[發明專利]一種考慮電機飽和的高機動微型無人機控制分配方法

有效

• 申請號: 202110048413.7
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112904876B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 蔡志浩;孫幫樂;趙江;王英勛;李欣
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明屬于飛行器控制技術領域，特別涉及一種考慮電機飽和的高機動微型無人機控制分配方法，包括步驟：劃分微型無人機的飛行模式，并分析各飛行模式的特點；根據各飛行模式的特點，確定各飛行模式的控制分配方程并設置各飛行模式的控制輸入優先級；根據確定的控制分配方程解算各飛行模式對應的電機拉力，同時根據控制輸入優先級，制定各飛行模式對應的電機防飽和法；設定飛行狀態，使得微型無人機在執行飛行任務時能夠在不同的電機防止飽和方法中無縫切換。本發明依據各飛行模式特點以在各模式下設置動態的控制輸入優先級，確定控制分配方法，從而彌補了傳統方法的缺陷，確保微型無人機在機動飛行的穩定性以保證無人機的飛行安全。

技術領域

本發明屬于飛行器控制技術領域，特別涉及一種考慮電機飽和的高機動微型無人機控制分配方法。本發明依據各飛行模式特點以在各模式下設置動態的控制輸入優先級，確定控制分配方法，從而彌補了傳統方法的缺陷，確保微型無人機在機動飛行的穩定性以保證無人機的飛行安全。

背景技術

微型無人機具有體積小、重量輕、操作性強、可單人攜帶、隱蔽性好、操作方便等特點，具有巨大的軍事價值和民用價值。與傳統飛行器不同，微型無人機在復雜環境下的自主飛行技術是一項極具挑戰性的研究課題。微型無人機隨著應對情況復雜性的增加，要求的機動性也相應的增高，可控調整時間也相應變短，由于微型無人機在高機動飛行時，需要生成很大的控制指令，而這會導致產生非常大的電機飽和現象，從而影響微型無人機的機動飛行能力。

目前主要通過消減電機的拉力控制輸入來間接消減電機的轉速，以避免電機飽和現象的發生。此方法簡單可行，但具有如下缺點：1)如果其中一個電機拉力被削減，則不能實現原有期望的控制分配輸入力矩τ_des和拉力f_des，從而造成微型無人機在做機動飛行時的不穩定現象；2)要完成某種任務，微型無人機的高機動飛行需要多種飛行模式，如軌跡跟蹤、目標搜索，目標跟蹤等模式，在實際飛行模式下并非所有控制分配輸入都同樣重要，利用消減拉力這一種方法解決多種飛行模式下的電機飽和是不現實的。

發明內容

一旦計算出期望的單個電機拉力，必須確保每個電機轉速在設定范圍之內，如果超出設定范圍，則可以認為電機發生了飽和。為解決上述通過消減拉力來解決電機飽和的傳統方法極易造成飛行器控制力矩輸入與期望的力矩輸入偏差過大，使得微型無人機做高機動飛行時極易產生機體不穩定現象的問題，本發明基于微型無人機在高機動飛行情況下控制輸入的重要程度不同，提出了動態設置控制輸入優先級方法以實現控制分配。具體地，本發明針對微型無人機在高機動飛行時電機易發生飽和的特點，根據微型無人機所在的高機動飛行模式，提出一種考慮電機飽和的高機動微型無人機控制分配方法，該方法首先將微型無人機的飛行任務劃分為三種飛行模式并分析其模式特點；然后根據各飛行模式特點確定電機拉力計算方式以及控制輸入優先級；最后根據對應的控制輸入的優先級設計相應的控制分配方法。本方法彌補了消減拉力后微型無人機的不穩定性以及靠單一方法解決多種飛行模式下電機飽和問題的不可靠問題，具有可靠性強，魯棒性高的特點。

為實現上述目的，本發明提供了一種考慮電機飽和的高機動微型無人機控制分配方法，包括如下步驟：

步驟1：根據飛行環境以及任務目標劃分微型無人機的飛行模式，并分析各飛行模式的特點；

步驟2：根據各飛行模式的特點，確定各飛行模式的控制分配方程并設置各飛行模式的控制輸入優先級；

步驟3：根據確定的控制分配方程解算各飛行模式對應的電機拉力，同時根據控制輸入優先級，制定各飛行模式對應的電機防飽和法；

步驟4：設定飛行狀態，使得微型無人機在執行飛行任務時能夠在不同的電機防止飽和方法中無縫切換，保證微型四旋翼在高機動飛行時的穩定性和系統的魯棒性。

進一步，步驟1中，將微型無人機的飛行模式劃分為巡航模式、搜索模式和跟蹤模式三種模式中的一種或多種。

進一步，各飛行模式特點如下：