[发明专利]一种基于优化预测的倾转旋翼无人机控制分配方法

说明书

本发明属于无人机控制分配领域，涉及一种基于优化预测的倾转旋翼无人机控制分配方法。本发明的优化预测控制分配方法是在传统伪逆法的基础上引入零空间的概念，通过零空间向量的补偿项，拓展伪逆解的可达控制集合，从而拓展了传统伪逆法的转矩可达集合，提升了控制分配效率。针对倾转旋翼无人机过渡模态下存在的控制冗余和复杂扰动的现象，本发明的优化预测控制分配方法能够实现转矩可达集合内的完全分配，实现控制解耦，保证过渡过程的姿态稳定，提升控制效果。

技术领域

本发明属于无人机控制分配领域，涉及一种基于优化预测的倾转旋翼无人机控制分配方法。

背景技术

倾转旋翼无人机结合传统直升机和固定翼飞机的优点，能够实现垂直起降，高速巡航，适用于不同的实际场景，满足不同的任务需求。但是倾转旋翼的设计对控制分配提出了更高的要求。以过渡阶段为例，就倾转旋翼无人机的姿态控制而言，旋翼和舵面都能起到控制作用，存在控制冗余的现象，而前倾的旋翼在前向和垂向上都有着分力，使得旋翼的滚转和偏航控制上存在控制耦合现象。此外由于过渡阶段存在着复杂的内外扰动现象，使得过渡过程中姿态波动较大，无人机的安全性收到威胁，因此需要运用控制分配技术解决控制冗余和控制耦合的问题，同时对期望力矩的完全分配，能提高倾转旋翼无人机的机动能力，保证过渡过程中的稳定性与安全性。

控制分配技术从原理上分为两类：线性分配算法与非线性分配算法。其中，非线性算法虽然更能适应于高维度，强非线性的问题，但是由于机载能力的限制，难以实际应用。而线性分配算法由于实现简单，在工程实际中应用广泛，但该方法不能实现转矩可达集合内的完全分配。

发明内容

针对线性分配算法不能实现转矩可达集合内完全分配的问题，本发明提供了一种基于优化预测的倾转旋翼无人机控制分配方法，本方法通过引入控制效能矩阵的零空间的补偿项，使得在满足一定假设条件下，能实现转矩可达集合的分配，提升了传统伪逆法的分配效率。

本发明提供了一种基于优化预测的倾转旋翼无人机控制分配方法，包括如下步骤：

S1：计算倾转旋翼无人机当前模态下的控制效能矩阵B；

S2：输入期望三轴力矩的单位化向量为期望三轴力矩向量，其中，L、M、N分别表示滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩；

S3：计算伪逆解并对伪逆解向量单位化处理得到单位伪逆解

S4：基于步骤S3中计算得到的单位伪逆解判断第一个饱和的作动器；

S5:计算伪逆解系数和零空间系数；

S6：确定下一个饱和的作动器并更新优化预测解系数；

S7：判断是否遍历所有的作动器，若所有作动器饱和时的优化预测解系数都已经确定，则进行步骤S8，否则不断执行步骤S6，直至所有作动器达到饱和；

S8：查表法确定任意期望转矩下的优化预测解。

进一步，步骤S1具体过程如下：

对倾转旋翼无人机过渡过程中的控制效能矩阵进行计算。确定倾转旋翼无人机过渡走廊内的某一状态点，得到安全可靠的飞行速度V和短舱倾转角δ，在当前状态下对倾转旋翼无人机六自由度非线性动力学模型进行配平与线性化，得到小扰动状态方程：

其中，x为系统状态变量；y为系统输出；u为系统控制输入；上标·表示一阶导数；A、B_u、C均表示常数矩阵；

提取系数矩阵B_u中的力矩系数，得到倾转旋翼无人机当前模态下的控制效能矩阵B：