复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法技术

本公开提供一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：多旋翼模态部分、固定翼模态部分以及过渡模态部分，各个模态中，通过调节多旋翼平台旋翼转速，或固定翼平台发动机转速和各舵面偏角，实现无人机垂直起降、巡航作业以及过渡模态无人机的姿态调整。本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法提供了复合三旋翼无人机模态切换过程中各部件的操控方法，尤其是过渡模态中无人机多旋翼平台和固定翼平台的操纵方案，从而实现解耦控制，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换。

Multi mode flight control method for composite three rotor UAV

A multi-modal flight control method for a composite Tri-Rotor unmanned aerial vehicle is disclosed. The composite Tri-Rotor unmanned aerial vehicle comprises a multi-rotor platform and a fixed-wing platform. The flight control method comprises a multi-rotor modal part, a fixed-wing modal part and a transition modal part. In each mode, the rotor rotation of the multi-rotor platform is adjusted by adjusting the rotor rotation of the multi-rotor platform. Speed, or fixed wing platform engine speed and rudder deflection angle, to achieve the UAV vertical take-off and landing, cruise operations and transition mode attitude adjustment UAV. The multimodal flight control method of the compound Tri-Rotor UAV disclosed in this paper provides the control method of the components during the mode switching process of the compound Tri-Rotor UAV, especially the control scheme of the multi-rotor platform and the fixed-wing platform of the UAV in the transition mode, so as to realize the decoupling control and make the UAV realize fully autonomous vertical control. Take-off and landing mode switching.

【技术实现步骤摘要】
复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法
本公开涉及飞行器控制
，尤其涉及一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法。
技术介绍
固定翼多旋翼复合式无人机简称为复合翼无人机，是一种不同于传统固定翼和旋翼式无人机的新型航空器。通过在固定翼飞行平台上加装多旋翼系统，获得VTOL(VerticalTake-offandLanding，垂直起降)及悬停能力，并具有固定翼无人机的巡航速度和航程优势。相对于其他无人机系统，复合翼无人机拥有明显的优势。与直升机相比，复合翼无人机结构简单，成本低，安全性高，续航时间长；与多旋翼相比，复合翼无人机航时长，航程大，巡航速度高，复杂气象条件下稳定飞行性能好；与固定翼相比，复合翼无人机无需要专用跑道，适用领域广，使用难度低，发射位置灵活性。现有的复合翼无人机大多是在已有的固定翼飞行平台上加装VTOL系统发展形成，飞行器整体的飞行特性、气动阻力、可操控性、稳定性以及结构强度较之前固定翼无人机有很大不同。然而，在实现本公开的过程中，本申请专利技术人发现，VTOL系统和固定翼平台存在控制耦合问题，增加了过渡模态控制的难度，这一问题给复合翼无人机的飞行控制带来了难题，因此，如何实现解耦控制，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换对复合翼无人机的发展有重大意义。VTOL系统根据多旋翼构型的不同，分为三旋翼系统、四旋翼系统、共轴反桨八旋翼系统等其他多旋翼系统。由于多旋翼构型的不同，其控制方法从原理上有很大区别。本公开以三旋翼系统为例，详细介绍了一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，以缓解现有技术中的无人机控制方法中VTOL系统和固定翼平台存在控制耦合的技术问题。(二)技术方案本公开提供一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，该复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：多旋翼模态部分：通过调节所述多旋翼平台旋翼转速和尾部舵机倾转的角度产生竖直方向上的升力，实现无人机垂直起降；固定翼模态部分：通过调节所述固定翼平台发动机的转速，使无人机的前飞速度维持在初始转换速度以上，实现无人机作业；以及过渡模态部分，包括：由多旋翼模态过渡至固定翼模态：逐渐增加所述发动机转速至最大转速并维持，增大无人机的前飞速度至初始转换速度后，逐步降低所述旋翼的转速直至0rpm；由固定翼模态过渡至多旋翼模态：逐步降低所述发动机转速，并逐渐增大所述旋翼转速，降低复合三旋翼无人机前飞速度，直至多旋翼模态巡航速度。在本公开的一些实施例中，所述多旋翼模态部分包括：垂直起飞阶段：当无人机从目标地点垂直升起后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机达到并维持一定高度，再通过调节所述发动机的转速，使无人机开始产生前飞速度；垂直降落阶段：当无人机的前飞速度降低到所述多旋翼模态巡航速度并以多旋翼模态进行巡航到达目标降落地点后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机降低高度，直至无人机降落到目标高度；以及定点悬停阶段：当无人机爬升至一定高度后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，使所述旋翼产生的竖直方向上的升力与无人机的重力相等，实现无人机定点悬停；在所述垂直起飞阶段和所述垂直降落阶段，通过所述多旋翼平台维持所述无人机的目标姿态角为0°，所述固定翼平台各气动舵面比例舵机输出为0。在本公开的一些实施例中，所述多旋翼模态部分通过操纵所述多旋翼平台的所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制和偏航控制，使无人机在多旋翼模态下实现垂直起飞、垂直降落和定点悬停功能。在本公开的一些实施例中，其中：所述高度控制通过改变所述多旋翼平台的所述旋翼的转速从而调节其产生的升力，当升力大于重力时无人机上升，小于重力时无人机下降；所述俯仰控制通过控制所述多旋翼平台前后排的所述旋翼转速的不同，产生升力差值，从而产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态；所述滚转控制通过控制所述多旋翼平台前排左旋翼和前排右旋翼转速的不同，产生绕质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态；所述偏航控制通过控制所述多旋翼平台后排的尾部旋翼转速的不同以及所述尾部舵机倾转的角度的不同，在纵向平面内产生绕竖直轴转动的偏航力矩，调整无人机的航向。在本公开的一些实施例中，所述固定翼模态部分包括：固定翼爬升阶段：无人机进入固定翼模态后，利用所述固定翼平台爬升至预定作业高度；固定翼巡航阶段：无人机爬升到预定作业高度后，利用所述固定翼平台进行巡航作业；以及固定翼俯冲阶段：无人机在任务完成后，利用所述固定翼平台俯冲至预定切换高度，准备切换至所述过渡模态。在本公开的一些实施例中，所述固定翼模态部分通过操纵所述固定翼平台的发动机、升降舵、副翼和方向舵，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制和水平速度控制，使无人机在固定翼模态下实现爬升、巡航和俯冲功能。在本公开的一些实施例中，其中：所述高度控制和所述俯仰控制通过控制所述固定翼平台升降舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中所述升降舵受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态及飞行高度；所述滚转控制通过控制所述固定翼平台副翼舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中左右机翼受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态；所述偏航控制通过控制固定翼平台方向舵偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中所述方向舵受到的由空气产生的气动阻力方向，从而产生绕无人机质心的偏航力矩，调整无人机的航向；所述水平速度控制通过改变所述固定翼平台所述发动机的转速调节无人机的飞行速度。在本公开的一些实施例中，所述过渡模态部分通过操纵所述多旋翼平台的旋翼转速、尾部舵机倾转的角度以及所述固定翼平台的发动机、升降舵、副翼和方向舵，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制以及水平速度控制，使无人机在过渡模态下实现平稳过渡。在本公开的一些实施例中，其中：所述高度控制通过改变所述多旋翼平台各个旋翼的转速以调节其产生的升力，从而改变无人机垂直方向上合力大小进而调整无人机高度；所述俯仰控制包括：所述多旋翼平台前后排所述旋翼转速差动控制以及所述固定翼平台升降舵舵面偏转角度调整；所述滚转控制包括：所述多旋翼平台前排左旋翼和前排右旋翼转速差动控制以及所述固定翼平台所述副翼舵面偏转角度调整；所述偏航控制包括：所述多旋翼平台后排的尾部旋翼转速和尾部舵机倾转的角度的控制以及所述固定翼平台方向舵偏转角度调整；所述水平速度控制包括：单独改变所述固定翼平台所述发动机的转速，或同时改变所述固定翼平台所述发动机以及所述多旋翼平台前后排所述旋翼的转速。在本公开的一些实施例中，所述初始转换速度为固定翼模态巡航最低空速要求的1至1.5倍，多旋翼模态巡航速度介于3m/s至5m/s之间。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法提供了复合三旋翼无人机模态切换过程中各部件的操控方法，尤其是过渡模态中无人机多旋翼平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，该复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：多旋翼模态部分：通过调节所述多旋翼平台旋翼转速和尾部舵机倾转的角度产生竖直方向上的升力，实现无人机垂直起降；固定翼模态部分：通过调节所述固定翼平台发动机的转速，使无人机的前飞速度维持在初始转换速度以上，实现无人机作业；以及过渡模态部分，包括：由多旋翼模态过渡至固定翼模态：逐渐增加所述发动机转速至最大转速并维持，增大无人机的前飞速度至初始转换速度后，逐步降低所述旋翼的转速直至0rpm；由固定翼模态过渡至多旋翼模态：逐步降低所述发动机转速，并逐渐增大所述旋翼转速，降低复合三旋翼无人机前飞速度，直至多旋翼模态巡航速度。

【技术特征摘要】
1.一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，该复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：多旋翼模态部分：通过调节所述多旋翼平台旋翼转速和尾部舵机倾转的角度产生竖直方向上的升力，实现无人机垂直起降；固定翼模态部分：通过调节所述固定翼平台发动机的转速，使无人机的前飞速度维持在初始转换速度以上，实现无人机作业；以及过渡模态部分，包括：由多旋翼模态过渡至固定翼模态：逐渐增加所述发动机转速至最大转速并维持，增大无人机的前飞速度至初始转换速度后，逐步降低所述旋翼的转速直至0rpm；由固定翼模态过渡至多旋翼模态：逐步降低所述发动机转速，并逐渐增大所述旋翼转速，降低复合三旋翼无人机前飞速度，直至多旋翼模态巡航速度。2.根据权利要求1所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述多旋翼模态部分包括：垂直起飞阶段：当无人机从目标地点垂直升起后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机达到并维持一定高度，再通过调节所述发动机的转速，使无人机开始产生前飞速度；垂直降落阶段：当无人机的前飞速度降低到所述多旋翼模态巡航速度并以多旋翼模态进行巡航到达目标降落地点后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机降低高度，直至无人机降落到目标高度；以及定点悬停阶段：当无人机爬升至一定高度后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，使所述旋翼产生的竖直方向上的升力与无人机的重力相等，实现无人机定点悬停；在所述垂直起飞阶段和所述垂直降落阶段，通过所述多旋翼平台维持所述无人机的目标姿态角为0°，所述固定翼平台各气动舵面比例舵机输出为0。3.根据权利要求2所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述多旋翼模态部分通过操纵所述多旋翼平台的所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制和偏航控制，使无人机在多旋翼模态下实现垂直起飞、垂直降落和定点悬停功能。4.根据权利要求3所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，其中：所述高度控制通过改变所述多旋翼平台的所述旋翼的转速从而调节其产生的升力，当升力大于重力时无人机上升，小于重力时无人机下降；所述俯仰控制通过控制所述多旋翼平台前后排的所述旋翼转速的不同，产生升力差值，从而产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态；所述滚转控制通过控制所述多旋翼平台前排左旋翼和前排右旋翼转速的不同，产生绕质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态；所述偏航控制通过控制所述多旋翼平台后排的尾部旋翼转速的不同以及所述尾部舵机倾转的角度的不同，在纵向平面内产生绕竖直轴转动的偏航力矩，调整无人机的航向。5.根据权利要求1所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述固定翼模态部...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈万里，尚栢荣，凡洪林，李珂，王文剑，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11