数据。

4.根据权利要求1所述的四旋翼无人机转动惯量测量方法，其特征在于，所述S3中，使用最小二乘法并结合近邻法得到四旋翼飞行器三个轴转动惯量的最优解，具体为：

S31，在所有已采集数据中，顺序选取1个样本数据，同时随机选取3个样本数据，保证每个有效数据都使用到；

S32，使用最小二乘法求解转动惯量，代入数据，求解方程组ax＝b，式中，

x＝[I_xx,I_yy,I_zz]^T

对于每一组有效数据，方程式皆有解；使用每组有效数据对方程进行扩充，有Ax＝B；

式中，

其中，A_12×3为12行3列矩阵，Ax＝B为超定方程，转化为求最优值问题；

测量误差可近似看作高斯噪声，取使残差的2范数极小值的解：

||AX^*＝B||₂＝min||AX^*＝B||₂

求得方程组最小二乘解，并记录下：

X＝(A^TA)^-1A^TB；

S33，重复操作S31和S32，直到顺序选取的样本达到采集数据的末尾；

S34，然后在解集中顺序选取样本，求得解集所有样本与它的距离，并将小于某个阈值的样本作为相邻点，并记下该样本的相邻点数量；

S35，取相邻点数量最多者为最优解，即为测量计算的转动惯量。

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