一种复合式垂直起降无人机过渡模式的常态化方法及系统

本发明涉及飞行器控制，尤其涉及一种复合式垂直起降无人机过渡模式的常态化方法及系统。

背景技术：

1、垂直起降固定翼(vtol)无人机因其结合了旋翼无人机和固定翼无人机的优势，兼具没有起降场地限制、具有悬停能力、灵活性强、巡航速度与有效载荷高等优点，目前已经得到了广泛的应用。复合式垂直起降无人机是vtol无人机常见的一种配置方案，其具有两套动力系统：提供垂直于机体向上拉力的旋翼电机与提供前向推力的尾推电机。在旋翼模式下，无人机使用旋翼电机实现垂直起降与悬停的飞行；在固定翼模式下，无人机使用尾推电机提供前向推力，实现巡航飞行。而过渡模式下，无人机在旋翼电机没有关闭的情况下，开启尾推电机，使无人机向前加速，并且过程中旋翼电机逐渐关闭，达到预期飞行速度后进入固定翼模式。由于在过渡模式中，两套动力系统同时工作，运动状况比较复杂，系统存在较大的不确定性和干扰，外界由于气动力的存在使无人机受到的干扰较大，因此对该模式下无人机的飞行进行控制具有不小的难度。

2、在现有的对vtol无人机的过渡模式的控制方法中，主要的目的都是快速稳定的完成过渡模式，并不会将过渡模式作为一种长时间使用的工作模态进行应用。然而，随着vtol无人机需要执行的任务情况越来越复杂，无人机将需要更频繁地用于低速飞行情况，而旋翼模式和固定翼模式下的无人机很难适应低速飞行情况；例如：在旋翼模式下飞行时，阻力可能过大，并且有可能难以达到所需的速度；在固定翼模式下飞行时，速度可能过快，若速度不足则不足以维持升力。虽然过渡模式可以满足在这种情况下的飞行，过渡模式下的无人机在具有一定向前的飞行速度的前提下，由旋翼电机补充飞行过程中固定翼不足的升力，但是现仍未有将过渡模式进行常态化的控制方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种复合式垂直起降无人机过渡模式的常态化方法及系统，能够实现了对复合式垂直起降无人机在常态化的过渡模式中的飞行控制，维持期望的飞行状态。

2、本发明所采用的第一技术方案是：一种复合式垂直起降无人机过渡模式的常态化方法，包括以下步骤：

3、获取复合式垂直起降无人机过渡模式的控制逻辑；

4、基于过渡模式的控制逻辑构建过渡模式的系统模型；

5、基于过渡模式的系统模型辨识过渡模式的固定翼升力参数；

6、基于过渡模式的固定翼升力参数计算旋翼电机的期望推力；

7、基于期望推力进行过渡模式常态化的策略设计，并设计相应的位置控制器和姿态控制器。

8、进一步，所述控制逻辑包括上升与下降运动、前向运动、侧向运动和偏航运动，其中：

9、所述上升与下降运动由总升力和无人机重力的关系控制；所述总升力为复合式垂直起降无人机四个旋翼电机产生的升力与固定翼由于前向飞行产生的升力之和。

10、所述前向运动由尾推电机的转速提供的推力控制；

11、所述侧向运动由左右旋翼电机的转速差控制；

12、所述偏航运动由四个旋翼电机旋转时产生的反转力矩控制。

13、进一步，所述过渡模式的系统模型包括位置动力学方程和姿态动力学方程，其中：

14、所述位置动力学方程，其表达式如下：

15、

16、其中，m表示无人机的重量，表示在惯性系下无人机速度的一阶导数，t表示旋翼电机和尾推电机的总推力，fa表示无人机所受气动力，g表示重力，fdis表示外界干扰力；

17、所述姿态动力学方程，其表达式如下：

18、

19、其中，i表示无人机的转动惯量矩阵，ωb表示机体坐标系下的角速度，表示机体坐标系下角速度的一阶导数，表示机体坐标系下旋翼电机和尾推电机的力矩，表示机体坐标系下的气动力矩，表示机体坐标系下的干扰力矩。

20、进一步，所述基于过渡模式的系统模型辨识过渡模式的固定翼升力参数这一步骤，其具体包括：

21、将位置动力学方程沿机体坐标系的z轴方向展开，得到沿机体坐标系z轴的动力学方程；

22、基于pid控制器控制无人机的垂直速度和前进速度，设置若干组前进速度，并获取无人机的飞行高度和前进速度趋于稳定后的旋翼电机输出油门；

23、基于旋翼电机的输出油门计算旋翼电机提供的总拉力；

24、结合机体坐标系z轴的动力学方程和旋翼电机提供的总拉力，求解固定翼升力；

25、对无人机前进速度数据和固定翼升力进行二次关系拟合，得到固定翼升力参数。

26、通过该优选步骤，可以结合实际飞行中电机带来的气流影响来辨识固定翼翼升力，能够提高高度控制的控制精度和响应速度。

27、进一步，所述旋翼电机的期望推力，其计算表达式如下：

28、

29、thover＝mg/cosφcosθ-lide

30、其中，lide表示固定翼升力参数，m表示无人机的重量，g表示重力系数，thover表示旋翼电机悬停时的油门推力，az表示无人机沿机体坐标系z轴的加速度，tz表示无人机沿机体坐标系z轴的总推力，tmc表示旋翼电机的期望推力，φ表示滚转角，θ表示俯仰角，ah，sp表示朝向坐标系下的期望加速度向量，表示朝向坐标系下加速度的x轴分量，xh表示朝向坐标系x轴的单位向量，zh表示朝向坐标系x轴的单位向量。

31、进一步，所述位置控制器包含垂直高度控制控制器和水平方向控制器

32、进一步，所述垂直高度控制控制器采用带有前馈和抗饱和的pid控制器，其表达式如下：

33、

34、其中，表示垂直速度的最大限制值，表示垂直速度的最小限制值，kz表示比例系数，表示垂直加速度的最大限制值，表示垂直加速度的最小限制值，和表示pid控制器参数，kf表示前馈系数，表示积分项饱和系数，表示垂直方向上的期望速度，z表示当前垂直高度，zsp表示期望垂直高度，vz表示当前垂直方向速度，表示垂直方向速度误差，表示垂直方向的期望加速度，ivz表示高度控制器的积分项，表示垂直方向速度误差的变化率，表示垂直方向期望速度的变化率。

35、进一步，所述水平方向控制器采用抗饱和的pid控制器，其表达式如下：

36、

37、其中，ah，max表示水平加速度的最大限制值，vh，min表示水平加速度的最小限制值，和表示pid参数，iv表示控制器积分项，vh表示当前水平方向的速度向量，表示水平方向的速度误差向量，vh，sp表示水平方向的期望速度向量，表示水平方向的期望加速度向量，表示水平方向的速度误差向量变化率，表示积分项饱和系数。

38、进一步，所述姿态控制器采用饱和级联pid控制器，其表达式如下：

39、

40、其中，表示积分项饱和系数，表示比例系数，和表示姿态pid系数，表示期望姿态角速度，表示姿态角速度限制值，θ表示当前姿态角，θsp表示期望姿态角，表示当前姿态角速度，表示姿态角速度误差，表示期望姿态角加速度，表示姿态角加速度限制值，iθ表示姿态控制器积分项，表示姿态角速度误差变化率，表示积分项饱和系数。

41、本发明所采用的第二技术方案是：一种复合式垂直起降无人机过渡模式的常态化系统，包括：

42、控制逻辑模块，用于获取复合式垂直起降无人机过渡模式的控制逻辑；

43、模型构建模块，基于过渡模式的控制逻辑构建过渡模式的系统模型；

44、参数计算模块，基于过渡模式的系统模型辨识过渡模式的固定翼升力参数；

45、期望推力计算模块，基于过渡模式的固定翼升力参数计算期望推力；

46、控制器设计模块，基于期望推力进行过渡模式常态化的策略设计，并设计相应的位置控制器和姿态控制器。

47、本发明方法、系统的有益效果是：本发明基于复合式垂直起降无人机过渡模式的控制逻辑构建过渡模式的系统模型；提出了辨识过渡模式的固定翼升力参数扥方式，该方式不需要进行风洞试验，可以考虑飞行过程中电机螺旋桨产生的气流对机翼升力的干扰，能够提高高度控制的控制精度和响应速度；利用固定翼升力参数计算旋翼电机的期望推力，基于基于期望推力进行过渡模式常态化的策略设计，并设计相应的位置控制器和姿态控制器，最终实现对复合式垂直起降无人机在常态化的过渡模式中的飞行控制，实现控制逻辑中的各个运动状态；而且在维持期望的飞行状态时在一定程度上还能降低无人机的能耗。