[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

说明书

本发明公开了一种多矢量推力倾转旋翼无人机及其航向控制方法，该无人机包括偶数个对称设置在左、右机翼前端的倾转旋翼系统，以及一个设置在平尾前部的非倾转旋翼系统。采用多矢量推力的主动控制方法，提高了航向控制的快速性；设计气动舵面与多矢量推力装置按权重控制分配方法，提高了航向控制的效率。本发明具有可垂直起降、巡航速度快、航程远、可靠性高、控制效率高等诸多优点，极大提高了飞行安全性与飞行品质。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，特别涉及了一种多矢量推力倾转旋翼无人机及其航向控制方法。

背景技术

倾转旋翼飞机既有直升机垂直起降、空中悬停的特点，又有固定翼巡航速度快、航程远、飞行效率高的特点。因此倾转旋翼无人机一直是国内外研究的热点。

倾转旋翼机的难点在于一方面，它的机械结构复杂，可靠性性难以保证；另一方面它的气动特性复杂，在倾转过程中存在耦合以及过驱动。

因此，本领域仍然需要研究新的结构简单的倾转旋翼飞行器，需要设计鲁棒性强，适用于倾转旋翼无人机全模式的航向控制律。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种多矢量推力倾转旋翼无人机及其航向控制方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种多矢量推力倾转旋翼无人机，包括机身、机翼、旋转系统、平尾和垂尾，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°；所述倾转旋翼系统的质量小于机身质量的5％。

进一步地，所述倾转旋翼系统的质量小于机身质量的5％。

基于上述多矢量推力倾转旋翼无人机的航向控制方法，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。

进一步地，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。