CN113031636B - 无人机控制方法、装置、电子设备、无人机和存储介质 - Google Patents

无人机控制方法、装置、电子设备、无人机和存储介质 Download PDF

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CN113031636B CN202110226811.3A CN202110226811A CN113031636B CN 113031636 B CN113031636 B CN 113031636B CN 202110226811 A CN202110226811 A CN 202110226811A CN 113031636 B CN113031636 B CN 113031636B
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Abstract

本发明涉及无人机控制领域，提供了一种无人机控制方法、装置、电子设备、无人机和存储介质。包括：根据无人机质量、期望高度、实际高度、位置环比例系数、微分系数、期望速度、实际速度，计算期望升力；根据横向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，纵向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；根据期望姿态角、实际姿态角、姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；根据期望角速度、实际角速度、无人机转动惯量，计算期望力矩；对期望升力、期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速。用于解决多旋翼共轴双桨无人机的控制分配问题。

Description

无人机控制方法、装置、电子设备、无人机和存储介质
技术领域
本发明涉及无人机的飞行控制技术领域，尤其涉及一种无人机控制方法、装置、电子设备、无人机和存储介质。
背景技术
多旋翼无人机是通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速，实现升力的变化，从而控制飞行姿态。现有技术提出的无人机分配控制方法主要针对多旋翼单桨无人机，这种结构的无人机结构设计简单，但是动力冗余度较小，容易发生安全事故。相比之下，多旋翼共轴双桨无人机在相同的工作尺寸下，拥有更大的有效载荷，而在相同有效载荷下，其旋翼转速低于多旋翼单桨无人机，因此产生的噪音更小，拥有较好的静音性；同时由于多旋翼共轴双桨无人机旋翼面积更大，所以它的飞行效率更高；尤其在飞行器尺寸较大的情况下，这种结构相对于多旋翼单桨的优势会更明显。
现有技术中，只有多旋翼单桨无人机的控制分配方法，但是并没有提出针对多旋翼共轴双桨无人机的控制分配方法。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种无人机控制方法、装置、电子设备、无人机和存储介质。
第一方面，本申请提供了一种无人机控制方法，所述方法包括：
根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力；
根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；
根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；
根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩；
对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速。
可选的，所述根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力，包括：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，/>表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度。
可选的，所述根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角，包括：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，为纵向实际速度。
可选的，所述根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度，包括：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角。
可选的，所述根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩，包括：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际姿态角的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩。
可选的，所述对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
第二方面，本申请提供了一种无人机控制装置，所述装置包括：
获取期望升力模块，用于根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力；
获取期望姿态角度模块，用于根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；
获取期望角速度模块，用于根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；
获取期望力矩模块，用于根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩；
控制分配模块，用于对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速。
可选的，所述根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力，包括：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，/>表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度。
可选的，所述根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角，包括：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，为纵向实际速度。
可选的，所述根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度，包括：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角。
可选的，所述根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩，包括：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际姿态角的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩。
可选的，所述对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器处理执行所述计算机程序时实现如本申请第一方面所提供的无人机控制方法的步骤。
第四方面，本申请提供了一种无人机，该无人机设置有如第三方面提供的电子设备。
第五方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请第一方面所提供的无人机控制方法的步骤。
本申请提供的技术方案达到的技术效果如下：
本申请提供的无人机控制方法，首先根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、位置环微分系数、期望高度、实际高度、垂直方向的期望速度和实际速度，计算期望升力；然后根据横向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，纵向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；接着根据期望姿态角、实际姿态角、姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；再根据期望角速度、实际角速度、无人机转动惯量，计算期望力矩；最后通过对期望升力和期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到各个电机的转速，将各个旋翼的电机转速分配到多旋翼共轴双桨无人机相应的执行机构，进而实现对多旋翼共轴双桨无人机的有效控制，推动了此类构型的无人机从理论设计到实际飞行实验的进步。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施例提供的一种无人机控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种具有八对共轴双桨的无人机结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种无人机控制装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在一个实施例中，本发明实施例提供了一种无人机控制方法。如图1所示，该无人机控制方法包括以下步骤：
S101、根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力。
其中，所述期望升力就是垂直方向的分力，即拉升力，可以通过无人机质量、垂直方向的加速度计算得到。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力，包括：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，与m相乘的表达式的物理意义是垂直方向的加速度，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，/>表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度。
具体的，获取无人机的期望高度和垂直方向的期望速度，并分别与GPS和惯导构成的组合导航系统反馈的无人机的实际高度、实际垂直方向的速度相减，分别得到高度控制误差和垂直方向的速度控制误差，根据所述高度控制误差和所述垂直方向的速度控制误差，以及垂直方向的位置环比例系数等参数计算得到期望升力。
S102、根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角。
其中，横向为惯性系中东向的x轴，纵向为惯性系中北向的y轴。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角，包括：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，为纵向实际速度。
具体的，获取无人机水平方向的期望位置和水平方向的期望速度，并分别与GPS和惯导组成的组合导航系统反馈的无人机的实际位置和实际水平方向的速度相减，分别得到水平位置的距离控制误差和水平方向的速度控制误差，利用所述水平位置的距离控制误差和所述水平方向的速度控制误差，以及水平方向位置环比例系数等参数计算得到期望俯仰角和期望横滚角。
S103、根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度。
其中，姿态角包括：俯仰角、横滚角、偏航角。姿态角对应的姿态环比例系数包括：俯仰角对应的姿态环比例系数、横滚角对应的姿态环比例系数、偏航角对应的姿态环比例系数。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度，包括：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角。
具体的，利用航向角控制器获取期望偏航角，所述期望俯仰角、期望横滚角、期望偏航角统称为期望姿态角，将所述期望姿态角与GPS和惯导组成的组合导航系统反馈的实际姿态角相减得到姿态角控制误差，根据所述姿态角控制误差，以及各姿态角对应的姿态环比例系数计算得到期望姿态角的角速度。
S104、根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩。
其中，所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩，包括：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际姿态角的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩。
具体的，将所述期望角速度与惯性测量单元(IMU)反馈的角速度相减，得到姿态角的角速度控制误差，根据所述姿态角的角速度控制误差，以及转动惯量等参数计算得到三个轴向的期望力矩。
S105、对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速。
其中，控制分配矩阵，对于被控对象而言，最终驱动执行机构的控制指令，由多个控制回路的控制器输出的某种组合关系决定，该组合关系称之为控制分配矩阵。
由于共轴双桨无人机拥有多个动力执行机构，根据不同的几何分布结构，能够产生多种动力组合方式。因此，针对不同的结构布局，需要求解不同的控制分配矩阵，以给出最合理的控制输出组合方式。
示例性的，本实施例中无人机的执行机构是电机，通过控制电机转速来实现飞机的姿态变化，进而控制飞机的速度、位置，所以控制分配的作用就是根据电机的转速上下限将期望升力、三轴期望力矩映射到电机的转速上。
作为本发明实施例一种可选的实施方式，所述对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
所述对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
示例性的，本实施例中选取的无人机由八对共轴双桨旋翼组成，如图2所示，每一对共轴旋翼由上下两颗电机背对背同轴心设置，两颗电机上各安装上旋翼和下旋翼，根据同轴同升力，八对共轴旋翼扭矩自平衡的气动布局，无人机的上旋翼和下旋翼旋转速度相同，方向相反，同平面相邻旋翼(如上平面1号桨和3号桨，下平面2号桨和4号桨)的旋转方向相反。由于飞机的坐标系决定了电机的顺序，因此定义xyz的正方向为“前右下”，x轴选取在两对旋翼轴之间，y轴与x轴垂直，则各个旋翼同共轴双桨飞行器的x轴夹角依次为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°。根据上述无人机结构，将所述期望升力以及所述期望力矩组成四个控制指令，采用控制分配方法将所述四个控制指令分配到十六个电机上，可以得到期望升力和各轴力矩与电机转速之间的关系，即所述第一关系式具体为：
其中，ct为推力系数，cm为旋翼动力系统扭矩与拉力的比例系数，d为无人机机体中心到电机的距离。
进一步地，由于上述新构型无人机是一个典型的动力冗余系统，控制分配的解不唯一。因此第一关系式的控制分配矩阵M不可逆，为了得到控制分配的唯一解，需要增加更多约束条件，可以形成各种不同的控制分配方法。最常用的控制分配方法是求伪逆，伪逆是所有解中欧几里得范数最小的解，对于控制分配矩阵，约束条件为总能量最小，则有
第二关系式：其中，M-1是M的伪逆。
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行控制分配的作用为：当动力系统出现故障时，能够切换控制分配矩阵，以当前动力系统的实际情况，选择最合理的动力分配方式，避免出现各动力系统饱和的现象，提高飞行器的鲁棒性；当动力系统正常时，合理的控制分配矩阵，能够最大化动力系统的执行效率。
本申请提供的无人机控制方法，首先根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、位置环微分系数、期望高度、实际高度、垂直方向的期望速度和实际速度，计算期望升力；然后根据横向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，纵向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；接着根据期望姿态角、实际姿态角、姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；再根据期望角速度、实际角速度、无人机转动惯量，计算期望力矩；最后通过对期望升力和期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到各个电机的转速，将各个旋翼的电机转速分配到多旋翼共轴双桨无人机相应的执行机构，进而实现对多旋翼共轴双桨无人机的有效控制，推动了此类构型的无人机从理论设计到实际飞行实验的进步。
在一个实施例中，提供了一种无人机控制装置，如图3所示，所述无人机控制装置300包括：
获取期望升力模块3010，用于根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力；
获取期望姿态角度模块3020，用于根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；
获取期望角速度模块3030，用于根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；
获取期望力矩模块3040，用于根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩；
控制分配模块3050，用于对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速。
可选的，所述根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力，包括：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度。
可选的，所述根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角，包括：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，为纵向实际速度。
可选的，所述根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度，包括：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角。
可选的，所述根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩，包括：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩。
可选的，所述对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
本申请提供的无人机控制方法，首先根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、位置环微分系数、期望高度、实际高度、垂直方向的期望速度和实际速度，计算期望升力；然后根据横向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，纵向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；接着根据期望姿态角、实际姿态角、姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；再根据期望角速度、实际角速度、无人机转动惯量，计算期望力矩；最后通过对期望升力和期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到各个电机的转速，将各个旋翼的电机转速分配到多旋翼共轴双桨无人机相应的执行机构，进而实现对多旋翼共轴双桨无人机的有效控制，推动了此类构型的无人机从理论设计到实际飞行实验的进步。
关于无人机控制装置的具体限定可以参见上文中对于无人机控制方法的限定，在此不再赘述。上述无人机控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以软件形式存储于计算设备中的处理器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种电子设备，所述电子设备可以是机载电脑，其内部结构图可以如图4所示。所述电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，所述电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。所述电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。所述非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。所述内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。所述计算机程序被处理器执行时以实现一种无人机控制方法。所述电子设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，所述电子设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，本申请提供的无人机控制装置可以实现为一种计算机的形式，计算机程序可以在如图4所示的电子设备上运行。电子设备的存储器中可存储组成该电子设备的无人机控制装置的各个程序模块，比如，图3中所示的获取期望升力模块、获取期望姿态角度模块、获取期望角速度模块、获取期望力矩模块、控制分配模块。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书描述的本申请各个实施例的电子设备的无人机控制方法中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力；
根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；
根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；
根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩；
对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力，包括：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度。/>
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角，包括：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，为纵向实际速度。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度，包括：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩，包括：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际姿态角的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
本申请提供的无人机控制方法，首先根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、位置环微分系数、期望高度、实际高度、垂直方向的期望速度和实际速度，计算期望升力；然后根据横向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，纵向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；接着根据期望姿态角、实际姿态角、姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；再根据期望角速度、实际角速度、无人机转动惯量，计算期望力矩；最后通过对期望升力和期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到各个电机的转速，将各个旋翼的电机转速分配到多旋翼共轴双桨无人机相应的执行机构，进而实现对多旋翼共轴双桨无人机的有效控制，推动了此类构型的无人机从理论设计到实际飞行实验的进步。
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力；
根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；
根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；
根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩；
对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力，包括：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角，包括：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，为纵向实际速度。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度，包括：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩，包括：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
本申请提供的无人机控制方法，首先根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、位置环微分系数、期望高度、实际高度、垂直方向的期望速度和实际速度，计算期望升力；然后根据横向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，纵向位置环比例系数、微分系数、期望位置、实际位置、期望速度、实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；接着根据期望姿态角、实际姿态角、姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；再根据期望角速度、实际角速度、无人机转动惯量，计算期望力矩；最后通过对期望升力和期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到各个电机的转速，将各个旋翼的电机转速分配到多旋翼共轴双桨无人机相应的执行机构，进而实现对多旋翼共轴双桨无人机的有效控制，推动了此类构型的无人机从理论设计到实际飞行实验的进步。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
处理器可以是中央判断模块(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。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。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flashRAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动存储介质。存储介质可以由任何方法或技术来实现信息存储，信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。根据本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种无人机控制方法，其特征在于，包括：
根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力；
根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；
根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；
根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩；
对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速；
其中，所述根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力，包括：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，/>表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度；
所述根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角，包括：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，/>为纵向实际速度；
所述根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度，包括：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd为期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角；
所述根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩，包括：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际姿态角的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩；
所述对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速，包括：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
2.一种无人机控制装置，其特征在于，包括：
获取期望升力模块，用于根据无人机质量、垂直方向的位置环比例系数、期望高度、实际高度、垂直方向的位置环微分系数、垂直方向的期望速度以及垂直方向的实际速度，计算期望升力；
获取期望姿态角度模块，用于根据横向位置环比例系数、横向位置环微分系数、纵向位置环比例系数、纵向位置环微分系数、横向期望位置、横向实际位置、纵向期望位置、纵向实际位置、横向期望速度、横向实际速度、纵向期望速度以及纵向实际速度，计算期望俯仰角和期望横滚角；
获取期望角速度模块，用于根据期望姿态角、实际姿态角以及姿态角对应的姿态环比例系数，计算姿态角的期望角速度；
获取期望力矩模块，用于根据期望角速度、实际角速度以及无人机转动惯量，计算期望力矩；
控制分配模块，用于对所述期望升力、所述期望力矩以及控制分配矩阵进行分配计算，得到电机转速；
其中，所述获取期望升力模块，具体用于：
根据公式获得所述期望升力；
其中，m为无人机的质量，kzp为垂直方向的位置环比例系数，pzd表示期望高度，pz表示实际高度，kzd为垂直方向的位置环微分系数，表示无人机在垂直方向的期望速度，/>表示无人机在垂直方向的实际速度，g表示重力加速度；
所述获取期望姿态角度模块，具体用于：
根据公式获得所述期望俯仰角和期望横滚角；
其中，kxp为横向位置环比例系数，kyp为纵向位置环比例系数，pxd为横向期望位置，pyd为纵向期望位置，px为横向实际位置，py为纵向实际位置，kxd为横向位置环微分系数，kyd为纵向位置环微分系数；为横向期望速度，/>为纵向期望速度，/>为横向实际速度，/>为纵向实际速度；
所述获取期望角速度模块，具体用于：
根据公式获得所述姿态角的期望角速度；
其中，为期望俯仰角的角速度，/>为期望横滚角的角速度，/>为期望偏航角的角速度，kθp为俯仰角对应的姿态环比例系数，kφp为横滚角对应的姿态环比例系数，/>为偏航角对应的姿态环比例系数，θd为期望俯仰角，φd为期望横滚角，/>为期望偏航角，θ为实际俯仰角，φ为实际横滚角，/>为实际偏航角；
所述获取期望力矩模块，具体用于：
根据公式获得所述期望力矩；
所述期望力矩包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其中，J为无人机转动惯量，为无人机实际姿态角的角速度，τx为滚转力矩，τy为俯仰力矩，τz为偏航力矩；
所述控制分配模块，具体用于：
记期望升力、期望力矩、控制分配矩阵与电机转速之间的映射关系为第一关系式：其中，M为控制分配矩阵，/>表示第i个电机的转速；
根据所述第一关系式，得到电机转速的平方：记为第二关系式，其中，M-1是M的伪逆矩阵；
对所述第二关系式进行开平方，得到各电机的转速。
3.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述的无人机控制方法的步骤。
4.一种无人机，其特征在于，设置有如权利要求3所述的电子设备。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的无人机控制方法的步骤。
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