[发明专利]一种多矢量推力倾转旋翼无人机及其航向控制方法

权利要求书

1.多矢量推力倾转旋翼无人机的航向控制方法，该无人机包括机身、机翼、旋转系统、平尾和垂尾，其特征在于：所述旋转系统包括偶数个倾转旋翼系统和一个非倾转旋翼系统，所述偶数个倾转旋翼系统对称地设置在左、右机翼的前端，所述一个非倾转旋翼系统设置在平尾的前部；所述倾转旋翼系统包括倾转舵机，所述倾转舵机的倾转角度区间为[0°,110°]，以倾转机构平行于机翼面向前为0°、倾转机构垂直于机翼面向上为90°；其特征在于：所述控制方法采用两级PID控制，首先根据期望的偏航角ψ_g与实际的偏航角ψ的误差量，经过第一级PID环节得到期望的偏航角速度，即外环姿态角控制律：

r_g＝k_ψp(ψ_g-ψ)

上式中，r_g为期望偏航角速度，k_ψp为航向控制比例参数；

再根据期望航向角速度r_g与实际航向角速r度的误差，经过第二级PID环节得到期望的航向力矩，即内环角速度控制律：

上式中，M_zg是期望的偏航力矩，k_rp、k_ri、k_rd分别是比例、积分、微分参数。

2.根据权利要求1所述的多矢量推力倾转旋翼无人机的航向控制方法，其特征在于：所述倾转旋翼系统的质量小于机身质量的5％。

3.根据权利要求1所述航向控制方法，其特征在于：该航向控制方法输出为期望的偏航力矩，是虚拟控制量，该控制量应用于旋翼模式、过渡模式和固定翼模式，具体的控制分配如下：

M_zg＝M_zT+M_zA

上式中，M_zT为推力矢量贡献的偏航力矩，M_zA为气动舵面操纵贡献的偏航力矩。

4.根据权利要求3所述航向控制方法，其特征在于：设倾转旋翼系统共有4个，这4个倾转旋翼系统由左至右依次编号为1、2、3、4，则这4个倾转旋翼系统的电机产生的推力分别为T₁、T₂、T₃、T₄，4个倾转旋翼系统的倾转角度依次为β_M1、β_M2、β_M3、β_M4，所述推力矢量贡献的偏航力矩M_zT如下式：

上式中，β_M为倾转角基准量，其大小为β_M1、β_M2、β_M3、β_M4的平均值，当倾转角基准量β_M为90°时，无人机是旋翼模式；当倾转角基准量β_M为0°时，无人机是固定翼模式，在旋翼模式过渡到固定翼模式过程中，倾转角基准量β_M从90°变为0°；Δβ_M1、Δβ_M2、Δβ_M3、Δβ_M4为推力矢量角的增量，用于修正航向误差；d_Y1为第1、4号旋翼系统的电机距离重心的横向位置，d_Y2为第2、3号旋翼系统的电机距离重心的横向位置。

5.根据权利要求3所述航向控制方法，其特征在于：当无人机由旋翼模式转换到固定翼模式时，所述气动舵面操纵贡献的偏航力矩M_zA如下式：

上式中，Q为动压，S_w为机翼面积，b为机翼展长，C_n为偏航力矩系数，Δδ_r为方向舵操纵，k为预设参数。

6.根据权利要求1-5中任一项所述航向控制方法，其特征在于：设推力矢量贡献的偏航力矩的权重为λ₁，气动舵面操纵贡献的偏航力矩的权重为λ₂，则：

上式中，V₀为最小失速速度，β_M为倾转角基准量，V_a为空速。