[发明专利]基于MPC的尾座式垂起无人机控制方法

说明书

本发明涉及垂起无人机智能领域，具体提供一种基于MPC的尾座式垂起无人机控制方法，包括如下步骤：S1、构造建立尾座式垂起无人机在惯性坐标系和机体坐标系下的运动学模型与动力学模型，S2、基于运动学模型与动力学模型设计转换阶段的参考姿态，S3、以转换阶段的参考姿态作为无人机预测阶段的期望姿态值建立尾座式垂起无人机的预测方程，S4、根据转换阶段的约束条件对预测模型进行滚动优化，S5、根据滚动优化的结果对尾座式垂起无人机进行反馈矫正，本发明提出的基于MPC的尾座式垂起无人机较传统尾座式垂起无人机过渡阶段转换的控制能够更加快速的转换且具有更小的高度误差。

技术领域

本发明涉及垂起无人机智能领域，尤其涉及一种基于MPC的尾座式垂起无人机控制方法。

背景技术

无人机目前广泛应用于日常生活与生产制造中，目前无人机可大致分为旋翼无人机与固定翼无人机两类，旋翼无人机可在狭小空间内实现垂直起降，但存在续航里程短、飞行速度慢等缺点；固定翼无人机续航能力强、飞行速度快，但起飞时易受环境限制。

尾座式无人机为固定翼可垂起无人机具有结构简单、巡航速度高、系统废重少等优点，具有广泛应用开发前景。尾座式无人机主要包括五个飞行状态，机体通过旋翼拉力垂直起飞，到达指定高度后进入悬停状态，机体倾转90度进入固定翼状态，降落时，机体倾转90度进入悬停状态，最后以旋翼模式垂直降落至地面。由旋翼转换直固定翼阶段称为前转换阶段，固定翼转为旋翼称为后转换阶段，前转换阶段与后转换阶段统称为过渡阶段。

目前过渡阶段为尾座式无人机控制难度最大的飞行状态。前转换阶段，飞行升力由旋翼拉力与翼片气动力共同组成，使得无人机过渡阶段高度误差大，耗时长等不稳定问题。目前过渡阶段的控制方法主要侧重于加快转换速度，但高度误差大的问题未得到根本解决。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种基于MPC的尾座式垂起无人机控制方法，该方法的实现包括如下步骤：

S1、构造建立尾座式垂起无人机在惯性坐标系和机体坐标系下的运动学模型与动力学模型；

运动学模型包括运动学方程；

运动学方程如下：

其中，F为合外力总和，m为机体重量，u为飞行速度，L为动量矩，M为总力矩；

动力学模型方程如下：

其中，(a_x，a_y，a_z)、(v_x，v_y，v_z)和(ω_x，ω_y，ω_z)分别为惯性坐标系下的加速度、速度和角速度，α为无人机飞行攻角，(I_x，I_y，I_z)为机体坐标轴转动惯量，和分别为ω_x、ω_y和ω_z的导数，和分别为x，y和z在大地坐标系下的二阶导数，M_xc、M_yc和M_zc分别为旋翼气动力矩M_Tc在大地坐标系下x、y和z方向的分量，M_xg、M_yg和M_zg分别为陀螺M_Tg在大地坐标系下x、y和z方向的分量，M_r为螺旋桨反力矩；

S2、基于运动学模型与动力学模型设计转换阶段的参考姿态；

转换阶段包括旋翼阶段和气动阶段；

转换阶段包括旋翼阶段和气动阶段；

旋翼阶段的参考状态公式如下：