多旋翼无人机全局输入解耦装置及包含该装置的控制系统的制作方法专利名称：多旋翼无人机全局输入解耦装置及包含该装置的控制系统的制作方法技术领域：本发明属于多旋翼无人飞行器控制领域，涉及一种多旋翼无人机全局输入解耦装置及包含该装置的控制系统背景技术：六旋翼无人机区别于其他旋翼无人机如直升机、四旋翼无人机等，通过改变六个旋翼的组织形式，可使系统呈现欠驱动或全驱动的不同工作模式相比于一般的多旋翼无人机需通过控制姿态角变化进而控制水平运动，全驱动的六旋翼无人机采用独特的结构配置，可以直接控制水平运动，该无人机机动性强，可以实现快速前飞、悬停以及以任意姿态前飞等特殊功能而欠驱动六旋翼无人机由于其控制相对简单，系统存在的扰动和不确定性较小，因此也具有研究价值全驱动六旋翼无人机(结构任意)机体一般设有六个连接杆，均勻分布在机体周围，连接杆的外端连接执行机构，执行机构由旋翼及驱动器组成驱动器可采用电机或油机等欠驱动六旋翼无人机(结构任意)机体一般设有三个连接杆， 均勻分布在机体周围，每个连接杆的外端连接上下两个旋翼目前的多旋翼无人机控制系统在解耦问题上没有通用的方法，每一个状态量的变化都受到多个旋翼转速的影响，而任一旋翼转速改变后也会使多个状态量发生变化，控制复杂，不容易实现各个自由度的动态解耦，从而实现各个自由度(位置及姿态)的独立控制。
发明内容本发明要解决的一个技术问题是提供一种通过非线性解耦映射，使多旋翼无人机这个多输入多输出系统解耦为若干个单输入单输出系统，从而实现无人机六个自由度(位置及姿态)独立控制的多旋翼无人机全局输入解耦装置为了解决上述技术问题，本发明的多旋翼无人机全局输入解耦装置包括系数矩阵Mco存储模块101 ；所述的系数矩阵Mco = diag(kn, k22, · · ·，kj ； (1)结构矩阵Mrel存储模块102 ；所述的结构矩阵Mrel= MkAIVijImx6,^(2)式0)中i = l、2、3、……m，j = l、2、3、4、5、6，m 为旋翼的数量；AIVij 为第 i 个旋翼动作时对第j个自由度的绝对影响值；设多旋翼无人机机体坐标系的χ、y轴位于各连接杆所在的平面内并相互垂直，Z 轴通过多旋翼无人机的质心且垂直于各连接杆所在的平面；沿x、y、z轴正向移动自由度为正，沿χ、y、ζ轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机机体绕y轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺指针转动自由度为负；滚转角Φ为无人机机体绕χ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；偏航角Ψ为无人机机体绕ζ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；则第i个旋翼动作时对χ、y、ζ轴方向平动自由度的绝对影响值AIV11=单位转速下第ι个旋翼升力在第i个自由度方向的投影(3)单位转速下对第j个自由度的最大影响旋翼升力在该自由度方向的投影第i个旋翼动作时对俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ转动自由度的绝对影响值(4)AIV1J=单位转速下第ι个旋翼转矩在第i个自由度旋转轴法平面上的投影单位转速下对第J个自由度的最大影响旋翼转矩在该自由度旋转轴法平面上的投影当自由度向负方向变化时，k = 1，当自由度向正方向变化时k = 2 ；将系数矩阵Mro与结构矩阵Mrpl相乘并求逆得到逆矩阵(Mro · Mrpl)-1的模块103 ； 主导旋翼转速运算模块104 利用式(5)得到各主导旋翼转速，并根据其他旋翼与主导旋翼的对应关系得到其他旋翼转速，然后将得到的各旋翼转速分别传输给各旋翼对应的驱动装置的模块权利要求1. 一种多旋翼无人机全局输入解耦装置，其特征在于包括系数矩阵M。
存储模块(101)； 所述的系数矩阵 M diag(kn, k22, ... , kj ； (1) 结构矩阵Mrel存储模块(102)； 所述的结构矩阵 Mrel = (-IkAIVijIfflx6,,^., (2)式(2)中 i = 1、2、3、 m，j = l、2、3、4、5、6，m为旋翼的数量；AIVi彳为第i个旋翼动作时对第j个自由度的绝对影响值；设多旋翼无人机机体坐标系的χ、y轴位于各连接杆所在的平面内并相互垂直，ζ轴通过多旋翼无人机的质心且垂直于各连接杆所在的平面；沿χ、y、ζ轴正向移动自由度为正， 沿x、y、z轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机机体绕y轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺指针转动自由度为负；滚转角Φ为无人机机体绕χ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；偏航角Ψ为无人机机体绕ζ轴转动的角度，逆时针转动自由度为正，顺时针转动自由度为负；则第i个旋翼动作时对χ、1、ζ轴方向平动自由度的绝对影响值 单位转速下第ι个旋翼升力在第i个自由度方向的投影 单位转速下对第j个自由度的最大影响旋翼升力在该自由度方向的投影(3)第i个旋翼动作时对俯仰角θ、滚转角φ、偏航角ψ转动自由度的绝对影响值AIV11=单位转速下第1个旋翼转矩在第i个自由度旋转轴法平面上的投影(4)单位转速下对第j个自由度的最大影响旋翼转矩在该自由度旋转轴法平面上的投影当自由度向负方向变化时，k = 1，当自由度向正方向变化时k = 2 ； 将系数矩阵M。
与结构矩阵Mm1相乘并求逆得到逆矩阵(Μ· Μ&Γ1的模块103 ； 主导旋翼转速运算模块(104)利用式(5)得到各主导旋翼转速，并根据其他旋翼与主导旋翼的对应关系得到其他旋翼转速，然后将得到的各旋翼转速分别传输给各旋翼对应的驱动装置2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机全局输入解耦装置，其特征在于所述的多旋翼无人机为全驱动六旋翼无人机，其机体坐标以六旋翼无人机的质心作为坐标原点0，一号旋翼(11)所在的方向为y轴正向，以y轴正向在六个连接杆所在的平面内逆时针旋转90°所指的方向为χ轴正向，以垂直于六个连接杆所在的平面并且向上的方向为ζ轴正向沿χ、 y、ζ轴正向移动自由度为正，沿x、y、ζ轴反向移动自由度为负；俯仰角θ为无人机绕y轴转动的角度，规定沿y轴负方向看逆时针转动为俯仰角正方向；滚转角Φ为无人机绕χ轴转动的角度，规定沿χ轴负方向看逆时针转动为滚转角正方向；偏航角Ψ为无人机绕ζ轴转动的角度，规定沿ζ轴负方向逆时针转动为偏航角正方向； 所述系数矩阵M Mcrl Mcoj = diag (kn_i; k22_i; k^，, k55_1; 1 ^)所述结构矩阵3.根据权利要求1所述的多旋翼无人机全局输入解耦装置，其特征在于所述的多旋翼无人机为全欠驱动六旋翼无人机，其机体坐标以无人机的质心作为坐标原点0，一号旋翼 (21)所在的方向为χ轴正向，以χ轴正向在三个连接杆所在的平面内顺时针旋转90°所指的方向为y轴正向，以垂直于三个连接杆所在的平面并且向上的方向为ζ轴正向。
沿x、y、 ζ轴正向移动自由度为正，沿x、y、ζ轴反向移动为负；俯仰角θ为无人机绕y轴转动的角度，规定沿y轴逆时针转动为俯仰角正方向；滚转角Φ为无人机绕χ轴转动的角度，规定沿 χ轴逆时针转动为滚转角正方向；偏航角Ψ为无人机绕ζ轴转动的角度，规定沿ζ轴逆时针转动为正方向；所述的系数矩阵M所述的结构矩阵4. 一种包含权利要求1所述的多旋翼无人机全局输入解耦装置的控制系统，其特征在于χ控制器、y控制器、ζ控制器、θ控制器、φ控制器、ψ控制器分别根据给定的χ向位移、y向位移、ζ向位移、俯仰角θ、滚转角Φ、偏航角ψ与对应的反馈信号的差值计算并输出各自由度虚拟控制量；全局输入解耦装置根据接收的各自由度虚拟控制量，通过非线性解耦映射得到各旋翼转速，然后将各旋翼转速传输到各旋翼对应的驱动装置全文摘要本发明涉及一种多旋翼无人机全局输入解耦装置，该装置包括系数矩阵Mco存储模块；结构矩阵Mrel存储模块；将系数矩阵Mco与结构矩阵Mrel相乘并求逆得到逆矩阵(Mco·Mrel)-1的模块；主导旋翼转速运算模块；本发明通过非线性解耦映射实现了模型未知情况下的多旋翼无人机输入解耦，使多旋翼无人机这个多输入多输出系统解耦为若干个单输入单输出子系统，且每一个自由度只受到一个子系统回路的影响。
从而实现了自由度(位置及姿态)的独立控制，降低了系统控制的复杂度，系统控制实现简单、不基于对象的数学模型、适用范围广、适合于任意结构的多旋翼无人机。