[发明专利]一种倾转四旋翼无人机垂直起降控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及基于线性二次型最优控制理论和模型参考滑模控制理论的飞行器控制方法。

背景技术

无人飞行器由于其远程控制性，灵活性等优点在近期得到了快速的发展。无人机大体上分为两类：固定翼无人机和旋翼无人机。常规的固定翼无人机虽然具有速度快、航程远的优点，但是它必须依赖跑道，不能垂直起降。而旋翼无人机是一种性能优良的垂直起降（VTOL）飞行器，它具有体积小、可垂直起降、机动性强、结构简单、易于控制、稳定性高等优点，但它的飞行速度却有很大的限制。倾转旋翼无人机是一种兼具固定翼无人机和旋翼无人机优点的新型小型无人机。它是一种复合式旋翼飞行器，它将直升机垂直起降、空中悬停与固定翼飞机高速、续航久的特性结合起来。

倾转旋翼无人机的杰出代表是贝尔与波音直升机公司在吸收“鱼鹰”技术的基础上生产的倾转旋翼无人机——“鹰眼”（Eagle Eye）。它被广泛应用于海军炮火支援、战斗毁损评估、超视距导向目标、通信与数据中继和电子对抗。该机与“鱼鹰”总体布局相像，翼尖都装有可偏转旋翼短舱来实现推力换向。国内对于倾转旋翼无人机尚起于起步阶段，国内的南京航空航天大学对于倾转旋翼无人机做了一些预研工作（倾转旋翼飞行器飞行控制与实时仿真，杜明然，2011）。然而，上述飞行器双旋翼的布局使飞行器无法在一个旋翼损坏后继续飞行，单独的旋翼倾转也使得升力有损失。针对上述缺点，倾转四旋翼无人机的发展在欧美各国也提上了议程。由于模型的不确定性，对于倾转旋翼无人机的控制是一大难点。而垂直起降时的直升机状态又是倾转旋翼无人机的飞行基础，该时段的飞行姿态控制效果直接关系到飞行器在变异飞行时的成功与否。针对这种四旋翼布局的无人机姿态控制，美国的宾夕法尼亚大学等高校利用了反步法来对四旋翼无人机进行控制，已经到了自主飞行的程度。

如图1所示，该倾转旋翼飞行器四旋翼的布局，使得系统的稳定性超过了两个旋翼的“鹰眼”布局。与“鹰眼”不同的是，该机的机翼与旋翼一起旋转，使升力得到更有效利用。它拥有四个螺旋桨并且固定在带有副翼的机翼上，机翼有可偏转的机械构造。

它的飞行模式通过机翼的偏转来进行切换。下面用图1说明在两种飞行模式下的姿态改变原理。在垂直起降时，通过控制R₁、R₂与R₃、R₄的转速差来达到对俯仰角的控制。通过控制R₁、R₄与R₂、R₃的转速差来达到对滚转角的控制。气流作用在副翼上引起的转矩，可以达到对于航向的控制，如图2所示。在平飞时，则如同一般的固定翼飞行器的一样，通过控制副翼偏转来达到飞行姿态的改变。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于模型参考滑模控制理论的倾转四旋翼无人机垂直起降控制方法。

技术方案：一种倾转四旋翼无人机垂直起降控制方法，包括以下步骤：

（1）对倾转四旋翼无人机进行动力学分析，得到倾转四旋翼无人机偏航角模型、滚转角模型和俯仰角模型，并通过系统辨识方法得到所述各模型的模型参数；

（2）根据所述步骤（1）得到的偏航角模型，建立基于线性二次最优控制理论的偏航角控制系统：偏航角模型的输出与偏航角参考值的偏差作积分后作为所述偏航角模型的输出反馈，所述输出反馈增益是F₂；所述偏航角模型的状态反馈增益是F₁；将所述输出反馈和状态反馈作和并取反后作为偏航角模型的控制输入；所述偏航角模型输出实际偏航角控制量；

根据所述步骤（1）得到的滚转角模型，建立基于模型参考滑模控制理论的滚转角控制系统：包括滚转角参考模型、滑模控制器以及滚转角模型；所述滚转角参考模型与滚转角模型的状态偏差作为滑模控制器的状态量输入；所述滚转角模型输出与参考模型输出的偏差作积分后作为滑模控制器的输入；所述参考模型的滚转角参考值、滚转角模型的状态均输入到滑模控制器；所述滑模控制器的输出作为滚转角模型的输入，所述滚转角模型输出实际滚转角控制量；

根据所述步骤（1）得到的俯仰角模型，建立基于模型参考滑模控制理论的俯仰角控制系统：俯仰角控制系统包括俯仰角参考模型、滑模控制器以及俯仰角模型；所述俯仰角参考模型与俯仰角模型的状态偏差作为滑模控制器的状态量输入；所述俯仰角模型输出与参考模型输出的偏差作积分后作为滑模控制器的输入；所述参考模型的俯仰角参考值、俯仰角模型的状态均输入到滑模控制器；所述滑模控制器的输出作为俯仰角模型的输入，所述俯仰角模型输出实际俯仰角控制量；