[发明专利]一种倾转旋翼无人机强鲁棒全包线一体化控制方法

说明书

本发明公开了一种倾转旋翼无人机强鲁棒全包线一体化控制方法，在INDI控制的基础上，结合包线保护、分级控制分配以及高度和姿态一体化控制，可以实现单一控制器对全飞行包线的统一控制。该控制方法能有效应对倾转旋翼无人机的非线性时变特性带来的控制品质下降问题，实现倾转旋翼无人机高度和姿态的精确控制。该控制方法能够大大降低控制器参数对无人机模型精确度的依赖，提高控制器对模型失配和外部扰动的鲁棒性。不同于传统的分段式倾转旋翼机控制方式，本发明采用一体化的控制结构，可以避免人为引入控制参数或控制信号的不连续性，提高飞行安全性和控制器的集成度。

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制技术领域，尤其涉及一种倾转旋翼无人机强鲁棒全包线一体化控制方法。

背景技术

传统无人机按构型可基本分为两种：固定翼无人机机和直升机/多旋翼无人机。固定翼无人机飞行速度高、续航能力强，但起飞、降落需要跑道设施，使用条件受限大。直升机/多旋翼无人机具有垂直起降和空中悬停能力，但飞行速度低，航程和续航时间较短。近年来，以倾转旋翼机为代表的新型短距/垂直起降无人机逐渐崭露头角，这类新型无人机结合了固定翼飞机和直升机/多旋翼各自的优势，具有更宽的飞行包线。

倾转旋翼无人机的旋翼倾转角会随着飞行状态的变化而变化。从控制学科的角度来看，倾转旋翼机属于具有较强非线性的时变系统，要想实现对其精确控制，需要控制器具有较强的鲁棒性和应对非线性的能力。传统的线性控制方法，如增益调度PID、LQR、MRAC、鲁棒控制等，在应对非线性较强的对象时往往难以取得良好的控制效果；传统的非线性控制方法，如NDI、反步法等，则严重依赖被控对象的精确数学模型，模型的失配会严重影响控制效果。但倾转旋翼无人机的旋翼的倾转过程是时变过程，非定常流场难以理论计算。这些因素导致倾转旋翼无人机无法建立精确的数学模型，严重依赖模型的非线性方法难以应用。并且，一般的垂直起降固定翼无人机姿态、高度控制在实施过程中往往将飞行阶段划分为悬停模式(多旋翼模式)、过渡模式和固定翼模式，根据飞机的构型不同，需要采取在不同控制器或控制参数之间硬切换和混合的方式，实现全飞行包线内的控制。这种切换会在飞行控制过程中人为引入不连续，造成飞机状态量的较大波动，严重时会威胁飞行安全。要想实现全包线内的统一、连续控制，需要根据倾转旋翼机的飞行特性和飞行状态，对油门、倾转角等关键控制指令进行约束，即包线保护；并且，倾转旋翼机的作动器存在冗余，需要简单可靠的控制分配算法对舵面和旋翼的作动器控制指令进行合理分配。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种倾转旋翼无人机强鲁棒全包线一体化控制方法，用以提供一种模型依赖程度低、抗扰动能力强的倾转旋翼无人机姿态、高度全飞行包线一体化控制方法。

因此，本发明提供了一种倾转旋翼无人机强鲁棒全包线一体化控制方法，包括如下步骤：

S1：在当前控制周期内，将来自遥控器或地面站的各通道信号映射为对应被控状态量的操纵指令，包括俯仰角指令、滚转角指令、偏航角速度指令、高度指令和前飞油门指令；

S2：根据各操纵指令生成符合被控无人机物理特性的参考指令，包括俯仰角参考指令、滚转角参考指令、偏航角速度参考指令、高度参考指令和前飞油门参考指令；并生成俯仰角参考指令、滚转角参考指令、偏航角速度参考指令和高度参考指令的微分参考指令，包括俯仰角速度参考指令、滚转角速度参考指令、俯仰角加速度参考指令、滚转角加速度参考指令、偏航角加速度参考指令、垂直速度参考指令和垂直加速度参考指令；

S3：采用PD控制结构，根据俯仰角参考指令、滚转角参考指令、俯仰角速度参考指令、滚转角速度参考指令、偏航角速度参考指令、高度参考指令和垂直速度参考指令分别与对应的被控状态量间的误差，生成对应被控状态量的补偿控制信号作为加速度补偿指令，俯仰角加速度参考指令、滚转角加速度参考指令、偏航角加速度参考指令和垂直加速度参考指令分别与对应被控状态量的加速度补偿指令叠加后，与前飞油门参考指令一起构成加速度控制指令；