[發明專利]一種基于槳盤姿態控制的無人自轉旋翼機飛行控制方法

有效

• 申請號: 202111154339.3
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113682465B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發明（設計）人: 王松;付仁皓;毛浩;駢學超;謝嘉軒;趙亦涵;張楠
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;北京創衡控制技術有限公司
• 主分類號: B64C19/00
• 分類號: B64C19/00;B64C27/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪;易卜

1.一種基于槳盤姿態控制的無人自轉旋翼機飛行控制方法，其特征在于：分為縱向控制通道和水平航跡控制通道；

所述縱向控制通道根據目標高度與當前高度的差值進行區分，具體為：

當|目標高度-當前高度|＞30m時，縱向控制方法采用爬升/下降模式，優先保證空速，此時將目標速度與當前空速的差值進行PID控制中的比例和積分控制，將經過PI控制計算得到的目標槳盤俯仰角作為內環姿態控制的目標量，油門舵機保持對應的爬升或下降位置；具體為：

S1:根據目標空速與當前空速進行誤差解算，經過外環PI控制器計算出目標槳盤俯仰角θ_a，具體計算方法為：

其中，θ_a為目標槳盤俯仰角，分別為空速反饋增益、空速積分增益，V_a、V_c分別為目標空速、當前空速；

S2:將步驟S1中計算出的目標槳盤俯仰角和AHRS測量得出的當前槳盤俯仰角做差，進行內環PID控制律解算；其中微分環節在內環控制時引入俯仰角速率環節，再將內環PID計算后得到的槳盤俯仰舵機指令值進行最大值限幅，發送給槳盤俯仰舵機執行；具體計算方法為：

其中，δ_e為槳盤俯仰舵量，分別空速控制時俯仰角反饋增益、俯仰角速率反饋增益、俯仰角積分增益，q為俯仰角速率，θ_a、θ_c分別為目標槳盤俯仰角、當前槳盤俯仰角，KYR為滾轉角前饋增益，Φ_c為當前滾轉角；

S3:在爬升時為了獲得最大爬升率，油門處于最大位置；在下降時為了獲得最大下沉率，油門處于怠速位置；

當|目標高度-當前高度|＜30m，縱向控制方法采用定高模式，優先保證高度的控制精度，將目標高度與當前高度的高度差值進行PID控制中的比例和積分控制，并且引入高度變化率進行微分控制，將經過PID控制計算得到的目標槳盤俯仰角作為內環姿態控制的目標量，將速度差值進行PID控制中的比例和積分控制，將經過PI控制計算得到的油門舵機指令值發送給油門舵機執行；具體為：

S1:目標高度與當前高度的差值經過縱向外環PI控制器，同時引入升降速度作為微分環節，通過外環PID控制律計算出目標槳盤俯仰角為：

其中，θ_a為目標槳盤俯仰角，分別為高度反饋增益、升降速度反饋增益、高度積分增益，為下沉速度，H_a、H_c分別為目標高度、當前高度；

S2:將步驟S1中計算出的目標槳盤俯仰角和由AHRS測量得出的當前槳盤俯仰角做差，根據內環PID控制器中的比例、積分和微分控制器解算，得到槳盤俯仰舵量指令值；同時引入滾轉角前饋環節，通過引入滾轉角前饋量使得在轉彎出現滾轉角時提前拉升姿態；計算得到的槳盤俯仰舵量指令值進行最大值限幅，發送給槳盤俯仰舵機執行；引入滾轉角前饋量的內環PID控制律的具體計算方法為：

其中，δ_e為槳盤俯仰舵量，分別為高度控制時俯仰角反饋增益、俯仰角速率反饋增益、俯仰角積分增益，q為俯仰角速率，θ_a、θ_c分別為目標槳盤俯仰角、當前槳盤俯仰角，KYR為滾轉角前饋增益，Φ_c為當前滾轉角；

S3:通過油門控制空速，根據目標空速與當前空速的差值進行比例P和積分I控制，將計算得到的油門舵機舵量指令值進行最大值限幅發送給油門舵機執行，具體計算方法為：

其中，δ_p為油門舵機舵量，分別為速度反饋比例增益、速度積分增益，V_a、V_c分別為目標空速、當前空速；

所述水平航跡控制通道通過槳盤橫滾舵實現，外環采用側偏距控制，側偏距主要作為滾轉姿態內環控制的輸入量，通過槳盤滾轉舵調整無人機滾轉角產生側向分力使飛機水平運動消除側偏距，方向舵與槳盤橫滾舵聯合轉彎，在空中方向舵主要對航向進行增穩控制。

2.如權利要求1所述一種基于槳盤姿態控制的無人自轉旋翼機飛行控制方法，其特征在于：當|目標高度-當前高度|＞30m時，縱向控制方法中爬升和下降時設計的目標空速隨海拔不同線性變化，設計爬升/下降時目標空速為：

V_a＝-0.001349*H+29.94

其中，H為海拔高度，單位為m。

3.如權利要求1所述一種基于槳盤姿態控制的無人自轉旋翼機飛行控制方法，其特征在于：水平航跡控制具體方法設計為：

S1:根據目標航點與當前位置計算側偏距y，經過外環PID控制得到目標航向為：

其中，ψ_a為目標航向角，分別為側偏距反饋增益、側向速度反饋增益、側偏距積分增益，δ_y為側偏距，為側向速度；

S2:航向內環引入微分環節，空中飛行時方向舵僅起到航向增穩作用，轉彎時與橫向通道共同完成協調轉彎，航向內環姿態控制律為：

其中，δ_r為方向舵舵量，分別為航向角反饋增益、航向角速率反饋增益，r為航向角速率；

S3:根據目標航點與當前位置計算出側偏距y，橫向外環對側偏距進行外環PI控制解算，同時引入航向偏差前饋量，目的是與方向舵進行協調轉彎，將計算得到的值進行限幅(此處限幅為防止計算的目標滾轉角過大導致滾轉姿態過大)，得到目標槳盤滾轉角，具體計算方法為：

其中，Φ_a為目標槳盤滾轉角，分別為側偏距反饋增益、側向速度反饋增益、側偏距積分增益，δ_y為側偏距，為側向速度，KRZ為航向偏差增益，Δψ為航向偏差；

S4:將步驟S3中計算出的目標槳盤滾轉角與當前槳盤滾轉角進行內環控制律解算，將計算得到的槳盤滾轉舵機指令值進行最大值限幅，防止指令值超出舵機限位，發送給槳盤滾轉舵機執行，具體控制律為：

其中，δ_a為槳盤滾轉舵量，分別為滾轉角反饋增益、滾轉角速率反饋增益、滾轉角積分增益，p為滾轉角速率，Φ_a、Φ_c分別為目標槳盤滾轉角、當前槳盤滾轉角。