一種命令級的車輛與無人機自適應協同控制方法與流程
1.本發明屬于無人機技術領域，具體指代一種命令級的車輛與無人機自適應協同控制方法。
背景技術：
2.無人機將地面車輛和多旋翼無人機通過線纜進行連接，當車輛在地面移動時，位于空中的無人機也需要進行同步移動，同時地面車輛上的電源設備通過系留線纜為無人機供電，使其能夠獲得充足的電力支持，從而保持長時間的滯空，以更好地保障任務需求。因而，無人機與地面車輛之間的協同運動是無人機能夠保持機動飛行的關鍵。
3.在現有技術中主要是無人機根據地面車輛的運動狀態、位置信息以及通過衛星系統和慣性元件獲取的自身位置數據，計算兩者之間的相對位置誤差，從而實現無人機對地面車輛的自動跟隨。然而，這種方法可能會導致無人機滯后反應，因為只是對地面車輛進行了指揮控制，無人機再進行了隨動。再加上無人機的任務環境通常較為復雜多變，用于測量位置信息的衛星信號也容易受外界干擾而失效，導致獲取的位置數據精度不高，并不能實現真正意義上的協同運動。因此，本發明通過命令層面的協同控制，使得無人機在突發情況或惡劣環境中仍然能夠實現自適應的控制。
技術實現要素：
4.針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種命令級的車輛與無人機自適應協同控制方法，通過命令層面的協同控制，有效解決了無人機與地面車輛之間的隨動滯后問題，能夠實現無人機在各種突發情況或惡劣環境中的協同自適應控制。
5.為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：
6.本發明的一種命令級的車輛與無人機自適應協同控制方法，包括以下步驟：
7.步驟1：根據任務需要，向地面車輛的控制系統發出相應的命令，地面車輛依據車輛動力學模型計算位移、速度、加速度等以及發動機的扭矩；
8.步驟2：將計算得到的車輛的位移、速度、加速度等參數經過轉換得到無人機的空間位置、姿態角；
9.步驟3：無人機根據飛行控制原理解算出相應的指令以及旋翼電機的輸入電壓；
10.步驟4：地面車輛和無人機分別根據發動機的扭矩、旋翼電機的輸入電壓改變各自的運動狀態；
11.步驟5：計算地面車輛和無人機之間的相對位置誤差，進行自適應的動態調整。
12.進一步地，所述步驟1中的車輛動力學模型包括：發動機模型、變矩器模型、變速器模型和車輛運動學方程。
13.進一步地，所述步驟2中將車輛的位移、速度、加速度等轉換為無人機的空間位置、姿態角的參數轉換公式如下：
[0014][0015]
式中，a為車輛的加速度，α、β、γ分別為加速度的三個方向角(坐標軸的夾角)，λ為地面坡度，μ為車輛轉彎角度。將車輛的加速度進行分解可以得到無人機在坐標系中三個方向的加速度，無人機的橫滾角φ在運動過程中一般保持不變，俯仰角θ與地面坡度λ一致，方位角ψ等價于車輛轉彎角度μ。
[0016]
進一步地，所述步驟3中的無人機飛行控制原理包括：動力學方程和旋翼電機模型。
[0017]
進一步地，所述步驟4中地面車輛根據發動機的扭矩me控制其運動狀態，無人機也通過旋翼電機的輸入電壓u實現與車輛同步的控制。
[0018]
進一步地，所述步驟5中地面車輛和無人機之間的自適應動態調整方法包括：
[0019]
(1)通過地面車輛上配備的定位裝置檢測車輛的水平位置信息，速度、方向等傳感器采集車輛的三軸姿態和速度，氣壓計測量車輛的垂直高度信息；
[0020]
(2)通過無人機上搭載的位置、高度傳感器及慣性導航元件測定無人機的三維位置信息并計算其速度和姿態；
[0021]
(3)計算無人機和車輛之間的相對位置誤差。若沒有誤差，則不需要進行調整，否則根據計算得到的相對位置誤差采用控制算法求解無人機的期望速度，再通過期望速度與實際速度的差值計算期望加速度，然后根據無人機動力學模型得到相應的指令調整無人機的位置狀態。
[0022]
本發明的有益效果：
[0023]
本發明根據車輛及無人機的相關控制原理，通過命令層面的協同控制，有效解決了無人機與地面車輛之間的協同運動的滯后問題，也避免了突發情況下衛星信號較弱甚至中斷的問題，實現了無人機在各種復雜環境下的協同自適應控制。同時，考慮了車輛和無人機的控制系統原理的不同，通過測量計算地面車輛和無人機之間的相對位置誤差，進行了自適應的動態調整，具有一定的可靠性和適用性。
附圖說明
[0024]
圖1為本發明的方法流程圖；
[0025]
圖2為車輛動力控制系統圖；
[0026]
圖3為車輛運動模型圖；
[0027]
圖4為無人機自適應動態調整方法圖。
具體實施方式
[0028]
為了便于本領域技術人員的理解，下面結合實施例與附圖對本發明作進一步的說明，實施方式提及的內容并非對本發明的限定。
[0029]
參照圖1所示，本發明的一種命令級的車輛與無人機自適應協同控制方法，包括以
下步驟：
[0030]
步驟1：根據任務需要，向地面車輛的控制系統發出相應的命令，地面車輛依據車輛動力學模型計算位移、速度、加速度等以及發動機的扭矩；
[0031]
車輛運動狀態的改變主要是輪胎力作用的結果，而輪胎力又是間接通過發動機、變矩器、變速器進行驅動產生的，車輛動力控制系統如圖2所示。車輛動力學模型包括：發動機模型、變矩器模型、變速器模型、車輛運動學方程，表達式如下：
[0032]
發動機模型：
[0033]
me＝g(p,α,β)
[0034]
式中，me為發動機的輸出扭矩，p為發動機進氣壓力，α為節流閥開度轉角，β為點火提前角；
[0035]
變矩器模型：
[0036][0037]
式中，m
t
為變扭器的渦輪輸出扭矩，m
p
為泵輪輸入扭矩；
[0038]
變速器模型：
[0039][0040]
式中，ms為驅動前輪的力矩，cs為扭轉剛度，δs為扭轉變形，ξs為阻尼系數，w
t
為渦輪轉速，ig為主減速器的齒輪傳動比，w1、w2為兩個前輪的角速度，i
t
為變速器的速比，ξ
t
為變速器的阻尼系數，i
t
為渦輪的轉動慣量，ij為變速器第j檔的轉動慣量；
[0041]
如圖3所示，根據力學相關原理建立車輛運動學方程：
[0042][0043]
式中，m為車輛質量，v
x
、vy分別為車輛的縱向、側向速度，wr為車輛的橫擺角速度，f
xi
、f
yi
為縱向輪胎力、側向輪胎力，fw為空氣阻力，δ為前輪轉角，iz為車輛轉動慣量，tf、tr分別為前、后輪的輪距，a、b分別為車輛質心到前、后軸的距離， jw為車輪的轉動慣量，wi(i＝1,2,3,4)為四個輪胎的轉動角速度，t
di
(i＝1,2)為前輪的驅動力矩，rd為車輪半徑，m
fi
(i＝
1,2,3,4)為四個輪胎的阻力矩，t
bi
(i＝1,2,3,4)為四個輪胎的制動力矩。
[0044]
步驟2：將計算得到的車輛的位移、速度、加速度等參數經過轉換得到無人機的空間位置、姿態角；
[0045]
為了使地面上的車輛和位于空中的無人機始終保持相對靜止，就要求兩者的位移、速度(大小和方向)、加速度等屬性時刻保持一致，但無人機和車輛的狀態參數不一致，因此建立參數轉換公式，將車輛的位移、速度、加速度等參數轉換為無人機的空間位置和姿態角，表達式如下：
[0046][0047]
式中，a為車輛的加速度，α、β、γ分別為加速度的三個方向角(坐標軸的夾角)，λ為地面坡度，μ為車輛轉彎角度。將車輛的加速度進行分解可以得到無人機在坐標系中三個方向的加速度，無人機的橫滾角φ在運動過程中一般保持不變，俯仰角θ與地面坡度λ一致，方位角ψ等價于車輛轉彎角度μ。
[0048]
步驟3：無人機根據飛行控制原理解算出相應的指令以及旋翼電機的輸入電壓；
[0049]
多旋翼無人機是通過調節多個電機轉速來改變螺旋槳轉速，實現升力的變化，進而達到飛行姿態控制的目的。為了更好地觀測無人機的運動狀態，定義pe＝[x,y,z]
t
為無人機相對于地面坐標系的空間位置，ae＝[φ,θ,ψ]
t
為無人機的姿態角，其中橫滾角φ為繞xb軸逆時針旋轉角度，俯仰角θ為繞yb軸逆時針旋轉角度，方位角ψ為繞zb軸逆時針旋轉角度。無人機飛行控制原理主要包括動力學方程和旋翼電機模型。
[0050]
根據牛頓-歐拉公式可以推導出無人機的動力學方程為：
[0051][0052]
式中，m為無人機質量，kf為空氣阻力系數，g為重力加速度，l為旋翼中心到無人機質心的距離，i
x
、iy、iz分別為無人機繞x軸、y軸、z軸的轉動慣量，ir為旋翼的轉動慣量，ω＝w1+w2+w3+w4為旋翼轉速的代數和；
[0053]
ui(i＝1,2,3,4)為將旋翼轉速作為控制輸入的四個虛擬控制通道：
[0054][0055]
式中，kr為旋翼的升力系數，kq為電機的扭力系數，wi(i＝1,2,3,4)為四個旋翼的轉速；
[0056]
旋翼電機模型中，旋翼轉速w與控制電壓u之間的傳遞函數表示為：
[0057][0058]
式中k
m1
和k
m2
是常數。
[0059]
步驟4：地面車輛和無人機分別根據發動機的扭矩、旋翼電機的輸入電壓改變各自的運動狀態；
[0060]
地面車輛根據動力學模型解算出的發動機扭矩調整發動機的扭矩，實現相應的位置移動，無人機也通過飛行控制原理計算出的旋翼電機輸入電壓以控制旋翼轉速也實現與車輛同步的控制，從而使得兩者進行同步的自適應的調整，始終保持相對靜止。
[0061]
步驟5：計算地面車輛和無人機之間的相對位置誤差，進行自適應的動態調整；
[0062]
如圖4所示，車輛和無人機的控制系統原理并不相似，通過命令層面的協同控制后，兩者可能并沒有達到實際意義的相對靜止，因而還需要進行自適應的動態調整，具體步驟如下：
[0063]
(1)通過地面車輛上配備的定位裝置檢測車輛的水平位置信息，速度、方向等傳感器采集車輛的三軸姿態和速度，氣壓計測量車輛的垂直高度信息；
[0064]
(2)通過無人機上搭載的位置、高度傳感器及慣性導航元件測定無人機的三維位置信息并計算其速度和姿態；
[0065]
(3)計算無人機和車輛之間的相對位置誤差。若沒有誤差，則不需要進行調整，否則根據計算得到的相對位置誤差采用控制算法求解無人機的期望速度，再通過期望速度與實際速度的差值計算期望加速度，然后根據無人機動力學模型得到相應的指令調整無人機的位置狀態。
[0066]
本發明針對無人機與地面車輛之間的隨動滯后問題，以及用于定位的衛星信號較弱甚至中斷的突發情況，通過命令層面的協同控制，實現了無人機在各種復雜環境下的協同自適應控制。同時，考慮了車輛和無人機的控制系統原理的不同，通過測量計算地面車輛和無人機之間的相對位置誤差，進行了自適應的動態調整優化，具有實用價值。
[0067]
本發明具體應用途徑很多，其思想和原理能夠應用到車輛、船舶和飛機機之間的自動協同中，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。
技術特征：
1.一種命令級的車輛與無人機自適應協同控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：根據任務需要，向地面車輛的控制系統發出相應的命令，地面車輛依據車輛動力學模型計算位移、速度、加速度等以及發動機的扭矩；步驟2：將計算得到的車輛的位移、速度、加速度等參數經過轉換得到無人機的空間位置、姿態角；步驟3：無人機根據飛行控制原理解算出相應的指令以及旋翼電機的輸入電壓；步驟4：地面車輛和無人機分別根據發動機的扭矩、旋翼電機的輸入電壓改變各自的運動狀態；步驟5：計算地面車輛和無人機之間的相對位置誤差，進行自適應的動態調整。2.根據權利要求1所述的基于命令的自適應的無人機協同控制方法，其特征在于，所述步驟1中的車輛動力學模型包括：發動機模型、變矩器模型、變速器模型和車輛運動學方程。3.根據權利要求1所述的基于命令的自適應的無人機協同控制方法，其特征在于，所述步驟2中將車輛的位移、速度、加速度等轉換為無人機的空間位置、姿態角的參數轉換公式如下：式中，a為車輛的加速度，α、β、γ分別為加速度的三個方向角(坐標軸的夾角)，λ為地面坡度，μ為車輛轉彎角度。將車輛的加速度進行分解可以得到無人機在坐標系中三個方向的加速度，無人機的橫滾角φ在運動過程中一般保持不變，俯仰角θ與地面坡度λ一致，方位角ψ等價于車輛轉彎角度μ。4.根據權利要求1所述的基于命令的自適應的無人機協同控制方法，其特征在于，所述步驟3中的無人機飛行控制原理包括：動力學方程和旋翼電機模型。5.根據權利要求1所述的基于命令的自適應的無人機協同控制方法，其特征在于，所述步驟4中地面車輛根據發動機的扭矩m
e
控制其運動狀態，無人機也通過旋翼電機的輸入電壓u實現與車輛同步的控制。6.根據權利要求1所述的基于命令的自適應的無人機協同控制方法，其特征在于，所述步驟5中地面車輛和無人機之間的自適應動態調整方法包括：(1)通過地面車輛上配備的定位裝置檢測車輛的水平位置信息，速度、方向等傳感器采集車輛的三軸姿態和速度，氣壓計測量車輛的垂直高度信息；(2)通過無人機上搭載的位置、高度傳感器及慣性導航元件測定無人機的三維位置信息并計算其速度和姿態；(3)計算無人機和車輛之間的相對位置誤差。若沒有誤差，則不需要進行調整，否則根據計算得到的相對位置誤差采用控制算法求解無人機的期望速度，再通過期望速度與實際速度的差值計算期望加速度，然后根據無人機動力學模型得到相應的指令調整無人機的位置狀態。
技術總結
本發明公開了一種命令級的車輛與無人機自適應協同控制方法，包括以下步驟：根據任務需要，向地面車輛的控制系統發出相應的命令，地面車輛依據車輛動力學模型計算位移、速度、加速度等以及發動機的扭矩；將計算得到的車輛的位移、速度、加速度等參數經過轉換得到無人機的空間位置、姿態角；無人機根據飛行控制原理解算出相應的指令以及旋翼電機的輸入電壓；地面車輛和無人機分別根據發動機的扭矩、旋翼電機的輸入電壓改變各自的運動狀態；計算地面車輛和無人機之間的相對位置誤差，進行自適應的動態調整。本發明有效解決了無人機與地面車輛之間的隨動滯后問題，能夠實現無人機在各種突發情況或惡劣環境中的協同自適應控制。突發情況或惡劣環境中的協同自適應控制。突發情況或惡劣環境中的協同自適應控制。
