本技術(shù)涉及飛行汽車，尤其是涉及一種敏捷構(gòu)型的智能飛行汽車。

背景技術(shù)：

1、在飛行汽車處于空中飛行的過(guò)程中，無(wú)法直接改變偏航角(yaw)，通常通過(guò)改變滾轉(zhuǎn)角(roll)以及俯仰角(pitch)以改變飛行汽車的偏航角，這種方式在到達(dá)期望位置時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)掉高現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平飛轉(zhuǎn)彎行為。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本技術(shù)提供了一種敏捷構(gòu)型的智能飛行汽車，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。

2、本技術(shù)實(shí)施例提供一種敏捷構(gòu)型的智能飛行汽車，包括：擺線轉(zhuǎn)子飛行器和控制芯片；所述擺線轉(zhuǎn)子飛行器中設(shè)置舵機(jī)；用于通過(guò)改變飛行汽車的偏航角實(shí)現(xiàn)空中的平飛轉(zhuǎn)彎行為；所述控制芯片中設(shè)置模態(tài)切換模塊和空中模態(tài)控制模塊；

3、所述模態(tài)切換模塊，用于響應(yīng)于模態(tài)切換指令，利用狀態(tài)機(jī)將飛行汽車模態(tài)切換為空中模態(tài)，并啟動(dòng)空中模態(tài)控制模塊；

4、所述空中模態(tài)控制模塊，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)置的飛行路徑的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，判斷飛行汽車的行為為上升、下降或平飛轉(zhuǎn)彎，基于當(dāng)前時(shí)刻的飛行汽車狀態(tài)參數(shù)，利用空中狀態(tài)方程解算得到當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力及三個(gè)方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，基于當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力及三個(gè)方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，利用空中飛行的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到擺線轉(zhuǎn)子飛行器的當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的四個(gè)轉(zhuǎn)子的升力，將四個(gè)轉(zhuǎn)子的升力發(fā)送至擺線轉(zhuǎn)子飛行器。

5、進(jìn)一步地，當(dāng)飛行汽車的行為為平飛轉(zhuǎn)彎；

6、基于上一時(shí)刻的飛行汽車狀態(tài)參數(shù)，利用空中狀態(tài)方程解算得到當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力及三個(gè)方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，包括：

7、當(dāng)飛行汽車的行為為平飛轉(zhuǎn)彎，飛行汽車空中狀態(tài)方程為：

8、

9、其中，a、b和c均為矩陣；xk為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車狀態(tài)參數(shù)：xk＝[pk,x；pk,y；pk,z；vk,x；vk,y；vk,z；wk,x；wk,y；wk,z；qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t其中，(pk,x；pk,y；pk,z)為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車位置的三個(gè)分量，(vk,x；vk,y；vk,z)為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車速度的三個(gè)分量，wk,x、wk,y和wk,z分別為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車的滾動(dòng)角角速度、俯仰角角速度和偏航角角速度；[qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車的四元組；

10、xk+1為預(yù)測(cè)的下一時(shí)刻tk+1的飛行汽車狀態(tài)參數(shù)；

11、uk→k+1為當(dāng)前時(shí)刻tk到下一時(shí)刻tk+1的控制輸入：

12、uk→k+1＝[thrust；mx；my；mz]t

13、其中，thrust為當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的總升力，mx，my和mz分別為當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的飛行汽車三個(gè)方向的力矩；

14、yk+1為下一時(shí)刻tk+1的輸出：

15、yk+1＝[pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z；yawk+1]t

16、其中，(pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z)為下一時(shí)刻tk+1的飛行汽車的位置的三個(gè)分量，yawk+1為下一時(shí)刻tk+1的飛行汽車的偏航角；

17、

18、其中，p為飛行汽車的位置向量，為p的一階微分，v為飛行汽車的速度向量，為v的一階微分，w為飛行汽車的角速度分量，為w的一階微分，q為飛行汽車的四元組，為q的一階微分；為飛行汽車狀態(tài)參數(shù)的微分；

19、的計(jì)算方程組如下：

20、

21、其中，c為升力向量：c＝[0；0；thrust]t，g為重力向量：g＝[0；0；9.8]t，m為力矩向量：m＝[mx；my；mz]t，j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向量：j＝[jxx；jyy；jzz]t，jxx、jyy和jzz為飛行汽車的三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t表示轉(zhuǎn)置；

22、定義損失函數(shù)minj為：

23、minj＝(yk+1-yref)t·q·(yk+1-yref)+uk→k+1t·r·uk→k+1

24、其中，yref為下一時(shí)刻tk+1的輸出的期望值：

25、yref＝[pref,x；pref,y；pref,z；yawref]t

26、(pref,x；pref,y；pref,z)為下一時(shí)刻tk+1飛行汽車三個(gè)方向的期望位置，yawref為下一時(shí)刻tk+1飛行汽車的期望偏航角，q和r均為權(quán)重矩陣；

27、利用的計(jì)算方程組和損失函數(shù)，解算得到uk→k+1的最優(yōu)向量，即當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力及三個(gè)方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。

28、進(jìn)一步地，當(dāng)飛行汽車的行為為上升或下降；

29、當(dāng)飛行汽車的行為為平飛轉(zhuǎn)彎，飛行汽車空中狀態(tài)方程為：

30、

31、其中，a、b和c均為矩陣；xk為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車狀態(tài)參數(shù)：xk＝[pk,x；pk,y；pk,z；vk,x；vk,y；vk,z；wk,x；wk,y；wk,z；qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t其中，(pk,x；pk,y；pk,z)為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車位置的三個(gè)分量，(vk,x；vk,y；vk,z)為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車速度的三個(gè)分量，wk,x、wk,y和wk,z分別為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車的滾動(dòng)角角速度、俯仰角角速度和偏航角角速度；[qk,w；qk,x；qk,y；qk,z]t為當(dāng)前時(shí)刻tk的飛行汽車的四元組；

32、xk+1為預(yù)測(cè)的下一時(shí)刻tk+1的飛行汽車狀態(tài)參數(shù)；

33、uk→k+1為當(dāng)前時(shí)刻tk到下一時(shí)刻tk+1的控制輸入：

34、uk→k+1＝pthrust；mx；my；mz]t

35、其中，thrust為當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的總升力，mx，my和mz分別為當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的飛行汽車三個(gè)方向的力矩；

36、yk+1為下一時(shí)刻tk+1的輸出：

37、yk+1＝[pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z；yawk+1]t

38、其中，(pk+1,x；pk+1,y；pk+1,z)為下一時(shí)刻tk+1的飛行汽車的位置的三個(gè)分量，yawk+1為下一時(shí)刻tk+1的飛行汽車的偏航角；

39、

40、其中，p為飛行汽車的位置向量，為p的一階微分，v為飛行汽車的速度向量，為v的一階微分，w為飛行汽車的角速度分量，為w的一階微分，q為飛行汽車的四元組，為q的一階微分；為飛行汽車狀態(tài)參數(shù)的微分；

41、的計(jì)算方程組如下：

42、

43、其中，c為升力向量：c＝[0；0；thrust]t，g為重力向量：g＝[0；0；9.8]t，m為力矩向量：m＝[mx；my；mz]t，j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向量：j＝[jxx；jyy；jzz]t，jxx、jyy和jzz為飛行汽車的三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t表示轉(zhuǎn)置；

44、定義損失函數(shù)minj為：

45、minj＝(yk+1-yref)t·q·(yk+1-yref)+uk→k+1t·r·uk→k+1

46、其中，yref為下一時(shí)刻tk+1的輸出的期望值：

47、yref＝[pref,x；pref,y；pref,z；yawref]t

48、(pref,x；pref,y；pref,z)為下一時(shí)刻tk+1飛行汽車三個(gè)方向的期望位置，yawref為下一時(shí)刻tk+1飛行汽車的期望偏航角，q和r均為權(quán)重矩陣；

49、利用的計(jì)算方程組和損失函數(shù)，解算得到uk→k+1的最優(yōu)向量，即當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力及三個(gè)方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。

50、進(jìn)一步地，所述空中飛行的動(dòng)力學(xué)模型為：

51、

52、其中，f1，f2，f3和f4表示四個(gè)轉(zhuǎn)子的升力，m1，m2，m3和m4表示四個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，l1，l2，l3，l4表示四個(gè)轉(zhuǎn)子質(zhì)心到飛行汽車質(zhì)心的距離，θ為舵機(jī)偏角，m為飛行汽車質(zhì)量，為當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力，和為當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的三個(gè)方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。

53、進(jìn)一步地，所述控制芯片還包括：地面模態(tài)控制模塊，所述模態(tài)切換模塊還用于：響應(yīng)于模態(tài)切換指令，利用狀態(tài)機(jī)將飛行汽車切換為地面模態(tài)，并啟動(dòng)地面模態(tài)控制模塊；

54、所述地面模態(tài)控制模塊，用于根據(jù)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置，判斷飛行汽車的行為為運(yùn)動(dòng)或靜止，基于當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，利用第一p?id控制器和第二pid控制器計(jì)算下一時(shí)刻的位置環(huán)的輸出量以及姿態(tài)環(huán)的輸出量，由此得到下一時(shí)刻的速度和轉(zhuǎn)向角的二階微分；基于下一時(shí)刻的速度和轉(zhuǎn)向角的二階微分，利用地面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到擺線轉(zhuǎn)子飛行器的四個(gè)轉(zhuǎn)子的下一時(shí)刻的速度，將四個(gè)轉(zhuǎn)子的下一時(shí)刻的速度發(fā)送至擺線轉(zhuǎn)子飛行器。

55、進(jìn)一步地，基于當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)，利用第一p?id控制器和第二p?id控制器計(jì)算下一時(shí)刻的位置環(huán)的輸出量以及姿態(tài)環(huán)的輸出量，由此得到下一時(shí)刻的速度和轉(zhuǎn)向角的二階微分；包括：

56、第一pid控制器的微分方程為：

57、

58、其中，k1p、k1i和k1d分別表示第一pid控制器的比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)；ex、ey和ez為飛行汽車的位置偏差的三個(gè)分量：

59、[ex,ey,ez]t＝[px-px_ref,py-py_ref,pz-pz_ref]t

60、[px；py；pz]t為當(dāng)前時(shí)刻飛行汽車的位置的三個(gè)分量；

61、[px_ref,py_ref,pz_ref]t為飛行汽車的目標(biāo)位置的三個(gè)分量；

62、[δx,δy,δz]t為位置環(huán)的輸出量；δx為x方向的位置一階微分；δy為y方向的位置一階微分；δz為z方向的位置一階微分；

63、第二pid控制器的微分方程為：

64、

65、其中，k2p、k2i和k2d分別表示第二pid控制器的比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)；為飛行汽車轉(zhuǎn)向角偏差：

66、yaw為當(dāng)前時(shí)刻飛行汽車的轉(zhuǎn)向角，yawref飛行汽車的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角；

67、為下一時(shí)刻的姿態(tài)環(huán)的輸出量；為飛行汽車轉(zhuǎn)向角的一階微分；

68、根據(jù)下一時(shí)刻的位置環(huán)的輸出量，計(jì)算左輪的速度vl以及右輪的速度vr，得到下一時(shí)刻的速度

69、根據(jù)下一時(shí)刻的姿態(tài)環(huán)的輸出量，得到下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)向角的二階微分

70、進(jìn)一步地，所述地面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型為：

71、

72、其中，v1，v2，v3，v4表示四個(gè)轉(zhuǎn)子的速度，r為轉(zhuǎn)子半徑，ll和lr為左輪半徑和右輪半徑。

73、進(jìn)一步地，所述控制芯片還包括：水面模態(tài)控制模塊，所述模態(tài)切換模塊還用于：響應(yīng)于模態(tài)切換指令，利用狀態(tài)機(jī)將飛行汽車切換為水面模態(tài)，并啟動(dòng)水面模態(tài)控制模塊；

74、所述水面模態(tài)控制模塊，用于根據(jù)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置，判斷飛行汽車的行為為運(yùn)動(dòng)或靜止，基于當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)，利用第三pid控制器和第四pid控制器計(jì)算下一時(shí)刻的位置環(huán)的輸出量以及姿態(tài)環(huán)的輸出量，由此得到當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力和z方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩；基于當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力和z方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，利用水面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到擺線轉(zhuǎn)子飛行器的當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的四個(gè)轉(zhuǎn)子的升力；將四個(gè)轉(zhuǎn)子的升力發(fā)送至擺線轉(zhuǎn)子飛行器。

75、進(jìn)一步地，基于當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)，利用第三p?id控制器和第四p?id控制器計(jì)算下一時(shí)刻的位置環(huán)以及姿態(tài)環(huán)，由此得到當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力和z方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩；包括：

76、第三pid控制器的微分方程為：

77、

78、其中，k3p、k3i和k3d分別表示第三pid控制器的比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)；ex、ey和ez為飛行汽車的位置偏差的三個(gè)分量：

79、[ex,ey,ez]t＝[px-px_ref,py-py_ref,pz-pz_ref]t

80、[px；py；pz]t為當(dāng)前時(shí)刻飛行汽車的位置的三個(gè)分量；

81、[px_ref,py_ref,pz_ref]t為飛行汽車的目標(biāo)位置的三個(gè)分量；

82、[δx,δy,δz]t為下一時(shí)刻的位置環(huán)的輸出量；[δx,δy,δz]t為位置環(huán)的輸出量；δx為x方向的位置一階微分；δy為y方向的位置一階微分；δz為z方向的位置一階微分；

83、第四pid控制器的微分方程為：

84、

85、其中，k4p、k4i和k4d分別表示第四pid控制器的比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)；eφ,eθ和為飛行汽車的滾動(dòng)角偏差、俯仰角偏差和轉(zhuǎn)向角偏差：

86、

87、roll為當(dāng)前時(shí)刻飛行汽車的滾動(dòng)角，rollref為飛行汽車的目標(biāo)滾動(dòng)角；pitch為當(dāng)前時(shí)刻飛行汽車的俯仰角，pitchref為飛行汽車的目標(biāo)俯仰角；yaw為當(dāng)前時(shí)刻飛行汽車的轉(zhuǎn)向角，yawref為飛行汽車的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角；

88、為下一時(shí)刻的姿態(tài)環(huán)的輸出量；δφ為滾動(dòng)角的一階微分；δθ為俯仰角的一階微分；為偏向角的一階微分；

89、根據(jù)位置環(huán)的輸出量得到當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的最優(yōu)總升力根據(jù)姿態(tài)環(huán)的輸出量得到當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的z方向的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩

90、進(jìn)一步地，所述水面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型為：

91、

92、其中，f1，f2，f3和f4表示四個(gè)轉(zhuǎn)子的升力，m1，m2，m3和m4表示四個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，l1，l2，l3，l4表示四個(gè)轉(zhuǎn)子質(zhì)心到飛行汽車質(zhì)心的距離，θ表示舵機(jī)偏角。

93、本技術(shù)能夠通過(guò)改變飛行汽車的偏航角實(shí)現(xiàn)平飛轉(zhuǎn)彎行為，在到達(dá)期望位置時(shí)不會(huì)出現(xiàn)掉高現(xiàn)象。