CN115712309B - 一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置，应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，包括机体和一轻绳，机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，轻绳沿定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个模块之间通过被动式伸缩机构连接，被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当伺服电机牵引轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该方法包括：建立主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；根据运动学方程设计控制框架，控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器；利用非线性模型预测控制器进行主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
Description
技术领域
本申请涉及新型无人机设计与控制技术领域，尤其涉及一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置。
背景技术
近年来，四旋翼由于具有体积小、结构简单、机动性高、可垂直起降、可悬停等优点，被应用于航拍、灾后搜救、农业灌溉、包裹递送等领域。然而，目前的四旋翼仍然缺乏适应环境的飞行能力，狭窄多变的复杂环境会限制其运动的可通行性，例如难以完成穿越狭窄缝隙等；另一方面，传统的四旋翼无人机难以在不依赖于外部机械臂结构下独立运输物体，这限制了四旋翼在复杂的情况下机动能力和执行任务的多样性，例如复杂环境搜救、救援物资运输等。
常见四旋翼飞行器的机械结构通常固定不变，物理尺寸不可改变。当它在狭窄环境飞行时，例如洞穴和灾后废墟环境中，会因为自身尺寸过大而无法适应环境，限制其飞行空间。为此，研究者设计了一些尺寸小巧的微型四旋翼，来解决狭窄环境中的通行性问题。但这些微型四旋翼由于尺寸小，存在一些缺陷，四旋翼尺寸变小，则相应螺旋桨尺寸变小，可装载的电池容量变小，则其负载能力会显著下降，可搭载的传感器和载重都会下降，在实际应用的价值降低。针对提高四旋翼的环境适应性这一问题，研究者在其机械结构上进行了改进，其中一些案例如下。Takumi Fukuda等人在《A.Sakaguchi,T.Takimoto,andT.Ushio,“A novel quadcopter with a tilting frame using parallel linkmechanism,”in 2019 International Conference on Unmanned Aircraft Systems(ICUAS),2019,pp.674–683》公开了具有平行连杆结构的四旋翼飞行器，电机之间由平行连杆结构连接，平行连杆结构变形可以改变机体姿态，减小四旋翼悬停时的物理尺寸，但其结构非常复杂。N.Zhao等人在《N.Zhao,Y.Luo,H.Deng,Y.Shen,and H.Xu,“The deformablequad-rotor enabled and wasp-pedal-carrying inspired aerial gripper,”in 2018IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS),2018,pp.1–9》提出了基于剪刀状可折叠结构的新型可变形四旋翼飞行器，通过折叠机构收缩来调整四旋翼的大小，以适应更狭窄的空间。但是在从实际飞行效果看，存在飞行控制复杂、质量较大和体积较大等缺陷。Karishma Patnaik等人在《K.Patnaik,S.Mishra,S.M.R.Sorkhabadi,and W.Zhang,“Design and control of squeeze:A spring-augmented quadrotor for interactions with the environment to squeeze-and-fly,”in 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots 0andSystems(IROS),2020,pp.1364–1370》提出了一种与外部环境接触驱动机臂旋转的四旋翼飞行器，每个机臂铰链处带有扭转弹簧，可缩小尺寸飞行通过狭窄的间隙和通道。但是，该四旋翼飞行器依赖于与环境接触变形，在通过表面粗糙的通道时，飞行效率较低。NathanBucki等人在《N.Bucki,J.Tang,and M.W.Mueller,“Design and control of a midairreconfigurable quadcopter using unactuated hinges,”ArXiv,vol.abs/2103.16632,2021》设计使用无源旋转接头来实现快速的空中变形的四旋翼。在常规飞行期间，推力足够大时可以保持机臂展开；而当低推力时，四旋翼机臂可向下折叠，减小无人机的尺寸，但其控制较为复杂。Valentin riviere等人在《V.Riviere,A.Manecy,and S.Viollet,“Agilerobotic fliers:A morphing-based approach,”Soft Robotics,vol.5,no.5,pp.541–553,2018》设计了基于弹性变形的可变结构四旋翼。该四旋翼的两对双旋翼模块由主连杆连接。两对双旋翼模块都可绕其中心点所在的竖直旋转轴旋转，实现变形，但该四旋翼会在转换过程中突然出现奇异点导致运动崩溃。D.Falanga等人在《D.Falanga,K.Kleber,S.Mintchev,D.Floreano,and D.Scaramuzza,“The foldable drone:A morphingquadrotor that can squeeze and fly,”IEEE Robotics and Automation Letters,vol.4,no.2,pp.209–216,2019》设计了一款具有旋转机构并通过旋转机臂缩小机体尺寸的四旋翼，具有较强的穿越窄缝能力，可以改变自身机械结构，缩小物理尺寸，以适应狭窄复杂的运动环境，但是采用的额外驱动器过多。
另一方面，为了让多旋翼可以抓取和运输物体，研究者对原始四旋翼飞行器设计进行了许多拓展，以允许其执行该任务，提高它们的实用性。然而，这通常需要四旋翼携带额外的机械手结构，因为机械手质量产生的力矩的影响相当大，空中机器人与机械手耦合的控制算法相关联而变得复杂，整个系统的定向稳定性有更大的困难；额外增加的机械机构会因系统重量大大增加而减少飞行时间，降低系统的续航性能。此外，还有一些利用多旋翼自身变形来夹取物体的研究被提出，但这些工作可夹取的适用性范围有限。针对多旋翼的抓取与运输这一问题，研究者的普遍思路是增加额外的机械手。K.Kondak在《K.Kondak,F.Huber,M.Schwarzbach,M.Laiacker,D.Sommer,M.Bejar,and A.Ollero,“Aerialmanipulation robot composed of an autonomous helicopter and a 7 degrees offreedom industrial manipulator,”in 2014 IEEE International Conference onRobotics and Automation(ICRA),2014,pp.2107–2112》中公开了在多旋翼上增加手臂机械手的连接机构，操作机械臂可以抓取物体，但在末端效应的运动学方面，大部分设计由于机械手的冗余，且机械手质量产生的力矩的影响相当大，因此空中机器人与机械手耦合的控制算法也变得复杂，并且增加了多旋翼的质量。第二种解决方案是利用四旋翼自身的可变机构来抓取与运输。M.zhao等人在《M.Zhao,K.Kawasaki,X.Chen,S.Noda,K.Okada,andM.Inaba,“Whole-body aerial manipulation by transformable multirotor with two-dimensional multilinks,”in 2017 IEEE International Conference on Robotics andAutomation(ICRA),2017,pp.5175–5182》公开了以带连杆的单旋翼为基础单元，每个旋翼单元由可调整角度的伺服电机连接，机体收缩时变成为抓取结构，实现搬运物体的功能，但该结构可抓取的物体的大小和形状有限。D.Falanga等人设计的可折叠四旋翼利用自身变形时，机臂之间产生夹持动作，实现对物体的抓取，但是由于抓取位置皮纳利机体重心较远，在夹取大质量物体时需要考虑重心偏移的控制问题。Nathan Bucki等人的新型四旋翼在低推力时，机臂随弹簧形变收缩在机体下方，可夹取轻质量物体，但弹簧形变产生的夹取力有限。
总之，四旋翼以其简单的结构和动态特性，在这些年快速发展并被广泛采用在各个领域。但由于普通四旋翼的机械结构相对固定，限制了其适应狭窄多变环境的能力，以及在更多领域的应用。尽管一些变结构四旋翼被提出用于解决上述问题，但是这些无人机的机械结构仍受限于传统的设计逻辑，即多个机臂连接到中心体上，导致无人机平台整体的复杂度高，结构冗余和适用性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的是提供一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法及装置。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法，应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，所述主动式变结构环形四旋翼无人机包括机体和一轻绳，所述机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，所述轻绳沿所述定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个所述模块之间通过被动式伸缩机构连接，所述被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当所述伺服电机牵引所述轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该控制方法包括：
建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；
根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；
利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
进一步地，所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程包括位置运动模型和旋转动力学方程。
进一步地，所述位置运动模型为：
其中F是所述主动式变结构环形四旋翼无人机的总推力，zB表示机身坐标系的Z轴的方向矢量，fext表示外部干扰作用力，g表示重力加速度，和/>分别表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机在世界坐标系下的位置pW、速度vW关于时间的导数，m表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机的机身总质量。
进一步地，所述旋转动力学方程为：
其中J表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机发惯性张量矩阵，τext表示外部干扰的总力矩,Φ([0，ωB]T)表示向量的反对称矩阵，和/>分别表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机在世界坐标系下的角度qW和机体坐标系下的角速度ωB关于时间的导数，τ表示总力矩。
进一步地，所述非线性模型预测控制器框架中，利用成本函数构建非线性优化问题：
s.t.xk+1＝f(xk，uk)，x0＝xnow，u∈[umin，umax]
其中udes表示期望的控制输入向量(即四个电机的各自推力)，i是当前时间步长；xi，r和xN，r是参考状态向量，xi是所述运动学方程中的位置、速度、角度、角速度构成的状态变量向量；ui是控制输入向量，ui，r是参考输入向量；Q＝diag(Qp，Qv，Qq，Qω),QN和R是正定权重矩阵，都是正常数；umin和umax是电机提供的最大和最小推力值。
进一步地，利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制，包括：
对所述非线性模型预测控制器的非线性优化问题进行求解，得到单转子推力命令uNMPC；
使用角动力方程计算所需的期望角加速度，通过所述期望角加速度计算期望力矩；
将所述期望扭矩和所述单转子推力命令uNMPC累加得到的四个电机总推力F代入所述主动式变结构环形四旋翼无人机的控制分配方程，求出各电机的转速值，从而进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
进一步地，所述控制分配方程为：
[F，τ]＝HiT
其中Hi表示控制分配矩阵，表示4个电机的各自推力，其中kt是推力系数，Ωi表示第i个电机的转速。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制装置，应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，所述主动式变结构环形四旋翼无人机包括机体和一轻绳，所述机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，所述轻绳沿所述定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个所述模块之间通过被动式伸缩机构连接，所述被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当所述伺服电机牵引所述轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该控制装置包括：
建立模块，用于建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；
设计模块，用于根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；
控制模块，用于利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请中一种新型的可伸缩环形伸缩四旋翼，该四旋翼可在一个伺服舵机的驱动下，实现长度和宽度两个维度的尺寸缩小；四旋翼的相邻电机之间相互连接的环形结构，改变了以往四旋翼的各机臂连接在中心机体的机械结构；一体化的抓取与运输方案，在不使用任何额外机械臂的情况下，仅使用机体变形带动中心区域伸缩来夹取和搬运物体，可在仅增加一个驱动器的情况下实现了机身长度和宽度尺寸的同时缩小，并可主动抓取和搬运物体；设计了自适应调整的非线性模型预测控制方案，该控制器中建立了时变的物理参数的动力学方程更新，并根据参数变化实现了动态控制，实现了高精度、高稳定性的变结构飞行运动控制效果。本申请解决了传统四旋翼和以往变结构无人机存在的复杂度高、结构冗余和通用性差的问题，提升了无人机环境适应能力，并拓展了在空中抓取、物体运输等方面的应用。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
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，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的结构示意图，其中(a)为无人机展开状态示意图，(b)为无人机收缩状态示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的非线性模型预测控制器框架的示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的实物示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的悬停变形测试的位置变化示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的边变形边飞八字轨迹的跟踪性能指标示意图，其中(a)为本方法和PID算法跟踪八字轨迹的三维轨迹图，(b)为本方法和PID算法在X和Y轴位置的均方根跟踪误差，(c)为为本方法和PID算法在Z轴位置的均方根跟踪误差。
图6是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的水平穿越缝隙测试的示意图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的竖直穿过洞口测试的示意图。
图8是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的的抓取示意图。
附图标记：
1、无刷电机；2、螺旋桨；3、伺服电机；4、滑块；5、滑轨；6、弹簧；7、定滑轮；8、轻绳。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
本申请公开了一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法，该方法应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，所述主动式变结构环形四旋翼无人机包括机体和一轻绳，所述机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，所述轻绳沿所述定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个所述模块之间通过被动式伸缩机构连接，所述被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当所述伺服电机牵引所述轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸。该方法可以包括以下步骤：
步骤S1：建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；
步骤S2：根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器组成，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；
步骤S3：利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
由上述实施例可知，本申请中一种新型的可伸缩环形伸缩四旋翼，该四旋翼可在一个伺服舵机的驱动下，实现长度和宽度两个维度的尺寸缩小；四旋翼的相邻电机之间相互连接的环形结构，改变了以往四旋翼的各机臂连接在中心机体的机械结构；一体化的抓取与运输方案，在不使用任何额外机械臂的情况下，仅使用机体变形带动中心区域伸缩来夹取和搬运物体，可在仅增加一个驱动器的情况下实现了机身长度和宽度尺寸的同时缩小，并可主动抓取和搬运物体；设计了自适应调整的非线性模型预测控制方案，该控制器中建立了时变的物理参数的动力学方程更新，并根据参数变化实现了动态控制，实现了高精度、高稳定性的变结构飞行运动控制效果。本申请解决了传统四旋翼和以往变结构无人机存在的复杂度高、结构冗余和通用性差的问题，提升了无人机环境适应能力，并拓展了在空中抓取、物体运输等方面的应用。
具体地，本申请首先设计了一种结构简单的新型可伸缩环形四旋翼，主要由四个模块相邻之间两两连接组成。这种去中心化的串联结构大大提升了四旋翼构型的灵活性，仅需使用一个驱动器即可同步改变相邻模块之间的距离，调整无人机的整体尺寸，主动适应不同的运动环境。此外，这种环形构型设计解放了机体中心区域的空余空间，可以通过伸缩变换实现传统四旋翼无法完成的复杂任务，例如抓取目标物体和在室外环境中无动力栖息，拓展了四旋翼的应用领域。
具体地，本申请采用环形的机械结构设计，使用四个无刷电机作为主要驱动器，搭载主动式伸缩机构，搭建一体化变形四旋翼平台。机器人可根据环境的感知信息，实现对其长度和宽度自适应动态调整；一体化伸展和收缩机构还可实现对多种形状物体的抓取和携运。
首先对变形机构进行设计，机体主要由四个尺寸和形状相同的模块组成，各模块包含两块3毫米厚的碳纤维板和8根相同长度的铜柱，两碳纤维板由多个铜柱连接为一体，共同组成双层支撑结构，不同模块分别装有电源、飞行控制板、导线和电机飞行动力套等电子器件。
模块间采用由轻弹簧、滑块和滑轨等组成的被动式伸缩机构连接，如图1所示。机身各模块的尖端装有若干小型定滑轮，固定在铜柱上。细绳沿定滑轮的凹槽方向缠绕，包裹住整个机身，当伺服电机牵拉细绳收缩运动时，弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸。由于绳索上的拉力处处相等，因此连接各部分被动式伸缩机构中的弹簧将收缩相同长度，即各模块之间连接的距离将减小相同的位移，机体在水平面内始终维持近似正方形形状。当弹簧自然舒张时，四旋翼平台达到最大物理尺寸，此时四旋翼不需要额外的主动驱动器控制机体形状；弹簧收缩到最小位置时，机体长度和宽度达到最小尺寸，相对于最大尺寸将减少31.4％以上。
如图1所示，不同于一般的抓取无人机需要配备额外的机械手，本申请中的主动式变结构环形四旋翼无人机中心采用一体式环形夹取结构设计，这种设计不需要增加额外机械臂，不会引起机体的总质量明显增加，仅通过简单且稳定的线性控制器即可控制中心区域的收缩和舒张，来抓取和运输多种形状的物体。被运输物体处于机体中心和重心附近，更利于四旋翼飞行控制的稳定性；环形可伸缩机构的中心区域接近圆形，可适应不同大小、形状和外形的物体，极大增强四旋翼平台的携运能力，中心抓取区域的最大长度和最大宽度是28cm*28cm，最小长度和最小宽度是15cm*15cm。
该新型四旋翼仅使用单个伺服电机作为驱动器，实现四旋翼尺寸收缩或伸展，并且伺服舵机的工作功率不到驱动螺旋桨旋转的无刷电机工作功率的1％，几乎可以忽略；且四旋翼最常规的运动形态(最大尺寸)，伺服电机不需要提供额外的扭矩，此时伺服电机功率接近空载功率，大大解决了以往主动变形机构的功率消耗问题，间接提高了可伸缩四旋翼平台的续航时间，提升了运载能力。
在步骤S1的具体实施中，建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；
对于传统的四旋翼，它的机械结构是固定的，所以惯性张量是恒定的，但是这个假设不适用于环形四旋翼平台。当弹簧在外力的驱动下收缩时，相邻模块之间的距离会减小，因此惯性张量也会发生变化。在飞行过程中，会实时更新重心位置，并根据平行轴定理计算惯性张量的变化。
针对可伸缩环形四旋翼平台复杂、非线性、强耦合性和欠驱动动力学系统，考虑控制精度、传感器测量误差、空气动力学扰动和环境感知偶然性等干扰因素，构建基于非线性模型预测控制和增量式非线性动态逆的控制算法，实现对新构型平台具有强鲁棒性和高准确性的抗干扰运动控制。
主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程包含位置运动模型和旋转动力学方程。可伸缩环形四旋翼平台可根据环境空间改变自身物理尺寸，实现与环境交互的自适应运动，并且可以主动伸缩搬运物体。以新构型平台在世界坐标系下的位置pW、速度vW、角度qW(四元数表示)、机体坐标系下的角速度ωB四个运动状态构建状态变量，则新构型平台的位置运动模型可以表达为：
其中F是所述主动式变结构环形四旋翼无人机的总推力，zB表示机身坐标系的Z轴的方向矢量，fext表示外部干扰作用力，g表示重力加速度，和/>分别表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机在世界坐标系下的位置pW、速度vW关于时间的导数，m表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机的机身总质量。
同理，旋转动力学方程可表示为：
J表示新构型平台惯性张量矩阵，是一个对角矩阵。τext表示外部干扰的总力矩,Φ([0，ωg]T)表示向量的反对称矩阵，和/>表示对应变量关于时间的导数，τ表示总力矩。
在步骤S2的具体实施中，根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；
具体地，根据所述运动学方程设计控制框架，主要由非线性模型预测控制器(NMPC)和线性舵机控制器组成。NMPC控制接收参考的轨迹输入，并订阅各传感器的位置、角度、速度、角速度等状态信息和当前的机身物理学参数，更新系统的控制输入，实现飞行器的飞行运动控制；线性舵机控制器采用经典PID控制算法，接收四旋翼的长度和宽度指令，调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数。
在具体实施中，可伸缩环形四旋翼的物理特性(惯性张量、重心、质量等)会随着变形或抓取而发生变化。基于微分平坦的传统控制器不能很好地处理四旋翼飞行时的动力学参数变化。因此，我们利用非线性模型预测控制器来实时更新动力学状态方程的时变参数，并自适应地优化控制输入。四旋翼的动力学方程是非线性的，对于控制器设计比较复杂。一般来说，可以先将非线性动力学方程线性化，四旋翼具有微分平坦性质，可设计带前馈的串级PID控制方法设计姿态控制器和位置控制器。对于变结构的四旋翼来说，固定参数的串级PID控制器在动态变形时控制效果下降，因此设计了可动态调整控制效果的线性二次型调节器(LQR)，但是仍然基于小角度线性假设。在本文中，我们使用了非线性模型预测控制建立控制器，将四旋翼视为完全非线性动力学系统，综合考虑每个转子的推力限制、和空气动力学效应。
非线性模型预测控制通过以后退水平方式求解有限时间最优控制问题(OCP)来生成控制命令。对于给定新构型四旋翼平台的参考轨迹，成本函数是预测状态与时间范围内的参考状态之间的误差，这意味着使用时间范围内的多个参考点。为了进行数值优化，我们在大小dt＝h/N的时间范围δ∈[t,t+h]上将状态和输入离散化为N个相等的间隔，其中h表示范围。构建约束条件下的非线性优化问题为：
s.t.xk+1＝f(xk，uk)，x0＝xnow，u∈[umin，umax]
其中udes表示期望的控制输入向量(即四个电机的各自推力)，i是当前时间步长；xi，r和xN，r是参考状态向量，xi是动力学方程中的位置、速度、角度、角速度四个状态变量；ui是控制输入向量，ui，r是参考输入向量；Q＝diag(Qp，Qv，Qq，Qω),QN和R是正定权重矩阵；umin和umax是电机提供的最大和最小推力值，以确保所需的推力输入在合理范围内。
该新构型四旋翼无人机的飞行动力来源于四个无刷电机带动螺旋桨转动产生，因此四旋翼系统的控制输入u(包括上述动力学方程中的总推力F和总力矩τ)可表达为四个无刷电机的推力分配组合，可称为四旋翼的控制分配方程，具体为以下形式：
[F，τ]＝HiT
其中Hi表示控制分配矩阵，会随着变形而发生变化，表示4个电机的各自推力，其中kt是推力系数，Ωi表示第i个电机的转速。
在步骤S3的具体实施中，利用所述非线性模型预测控制器框架进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制；
在本发明中，这个二次非线性优化问题通过在实时迭代框架中执行序列二次规划(SQP)算法来解决。我们使用ACADO工具包和qpOASES作为求解器来实现该算法。
从非线性模型预测控制得到推力指令后，可以用混控矩阵直接得到转子速度指令。然而，上述控制器忽略了旋转动力学中的未建模项τext，这对整体控制性能不利。对现实世界的系统建模τext非常具有挑战性。因此，我们借助于增量非线性动态逆(INDI)，这是一种基于传感器的控制器，它使用瞬时传感器测量而不是模型来表示系统动态，从而对模型不确定性和外部干扰具有鲁棒性。
在本申请的具体实施中，在对上述非线性优化问题进行求解，获得单转子推力命令uNMPC后，我们可以使用角动力方程计算所需的期望角加速度，通过期望角加速度可计算最终的期望力矩为：
其中τf表示总扭矩的实时测量值，是通过测量电机转速，经过混控矩阵计算得到的，表示陀螺仪测量角速度差分得到的机体坐标系下的角加速度，αd是期望角加速度。
将上述期望扭矩τd和NMPC控制器求解的四个电机总推力F代入前面提到的控制分配方程，即可求出各无刷电机的转速值，从而进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
在具体实施中，变结构环形四旋翼平台实物图如图3所示。平台的主要支撑结构采用3mm碳纤维板。该平台仅采用单台伺服电机作为执行机构，可同时间接调节其长度和宽度，此时该伺服舵机的功率不到四旋翼悬停时电机功率的1％；当该平台处于最大续航状态时，即机体最大尺寸时，伺服电机不需要额外扭矩来维持机体形状和大小，因此伺服电机功率接近空载功率，大大解决了此前主动变形机构的功耗问题，提高了平台的续航能力和运输能力。
常规四旋翼大多以基于微分平坦性质的PID算法作为运动控制器和姿态控制器，但对于该平台来说，它的物理参数会随着变形发生变化，采用固定参数PID算法无法处理时变的物理参数带来的控制误差，因此我们采用了具有适应性能力的NMPC控制器。为了验证提出的控制器的有效性，我们首先进行了悬停变形测试，验证静态运动的效果；接着进行了边飞8字形轨迹边变形的动态运动控制测试，并与PID控制算法进行了对比。
(1)悬停变形测试：如图4所示，该平台在t＝0s时处于悬停状态，位置是[-0.18,-0.42,1.21](m)，此时给数字舵机发送转速指令，驱动机体在最大尺寸和最小尺寸之间循坏转换，观察位置变化可以看出，在变形期间，位置始终保持在同一位置附近，各轴的最大绝对值误差为[0.022，0.016，0.315](m)，表现了变结构时候的位置控制稳定性。在当收缩至最小形态时，机体的长度和宽度为0.286m。
(2)边变形边飞八字轨迹：让四旋翼始终处于最大尺寸和最小尺寸之间循环变形，并以不同的最大速度跟踪“8”字形轨迹，通过分别计算XY轴和Z轴的均方根误差(RMSE)，来比较控制器在动态变形过程中的准确性。
如图5所示，无论在不同的速度下，我们提出的方法在XY轴和Z轴的RMSE都明显小于PID方法，这是因为四旋翼是欠驱动系统，运动控制器与姿态控制器是耦合的，当转动惯量发生变化时，动力学方程发生了变化，引起姿态跟踪误差增大，进一步引起XY轴的平移运动控制误差加大，即RMSE变大。而NMPC方法可以实时更新四旋翼的状态方程中的转动惯量等参数，相对于传统PID，可以自适应调节控制量。
本发明相对于普通四旋翼的优势之一是可以通过变形改变自身尺寸，适应不同的运动环境。在宽阔的环境中该平台展开至最大尺寸，能获得最大的续航时间和机动性；在狭窄的环境例如缝隙中，能够主动收缩尺寸，增大运动规划的可通行空间。为了验证其环境适应性，我们设置了水平缝隙和竖直洞口两种狭窄环境进行试验测试。
1)水平地穿越缝隙：如图6所示，四旋翼的初始宽度是41.4cm，水平缝隙的宽度为40cm。当运动环境中出现小于最大尺寸的缝隙时，该平台无法直接通过。但是，该平台可以从最大尺寸收缩至机体宽度为0.3m，不需要任何加减速即可无碰撞地通过缝隙，图6中展示了四旋翼通过窄缝的瞬间。
2)竖直穿过洞口：变结构四旋翼可同时减小长度和宽度，因此面对狭窄的竖直洞口也能顺利通过。图7中展示了一个40x40cm的的矩形边框，用来模拟竖直洞口。四旋翼的初始长度和宽度是41.4x41.4cm，该平台可以通过收缩来减小长度和宽度，以小于洞口尺寸的形态竖直穿过洞口，并再次展开至最大尺寸，保持最大续航时间。
环形四旋翼提出了一种类圆形的四旋翼抓取空间，中心剩余区域可通过变形改变大小，用于抓取多种形状的物体，为了验证抓取与运输的功能。
由于中间区域是近似圆形，因此可以抓取多种形状的物体。如图8所示，通过实验测试，环形四旋翼可以抓取包括矩形盒子、圆柱形、条形、椭圆形等多种形状物体，除此之外，还可以利用托盘，运输任何形状的合适尺寸的物体，实现抓取与运输的广泛性。
与前述的主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法的实施例相对应，本申请还提供了主动式变结构环形四旋翼无人机的控制装置的实施例。
图2是根据一示例性实施例示出的一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制装置框图。参照图2，该装置应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，所述主动式变结构环形四旋翼无人机包括机体和一轻绳，所述机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，所述轻绳沿所述定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个所述模块之间通过被动式伸缩机构连接，所述被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当所述伺服电机牵引所述轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该控制装置可以包括：
建立模块21，用于建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；
设计模块22，用于根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；
控制模块23，用于利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法。
相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制方法，其特征在于，应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，所述主动式变结构环形四旋翼无人机包括机体和一轻绳，所述机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，所述轻绳沿所述定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个所述模块之间通过被动式伸缩机构连接，所述被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当所述伺服电机牵引所述轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该控制方法包括：
建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；
根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；
利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程包括位置运动模型和旋转动力学方程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述位置运动模型为：
其中F是所述主动式变结构环形四旋翼无人机的总推力，zB表示机身坐标系的Z轴的方向矢量，fext表示外部干扰作用力，g表示重力加速度，和/>分别表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机在世界坐标系下的位置pW、速度vW关于时间的导数，m表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机的机身总质量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转动力学方程为：
其中J表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机发惯性张量矩阵，τext表示外部干扰的总力矩,Φ([0,ωB]T)表示向量的反对称矩阵，和/>分别表示所述主动式变结构环形四旋翼无人机在世界坐标系下的角度qW和机体坐标系下的角速度ωB关于时间的导数，τ表示总力矩。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非线性模型预测控制器框架中，利用成本函数构建非线性优化问题：
使得xk+1＝f(xk,uk),x0＝xnow,u∈[umin,umax]
其中udes表示期望的控制输入向量，即四个电机的各自推力，i是当前时间步长；xi,r和xN,r是参考状态向量，xi是所述运动学方程中的位置、速度、角度、角速度构成的状态变量向量；ui是控制输入向量，ui,r是参考输入向量；Q＝diag(Qp,Qv,Qq,Qω),QN和R是正定权重矩阵，都是正常数；umin和umax是电机提供的最大和最小推力值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制，包括：
对所述非线性模型预测控制器的非线性优化问题进行求解，得到单转子推力命令uNMPC；
使用角动力方程计算所需的期望角加速度，通过所述期望角加速度计算期望力矩；
将所述期望力矩和所述单转子推力命令uNMPC累加得到的四个电机总推力F代入所述主动式变结构环形四旋翼无人机的控制分配方程，求出各电机的转速值，从而进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制分配方程为：
[F,τ]＝HiT
其中Hi表示控制分配矩阵，表示4个电机的各自推力，其中kt是推力系数，Ωi表示第i个电机的转速，τ表示总力矩。
8.一种主动式变结构环形四旋翼无人机的控制装置，其特征在于，应用于主动式变结构环形四旋翼无人机，所述主动式变结构环形四旋翼无人机包括机体和一轻绳，所述机体包括四个结构相同的模块，每个模块的顶端安装有定滑轮，所述轻绳沿所述定滑轮的凹槽方向缠绕，相邻的两个所述模块之间通过被动式伸缩机构连接，所述被动式伸缩机构包括弹簧、滑轨和滑块，其中一个模块上设置有伺服电机，当所述伺服电机牵引所述轻绳进行收缩运动时，所有弹簧被压缩，机体收缩减小自身尺寸；该控制装置包括：
建立模块，用于建立所述主动式变结构环形四旋翼无人机的运动学方程；
设计模块，用于根据所述运动学方程设计控制框架，所述控制框架包括非线性模型预测控制器和线性舵机控制器，所述非线性模型预测控制器实现飞行器的飞行运动控制，所述线性舵机控制器用于调整机身尺寸大小，并触发参数实时估计，更新机身当前的物理学参数；
控制模块，用于利用所述非线性模型预测控制器进行所述主动式变结构环形四旋翼无人机的飞行控制。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
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