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申请/专利权人：厦门理工学院

摘要：本发明公开了一种四旋翼无人机位姿一体化建模与控制方法、装置及产品，该方法包括：S1，定义位姿扭量；S2，建立扭量体系下的四旋翼无人机运动学与动力学模型，得到力、力矩与四旋翼无人机模型位置、姿态的关系；S3，建立扭量体系下的四旋翼无人机相对运动学和动力学模型，进一步得到相对力、相对力矩与四旋翼无人机模型位置、姿态的关系；S4，基于所获得的四旋翼无人机的运动学与动力学模型以及四旋翼无人机的相对运动学和相对动力学模型，实现对四旋翼无人机的位姿一体化控制。利用上述技术方案，可以实现更高效且无参数冗余与归一化约束问题的四旋翼无人机控制。

主权项：1.一种四旋翼无人机位姿一体化建模与控制方法，其特征在于，基于扭量对四旋翼无人机姿态进行描述，所述方法包括以下步骤：S1，定义位姿扭量：将第一坐标系通过姿态四元数进行旋转运动后再通过平移矢量平移运动到第二坐标系，获得平移矢量在所述坐标系下的四元数表示为，根据所获得的所述四元数表示和位姿对偶四元数理论获得所述第一坐标系到所述第二坐标系的位姿对偶四元数，根据所获得的所述位姿对偶四元数并基于对偶四元数的定义得到几何代数框架下所述第一坐标系相对于所述第二坐标系的位姿扭量，所述第一坐标系包括：期望系和或惯性系；所述第二坐标系包括：所述四旋翼无人机的本体系和或期望系；其中：所述位姿扭量表达式为： 其中为位姿对偶四元数，为对偶四元数的实部与对偶部的四元数标部都为零时的集合；S2，将所述四旋翼无人机等效为刚体，获得扭量体系下的动力学方程和运动学方程，并通过所获得的扭量体系下的动力学方程和运动学方程构建所述四旋翼无人机的运动学与动力学模型，其中：通过对位姿扭量求导后，代入位姿对偶四元数的运动学方程来获得如下扭量体系下的运动学方程： 其中，，分别为对偶速度矢量，的对偶四元数形式，变量下标表示变量为第一坐标系相对于第二坐标系的变量，变量上标或表示当前在计算的坐标系，粗体变量为矢量，不加粗变量为标量，变量上带符号表示该变量为扭量；通过定义对偶质量算子及扭量体系下的力螺旋来获得如下扭量体系下的动力学方程： 与 其中，为对偶质量算子，为在惯性系下的力螺旋，为在本体系B下的力螺旋，，为对偶速度矢量，变量上标或表示当前在计算的坐标系，变量下标表示变量为惯性系相对于本体系的变量；S3，根据所述四旋翼无人机的期望系相对于本体系的位姿扭量得到基于扭量体系下所述四旋翼无人机的相对运动学方程，并根据所述步骤S2中获得的动力学方程结合受力分析得到基于扭量体系下所述四旋翼无人机的相对动力学方程，通过所获得的基于扭量体系下的相对运动学方程和相对动力学方程构建所述四旋翼无人机的相对运动学和相对动力学模型，其中：将惯性系相对期望系的位姿扭量与惯性系相对本体系的位姿扭量合成，获得本体系相对期望系的位姿扭量，对所述求导来获得扭量体系下的相对运动学方程： 其中 ，，分别为对偶速度矢量，，的对偶四元数形式，变量上标表示当前在计算的坐标系，变量下标表示变量为期望系相对于本体系的变量，变量下标表示变量为惯性系相对于本体系的变量，变量下标表示变量为惯性系相对于期望系的变量；根据所述步骤S2中获得的动力学方程并结合受力分析将扭量体系下的相对动力学方程写为： 其中 表示所述四旋翼无人机质量，表示所述四旋翼无人机体在本体系下的惯量矩阵，表示对偶单位，表示所述四旋翼无人机在本体系下受到的重力，表示所述四旋翼无人机在本体系下受到的控制力，表示所述四旋翼无人机在本体系下受到的扰动力，表示所述重力在本体系B下的合外力矢量，表示所述控制力在本体系下的合外力矢量，表示所述扰动力在本体系B下的合外力矢量，表示所述控制力在本体系下的力矩，表示所述扰动力在本体系下的力矩；S4，基于所获得的所述四旋翼无人机的运动学与动力学模型以及所述四旋翼无人机的相对运动学和相对动力学模型，实现对所述四旋翼无人机的位姿一体化控制。

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