【技术实现步骤摘要】
一种基于动态最优控制的倾转旋翼无人机轨迹优化方法
本专利技术属于无人机飞行控制领域，特别涉及一种倾转旋翼无人机起飞过程轨迹优化设计的方法，能够使倾转旋翼无人机从一簇斜垂起飞的飞行轨迹中寻找一个最优的轨迹，使其从静止状态转换到目标飞行状态时的耗时和耗能达到最优。
技术介绍
倾转旋翼无人机在垂直起降时旋翼拉力用以抵消飞机重力，而在固定翼模式水平飞行时则只需要抵消飞机的前飞阻力。从节省耗能的角度来讲，快速地让飞机倾转至固定翼模式并产生气动升力是很有必要的。倾转旋翼无人机的斜垂起飞方式能够使无人机在倾转过程中积累平飞空速的同时也进行高度爬升，充分利用气动升力达到节省能量的目的。然而，倾转旋翼无人机由直升机模式倾转至固定翼模式过程中存在着控制策略的变化，该过程具有执行机构冗余，操作难度大的特点。整个倾转飞行过程存在旋翼倾转角、旋翼拉力和前飞速度等参数相互匹配的问题。如何根据飞机的具体参数预先设置飞行轨迹和操纵指令，使得无人机能够按照指定的倾转飞行计划安全、高效过渡是至关重要的。目前关于倾转旋翼无人机倾转过渡的控制方法主...
【技术保护点】
1.一种基于动态最优控制的倾转旋翼无人机轨迹优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一：从倾转旋翼无人机斜垂起飞的受力分析出发，建立倾转旋翼无人机的纵向质点运动模型；/n步骤二：根据倾转旋翼无人机各执行机构的控制能力，制定飞行约束条件；/n步骤三：将倾转旋翼无人机的斜垂起飞最优轨迹问题归结为含有步骤二中制定的飞行约束条件的非线性动态最优控制问题，给定控制系统的状态变量和状态方程的边界条件以及性能指标函数形式；/n步骤四：给定控制系统的状态变量和状态方程的边界条件的参数值，并将斜垂起飞整个过程的总时间最少和总耗能最小作为优化指标，确定所述非线性动态最优控制问题相应的性能指...
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种基于动态最优控制的倾转旋翼无人机轨迹优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：从倾转旋翼无人机斜垂起飞的受力分析出发，建立倾转旋翼无人机的纵向质点运动模型；
步骤二：根据倾转旋翼无人机各执行机构的控制能力，制定飞行约束条件；
步骤三：将倾转旋翼无人机的斜垂起飞最优轨迹问题归结为含有步骤二中制定的飞行约束条件的非线性动态最优控制问题，给定控制系统的状态变量和状态方程的边界条件以及性能指标函数形式；
步骤四：给定控制系统的状态变量和状态方程的边界条件的参数值，并将斜垂起飞整个过程的总时间最少和总耗能最小作为优化指标，确定所述非线性动态最优控制问题相应的性能指标函数；
步骤五：采用直接配置非线性规划方法将非线性动态最优控制问题转化为非线性规划问题，针对步骤一中建立的倾转旋翼无人机的纵向质点运动模型，求解优化后的轨迹变量和执行机构控制变量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一具体过程为：
假设倾转旋翼无人机在整个斜垂起飞过程中的横向速度、滚转角、偏航角都可忽略，倾转旋翼无人机只在其纵向平面内运动，建立的倾转旋翼无人机的纵向质点运动模型如下：
其中，t为时间；VU(t)为无人机垂向速度；为无人机垂向加速度；VH(t)为无人机水平速度；为无人机水平加速度；为主电机的倾角；α(t)和A(t)分别为无人机迎角和无人机航迹角，L(t)和D(t)分别为升力和阻力；T(t)为主电机的拉力，m为无人机质量；g为重力加速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中所制定的飞行约束条件包括状态约束和控制约束，所述状态约束包括起止稳态飞行约束和飞行路径约束，所述控制约束包括执行机构约束；
1)稳态飞行约束
无人机稳态飞行的初始约束和终端约束表示为：
其中，t0和tf分别为无人机斜垂起飞的起始时间点和终止时间点；VaC和ZnC分别为预设的目标空速和高度；VU0、VH0、Zn0、A0、α0分别为无人机垂向速度VU(t)、无人机水平速度VH(t)、无人机垂向高度Zn(t)、无人机航迹角A(t)和无人机迎角α(t)的初始值；VUf、Af、αf分别为无人机垂向速度VU(t)、无人机航迹角A(t)和无人机迎角α(t)的终端值；
2)飞行路径约束，具体约束表示如下：
其中，下标min表示最小值，下标max表示最大值；
3)执行机构约束，具体约束表示如下：
其中，Tb(t)和分别为尾电机的拉力和倾角；δl(t)和δr(t)分别为左右升降副翼的偏转角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，假设控制系统的状态方程如下：
技术研发人员：张谦，于泽龙，王学运，张京娟，徐一钒，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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