一种飞行器控制模型制造技术

本发明专利技术公开了一种飞行控制模型，属于无人机技术领域。通过建立等效坐标系，获得新的飞行器姿态描述方法，基于所述飞行器姿态描述方法建立新的飞行控制模型，并通过控制等效电机推力的方法实现对飞行器的控制。本发明专利技术提供了飞行器控制的一种新思路，解决了飞行器在高速机动时的不稳定问题。

An Aircraft Control Model

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器控制模型
本专利技术属于无人机
，更具体地，涉及一种飞行器控制模型。
技术介绍
为了确定飞行器在空中的相对位置，建立飞行控制系统，人们提出了多种坐标系，包括地面坐标系、机体坐标系、气流坐标系、航迹坐标系等。其中最为重要的是地面坐标系和机体坐标系，由地面坐标系与机体坐标系的相对关系确定的三个欧拉角，成为描述飞行器姿态的关键参数。目前使用的绝大多数飞行控制系统，都是使用欧拉角作为控制的基本量。遥控中的滚转、俯仰、偏航三个通道直接对应控制飞行器姿态的滚转角、俯仰角、偏航角，并通过这些间接控制飞行器在空间中的移动。此外，飞控的增稳功能也基于这三个欧拉角，通过PID调节滚转角、俯仰角、偏航角，使之趋于稳定的期望值，实现飞行器的稳定。然而，这种稳定方式在一定程度上会限制飞行器的机动性。当姿态角变化过快时，飞行控制系统难以作出及时准确的判断。为此，很多飞行控制系统会同时提供一种特技模式，通过削弱增稳功能来换取机动性，但这种模式加大了操纵的难度，只适用于专业的飞手。
技术实现思路
为解决上述
技术介绍
中提到的问题，针对现有飞行器控制模型的局限性，本专利技术的一个目的在于提供一种新的飞行控制模型。本专利技术提供的一种飞行控制模型是指，通过建立等效坐标系，获得新的飞行器姿态描述方法，基于所述飞行器姿态描述方法建立新的飞行控制模型，并通过控制等效电机推力的方法实现对飞行器的控制。本专利技术提供的一种飞行控制模型中，所述等效坐标系是一种基于机体坐标系在用户坐标系上的投影所建立的坐标系。所述用户坐标系，是指在地理坐标系的基础上，根据操纵者意愿定义的坐标系。所述用户坐标系的定义为：规定原地理系Oz轴为用户坐标系Oz轴，用户规定的正前方向为Ox轴，根据坐标系的右手定则确定用户坐标系的Oy轴。所述等效坐标系具体的定义为：规定原机体系原点为等效坐标系原点；原机体系Oz轴为等效坐标系Oz轴；包含用户坐标系Ox轴的铅垂面与机身平面的相交线为等效坐标系Ox轴，以前为正方向；根据坐标系的右手定则确定等效坐标系的Oy轴。本专利技术提供的一种飞行控制模型中，所述等效坐标系的特征在于，位于同一机身平面的不同机体系，具有相同的等效坐标系。本专利技术提供的一种飞行控制模型中，所述等效坐标系的空间位置取决于机体系的空间位置，所述等效坐标系的方向仅取决于机体系z轴的方向，所述等效坐标系的x轴和y轴由z轴与用户坐标系的相对关系所确定。因此，机身的自旋不会引起所述等效坐标系的变动。本专利技术提供的一种飞行控制模型中，所述等效坐标系在空间中的姿态位置由倾转角、方向角两个参数确定。所述等效坐标系通过一个周期参数记录飞行器自旋的情况。上述三个参数具体定义如下：倾转角α：机身平面相对于水平面的倾斜程度，即机体系或者等效坐标系z轴与正下方的夹角。倾转角范围为0～180°，从水平位置开始，倾斜程度越大倾斜角越大。方向角β：机身倾转的方向，即仰起的方向在水平方向的投影与用户坐标系Ox轴(或者基准方向)的夹角。方向角范围为-180°～180°，规定在俯视图方向，右旋为正，左旋为负数。周期参数γ：飞行器在自旋周期中转过的角度，即某一旋翼相对于原点位置与其起始时的夹角。进一步的，本专利技术提供的一种飞行控制模型中，角速率指上述角度在时间上的变化率。所述倾转角反映机身平面相对于水平面的倾转程度，在力学模型上反映飞行器对外力的抵抗，在动力学模型上反映飞行器在水平方向相对于空气的运动。所述倾转角决定飞行器的基本姿态和动力学方程。所述方向角反映机身的朝向，在力学模型上反映反抗外力的方向，在动力学模型上反映飞行器在水平方向相对于空气的运动趋势的方向。所述方向角决定飞行器的基本运动状态。所述周期参数反映机身绕z轴方向自旋的程度，对飞行器的姿态没有直接的影响。所述周期参数可以在0-360°周期变化，仅仅用于确定飞行器旋翼位置。进一步的，所述倾转角、方向角、周期参数存在优先级关系。一方面，在定义以及计算时，先确定所述倾转角和所述方向角，再确定所述周期参数；另一方面，在控制上，所述倾转角和所述方向角对飞行器姿态控制的影响高于所述周期参数。进一步的，所述倾转角、方向角、周期参数的优先级关系体现在，当控制资源不充足的时候，优先控制所述倾转角，其次控制所述方向角，最后控制所述周期参数：控制所述倾转角趋于期望值，并使所述倾转角小于最大允许倾转角，保证飞行器持续飞行不倾覆；控制所述方向角趋于期望值，并使所述方向角变化率在合理范围内，保证飞行器稳定可控飞行；控制所述周期参数趋于期望值，保证飞行器朝向的稳定。采用所述等效坐标系、所述倾转角和所述方向角代替原有坐标系和欧拉角的优势在于，所述等效坐标系不随着飞行器的自旋而发生变化，只反映飞行器在空中所处的姿态；所述倾转角和所述方向角不会随着自旋而发生改变，仅与飞行器平面的姿态位置有关。为使本专利技术提供的一种飞行控制模型与现有的飞行控制系统兼容，且使操纵更加自然，基于倾转角和方向角，本专利技术提供的一种飞行控制模型的等效坐标系中定义倾转x分量和倾转y分量两个新参数：倾转x分量：倾转角在等效坐标系y轴上的分量，其大小等于机身平面绕Ox轴旋转至倾转角最小时转过的角度，可以代替普通飞控操纵的滚转角。倾转y分量：倾转角在等效坐标系y轴上的分量，其大小等于机身平面绕Ox轴旋转至倾转角最小后，绕Oy轴旋转至水平时转过的角度，可以代替普通飞控操纵的俯仰角。采用所述倾转x分量、倾转y分量代替滚转角和俯仰角的优势在于，所述倾转x分量、倾转y分量完全基于机身平面与用户坐标系的相对关系，因此飞行器的反馈始终与操纵者的意愿一致。本专利技术提供的一种飞行控制模型中，所述等效电机推力，其特征在于，等效的电机推力的作用效果的合成，与原有电机推力作用效果的合成是相同的。本专利技术提供的一种飞行控制模型中，所述等效电机推力控制方法，根据飞行器期望运动姿态计算出的合力以及各个方向的力矩，根据所述周期参数计算出当前位置时的等效电机因子，根据等效电机因子计算分解成在各个电机上的推力。本专利技术提供的一种飞行控制模型中，所述等效电机因子为变量，根据飞行器的机架类型和所述周期参数确定。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术提供了一套飞行控制模型，为飞行器姿态的描述提供了一种新方法。(2)本专利技术提供的一种飞行器控制模型，使用倾转角描述姿态的稳定性，使用方向角描述倾转的方向，使用周期参数确定旋翼位置，更准确地描述飞行器的姿态。(3)本专利技术提供的一种飞行器控制模型，三个姿态角参数存在优先级，使控制系统的环境适应性更强，控制更加具有针对性。(4)本专利技术所述的等效坐标系适用于任何多旋翼飞行器，使飞控在进行高机动动作时仍具有增稳能力。(5)本专利技术提供的飞行控制系统，其操纵方式基于用户坐标系，操作直观、方便。附图说明图1传统地理系到机体系的变换图2机体系到机体等效坐标系的变换图3机体等效坐标系的定义图4机体等效坐标系到机体系的转换图5本专利技术提供的一个具体实施例中偏航角75°时不同俯仰角和滚转角对应的倾转角α图6本专利技术提供的一个具体实施例中偏航角75°时不同俯仰角和滚转角对应的方向角β图7本专利技术提供的一个具体实施例中偏航角75°时不同俯仰角和滚转角对应的周期参数γ图8本专利技术提供的一个具体实施例中自转在某一周期参数下四个电机滚转因子的变化情况图9本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器控制模型，其特征在于，使用基于机体坐标系在用户坐标系上的投影所建立的等效坐标系以及等效坐标系与其它坐标系的相对关系，代替机体坐标系和欧拉角等参数对飞行器的控制量进行描述，并通过控制等效电机推力的方法实现对飞行器的控制。

【技术特征摘要】
1.一种飞行器控制模型，其特征在于，使用基于机体坐标系在用户坐标系上的投影所建立的等效坐标系以及等效坐标系与其它坐标系的相对关系，代替机体坐标系和欧拉角等参数对飞行器的控制量进行描述，并通过控制等效电机推力的方法实现对飞行器的控制。2.根据权利要求1所述的一种飞行器控制模型，所述用户坐标系，是指在地理坐标系的基础上，根据操纵者意愿定义的坐标系。所述用户坐标系的定义为：规定原地理系Oz轴为用户坐标系Oz轴，用户规定的正前方向为Ox轴，根据坐标系的右手定则确定用户坐标系的Oy轴。3.根据权利要求1所述的一种飞行器控制模型，所述等效坐标系的定义为：规定原机体系原点为等效坐标系原点，原机体系Oz轴为等效坐标系Oz轴，包含用户坐标系Ox轴的铅垂面与机身平面的相交线为等效坐标系Ox轴，根据坐标系的右手定则确定等效坐标系的Oy轴。4.根据权利要求1所述的一种飞行器控制模型，等效坐标系及其与其它坐标系的相对关系，包括倾转角、方向角、周期参数及它们的角速率：倾转角α：机身平面相对于水平面的倾斜程度，即机体系或者等效坐标系z轴与正下方的夹角；方向角β：机身倾转的方向，即仰起的方向在水平方向的投影与用户坐标系Ox轴的夹角；周期参数γ：飞行器在自旋周期中转过的角度，即某一旋翼相对于原点位置与起始时的夹角；所述角速率是指上述角度在时间上的变化率。5.根据权利要求4所述的相对关系，还应包括倾转角在各个方向上的分量、选用不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王轶轩，李泽波，方潮铭，杨时雨，林畅，刘铎，龙程，黄戈莹，
申请(专利权)人：李泽波，
类型：发明
国别省市：北京,11