[發明專利]一種多矢量推力傾轉旋翼無人機及其航向控制方法

有效

• 申請號: 202110376936.4
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113148135B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 樊有容;馮亞東;張帥;王新華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64C27/22
• 分類號: B64C27/22;B64C27/32;B64C27/52
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 施昊

本發明公開了一種多矢量推力傾轉旋翼無人機及其航向控制方法，該無人機包括偶數個對稱設置在左、右機翼前端的傾轉旋翼系統，以及一個設置在平尾前部的非傾轉旋翼系統。采用多矢量推力的主動控制方法，提高了航向控制的快速性；設計氣動舵面與多矢量推力裝置按權重控制分配方法，提高了航向控制的效率。本發明具有可垂直起降、巡航速度快、航程遠、可靠性高、控制效率高等諸多優點，極大提高了飛行安全性與飛行品質。

技術領域

本發明屬于無人機技術領域，特別涉及了一種多矢量推力傾轉旋翼無人機及其航向控制方法。

背景技術

傾轉旋翼飛機既有直升機垂直起降、空中懸停的特點，又有固定翼巡航速度快、航程遠、飛行效率高的特點。因此傾轉旋翼無人機一直是國內外研究的熱點。

傾轉旋翼機的難點在于一方面，它的機械結構復雜，可靠性性難以保證；另一方面它的氣動特性復雜，在傾轉過程中存在耦合以及過驅動。

因此，本領域仍然需要研究新的結構簡單的傾轉旋翼飛行器，需要設計魯棒性強，適用于傾轉旋翼無人機全模式的航向控制律。

發明內容

為了解決上述背景技術提到的技術問題，本發明提出了一種多矢量推力傾轉旋翼無人機及其航向控制方法。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

一種多矢量推力傾轉旋翼無人機，包括機身、機翼、旋轉系統、平尾和垂尾，所述旋轉系統包括偶數個傾轉旋翼系統和一個非傾轉旋翼系統，所述偶數個傾轉旋翼系統對稱地設置在左、右機翼的前端，所述一個非傾轉旋翼系統設置在平尾的前部；所述傾轉旋翼系統包括傾轉舵機，所述傾轉舵機的傾轉角度區間為[0°,110°]，以傾轉機構平行于機翼面向前為0°、傾轉機構垂直于機翼面向上為90°；所述傾轉旋翼系統的質量小于機身質量的5％。

進一步地，所述傾轉旋翼系統的質量小于機身質量的5％。

基于上述多矢量推力傾轉旋翼無人機的航向控制方法，采用兩級PID控制，首先根據期望的偏航角ψ_g與實際的偏航角ψ的誤差量，經過第一級PID環節得到期望的偏航角速度，即外環姿態角控制律：

r_g＝k_ψp(ψ_g-ψ)

上式中，r_g為期望偏航角速度，k_ψp為航向控制比例參數；

再根據期望航向角速度r_g與實際航向角速r度的誤差，經過第二級PID環節得到期望的航向力矩，即內環角速度控制律：

上式中，M_zg是期望的偏航力矩，k_rp、k_ri、k_rd分別是比例、積分、微分參數。

進一步地，該航向控制方法輸出為期望的偏航力矩，是虛擬控制量，該控制量應用于旋翼模式、過渡模式和固定翼模式，具體的控制分配如下：

M_zg＝M_zT+M_zA

上式中，M_zT為推力矢量貢獻的偏航力矩，M_zA為氣動舵面操縱貢獻的偏航力矩。