用于控制电动垂直起降飞行器的系统和方法与流程

本发明总体上涉及飞行器控制，并且特别地涉及对电动垂直起降飞行器的控制。

背景技术：

1、垂直起降(vtol)飞行器是能够垂直起降和悬停的飞行器，提供将旅行者直接运送到他们的目的地的能力。直升机是完全通过其旋翼产生升力的vtol飞行器。一些vtol飞行器具有机翼和推进系统，推进系统使机翼能够提供在向前飞行期间所需的升力。一些有翼vtol飞行器使用用于起降期间的垂直推力和用于巡航期间的向前推力的单独推进系统。其它有翼vtol飞行器使用在垂直推力位置与向前推力位置之间倾斜的可倾斜推进系统。电动vtol飞行器使用电动推进单元来提供用于垂直飞行和向前飞行的推力。许多电动vtol飞行器包括可运动的电动推进单元，其中推进单元的推力矢量可以被改变，例如从用于垂直升力的向上方向改变到用于向前飞行的向前方向。由于致动器自由度比运动自由度更多，因此许多电动vtol飞行器是过致动的。控制分配是指在过致动系统中的多个致动器之间分配控制力的问题。电动vtol飞行器通常包括比传统飞行器更多的推进单元和其它致动器，并且推进单元和其它致动器强烈地影响多个控制轴线。因此，电动vtol飞行器可能面临比传统飞行器更大的控制分配问题。

技术实现思路

1、根据一些实施例，用于电动vtol飞行器中的控制分配的系统和方法包括在控制飞行器的致动器时考虑旋翼声学。根据各种实施例，控制分配包括求解优化目标函数，该优化目标函数包括作为主要目标的满足力和力矩命令以及作为次要目标的调制旋翼声学。在一些实施例中，通过最小化沿边飞行、改变旋翼组中的旋翼速度和/或最小化螺旋桨尖端速度来调制旋翼声学。

2、根据一些实施例，用于控制分配的系统和方法包括在控制飞行器的致动器时考虑电池组电量。在一些实施例中，电动vtol飞行器包括多个电池组，多个电池组彼此电隔离，并且为一个或多个电动推进单元供电。控制分配可以包括求解优化目标函数，该优化目标函数包括作为主要目标的满足力和力矩命令以及作为次要目标的平衡电池组的能量使用。在一些实施例中，优先利用由具有较大电量的电池组供能的电动推进单元。

3、根据各种实施例，一种控制电动飞行器的方法，所述电动飞行器包括多个致动器，所述多个致动器包括多个电动推进单元，所述方法包括：接收用于所述电动飞行器的力和力矩命令；基于期望的力和力矩命令通过求解优化问题来确定用于所述多个致动器的控制命令，所述优化问题包括使由电动推进单元产生的噪声最小化的噪声最小化项；以及根据所确定的控制命令来控制所述多个致动器，以满足用于所述电动飞行器的力和力矩命令。

4、在这些实施例的任一个中，根据所确定的控制命令来控制所述多个致动器可以包括：使多个电动推进单元中的至少第一电动推进单元以不同于所述多个电动推进单元中的至少第二电动推进单元的速度来运行，以将所述多个电动推进单元的频率分散在更宽的频带上。

5、在这些实施例的任一个中，更靠近所述飞行器的机身的电动推进单元可以以比远离所述机身的电动推进单元更低的速度运行，以降低所述机身处的噪声。

6、在这些实施例的任一个中，电动推进单元可以在向前直航飞行期间以不同速度运行。

7、在这些实施例的任一个中，所述多个电动推进单元的至少一部分可以是可倾斜的，并且根据所确定的控制命令来控制所述多个致动器可以包括倾斜所述电动推进单元和调节所述飞行器的姿态中的至少一者以使沿边飞行时间最小化。

8、在这些实施例的任一个中，根据所确定的控制命令来控制所述多个致动器可以包括：设定至少一个电动推进单元的叶片的桨距，以使所述至少一个电动推进单元的速度最小化。

9、在这些实施例的任一个中，所述电动飞行器可以是垂直起降飞行器。

10、在这些实施例的任一个中，所述电动飞行器可以是载人的。

11、在这些实施例的任一个中，所述电动飞行器可以包括在所述飞行器的机身的任一侧上的多个电动推进单元。

12、根据各种实施例，一种用于控制电动飞行器的系统，所述电动飞行器包括多个致动器，所述多个致动器包括多个电动推进单元，所述系统包括一个或多个处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序存储在所述存储器中以由所述一个或多个处理器来执行：接收用于所述电动飞行器的期望的力和力矩命令；基于期望的力和力矩命令通过求解优化问题来确定用于所述多个致动器的控制命令，所述优化问题包括使由电动推进单元产生的噪声最小化的噪声最小化项；以及根据所确定的控制命令来控制所述多个致动器，以满足用于所述电动飞行器的期望的力和力矩命令。

13、根据各种实施例，一种控制电动飞行器的方法，所述电动飞行器包括多个致动器，所述多个致动器包括多个电动推进单元和为所述多个电动推进单元供电的多个电池组，所述方法包括：接收用于所述电动飞行器的期望的力和力矩命令；监测所述多个电池组的能量状态，其中所述多个电池组的至少第一电池组与所述多个电池组的至少第二电池组电隔离；基于所述期望的力和力矩命令通过求解优化问题来确定用于所述多个致动器的控制命令，所述优化问题包括根据所监测的所述多个电池组的能量状态来平衡所述电动推进单元的能量汲取的能量平衡项；以及根据所确定的控制命令来控制所述多个致动器以满足所述电动飞行器的期望的力和力矩命令。

14、在这些实施例的任一个中，所述第一电池组具有比所述第二电池组低的剩余能量，并且由所述第一电池组供电的第一电动推进单元以比由所述第二电池组供电的第二电动推进单元低的功率运行。

15、在这些实施例的任一个中，所述第一电池组和所述第二电池组具有相同的能量容量。

16、在这些实施例的任一个中，所述第一电动推进单元和所述第二电动推进单元具有相同的额定功率。

17、在这些实施例的任一个中，所述能量平衡项包括用于所述多个电动推进单元的一组优选运行状态，并且由具有较低剩余能量的电池组供电的电动推进单元的优选运行状态低于用于由具有较高剩余能量的电池组供电的电动推进单元的优选运行状态。

18、在这些实施例的任一个中，所述能量平衡项包括用于偏离优选运行状态的一组惩罚，并且与连接到较低能量电池组的电动推进单元相关联的惩罚高于与连接到较高能量电池组的电动推进单元相关联的惩罚。

19、在这些实施例的任一个中，所述优化问题包括使由所述电动推进单元产生的噪声最小化的噪声最小化项。

20、在这些实施例的任何一个中，所述电动飞行器是垂直起降飞行器。

21、在这些实施例的任一个中，所述电动飞行器是载人的。

22、在这些实施例的任一个中，所述电动飞行器包括在所述飞行器的机身的任一侧上的多个电动推进单元。

23、根据各种实施例，一种用于控制电动飞行器的系统，所述电动飞行器包括多个致动器，所述多个致动器包括多个电动推进单元，所述系统包括一个或多个处理器、存储器和一个或多个程序，所述一个或多个程序存储在所述存储器中以由所述一个或多个处理器执行：接收用于所述电动飞行器的期望的力和力矩命令；监测所述多个电池组的能量状态，其中所述多个电池组的至少第一电池组与所述多个电池组的至少第二电池组电隔离；基于所述期望的力和力矩命令通过求解优化问题来确定用于所述多个致动器的控制命令，所述优化问题包括根据所监测的所述多个电池组的能量状态来平衡所述电动推进单元的能量汲取的能量平衡项；以及根据所确定的控制命令来控制所述多个致动器以满足所述电动飞行器的期望的力和力矩命令。