[發(fā)明專利]一種基于槳盤姿態(tài)控制的無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制方法

有效

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• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113682465B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王松;付仁皓;毛浩;駢學(xué)超;謝嘉軒;趙亦涵;張楠
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);北京創(chuàng)衡控制技術(shù)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(chuàng)新實專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 周長琪;易卜

本發(fā)明公開一種基于槳盤姿態(tài)控制的無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制方法，分為縱向控制通道和水平航跡控制通道。各控制通道分為外環(huán)與內(nèi)環(huán)，外環(huán)進(jìn)行高度/速度控制和水平航跡控制，內(nèi)環(huán)進(jìn)行槳盤姿態(tài)控制。其中內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制時不直接對機身姿態(tài)進(jìn)行控制，而是對主旋翼槳盤平面姿態(tài)進(jìn)行控制。槳盤平面作為主要升力面，其姿態(tài)變化時會帶來升力和阻力變化，但由于主旋翼與主立柱之間的蹺蹺板式連接結(jié)構(gòu)，主旋翼與機身之間存在類似鐘擺效應(yīng)的延遲，直接進(jìn)行機身姿態(tài)控制時存在波動與誤差。因此采用控制槳盤姿態(tài)的方式可以通過舵機的快速響應(yīng)使槳盤平面的姿態(tài)保持穩(wěn)定，懸掛在主旋翼下方的機身也可以在長周期趨于穩(wěn)定，具有更好的姿態(tài)控制效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無人機飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于槳盤姿態(tài)控制的無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制方法。

背景技術(shù)

無人駕駛自轉(zhuǎn)旋翼機(簡稱為旋翼機)作為無人機大家族中的一員，是一種既區(qū)別于直升機和固定翼飛機，又兼具二者特點的旋翼類飛行器。在構(gòu)型方面，旋翼機機身上方具有與直升機類似的旋翼，但此旋翼為無動力驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼，依靠相對來流實現(xiàn)自轉(zhuǎn)為旋翼機提供升力。動力方面，旋翼機還必須在前進(jìn)方向上配置一臺發(fā)動機，用于驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生推力或拉力為旋翼機提供前進(jìn)動力，這一點與固定翼飛機類似。自轉(zhuǎn)旋翼機的飛行動力學(xué)特性介于固定翼飛機和直升機之間，其前飛動力和偏航控制與固定翼飛機相同，俯仰姿態(tài)與滾轉(zhuǎn)姿態(tài)與直升機操縱相同。但自轉(zhuǎn)旋翼機各操縱通道之間存在著強烈的耦合，并且在通過槳盤進(jìn)行姿態(tài)控制時存在一定滯后，這些都是自轉(zhuǎn)旋翼機控制器設(shè)計的難點。其旋翼無動力旋轉(zhuǎn)的特性，使旋翼機構(gòu)造簡單，經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

旋翼機自旋的方式不易產(chǎn)生較大的旋翼反扭矩，因而不需要平衡反扭矩的尾槳，同時也沒有發(fā)動機至旋翼的減速傳動裝置和旋翼變距機構(gòu)。相對于直升機的旋翼結(jié)構(gòu)簡單很多，其生產(chǎn)、維護(hù)成本低且設(shè)備可靠性高、故障率低。旋翼機飛行安全性好。旋翼機在空中遭遇發(fā)動機停車時，可利用機體下降時的上升氣流使得旋翼保持轉(zhuǎn)速以提供安全降落的升力，因而旋翼機屬于安全性極髙的飛行器。旋翼機有較好的飛行穩(wěn)定性。為了產(chǎn)生足夠的升力克服重為，旋翼的直徑一般都比機身大得多，空中髙速旋轉(zhuǎn)的旋翼具有一定的阻尼效應(yīng)和陀螺特性將顯著提高旋翼機的縱、橫向的阻尼系數(shù)，飛行姿態(tài)不易發(fā)散。

自轉(zhuǎn)旋翼機由于其特殊的構(gòu)型兼具固定翼與直升機的特點，通過調(diào)整槳盤相對機身的夾角實現(xiàn)周期變矩，實現(xiàn)俯仰與滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整；通過方向舵可以控制機頭航向；通過油門舵機控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速進(jìn)而提供不同推力。但是發(fā)動機推力變化同時引起前進(jìn)速度變化，通過主旋翼的氣流流速同步變化，導(dǎo)致主旋翼轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生的升力與阻力變化，進(jìn)一步引起高度與前進(jìn)速度的變化。縱向速度與高度控制時的耦合會對控制方法設(shè)計帶來一定挑戰(zhàn)。除此之外，自轉(zhuǎn)旋翼機機身與主旋翼之間的連接類似“鐘擺”，作為大重量、大轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)，在通過槳盤調(diào)整機身姿態(tài)時存在一定滯后環(huán)節(jié)，容易導(dǎo)致機身姿態(tài)控制時出現(xiàn)震蕩。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種基于槳盤姿態(tài)控制的無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制方法，是一種高精度、高可靠性的大型無人自轉(zhuǎn)旋翼飛行控制方法，實現(xiàn)了中大型無人自轉(zhuǎn)旋翼機的位置和速度控制。

本發(fā)明基于槳盤姿態(tài)控制的無人自轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制方法，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(jù)目標(biāo)高度與當(dāng)前高度的差值進(jìn)行區(qū)分，具體為：

當(dāng)|目標(biāo)高度-當(dāng)前高度|＞30m時，縱向控制方法采用爬升/下降模式，優(yōu)先保證空速，此時將目標(biāo)速度與當(dāng)前空速的差值進(jìn)行PID控制中的比例和積分控制，將經(jīng)過PI控制計算得到的目標(biāo)槳盤俯仰角作為內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制的目標(biāo)量，油門舵機保持對應(yīng)的爬升或下降位置。

當(dāng)|目標(biāo)高度-當(dāng)前高度|＜30m，縱向控制方法采用定高模式，優(yōu)先保證高度的控制精度，將目標(biāo)高度與當(dāng)前高度的高度差值進(jìn)行PID控制中的比例和積分控制，并且引入高度變化率進(jìn)行微分控制，將經(jīng)過PID控制計算得到的目標(biāo)槳盤俯仰角作為內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制的目標(biāo)量，將速度差值進(jìn)行PID控制中的比例和積分控制，將經(jīng)過PI控制計算得到的油門舵機指令值發(fā)送給油門舵機執(zhí)行。