控制致动器系统的方法和使用所述方法的航空器技术方案

提出了一种控制包括k个致动器的致动器系统的方法，该方法优选用于控制多致动器飞行器，致动器优选被设计为多致动器飞行器的各个推进单元，每个致动器在运行期间接收控制输入u

【技术实现步骤摘要】
控制致动器系统的方法和使用所述方法的航空器


[0001]本公开涉及一种控制致动器系统的方法，该致动器系统包括k个致动器，该方法优选用于控制多致动器飞行器，其中所述致动器优选被设计为多致动器飞行器的各个推进单元。
[0002]本公开还涉及一种航空器，特别是电推进的VTOL(垂直起降)航空器，包括具有k个致动器的致动器系统，其中所述致动器被设计为航空器的各个推进单元。

技术介绍

[0003]在过度确定的致动器系统中，例如多致动器飞行器(MAV)，其中每个致动器可被识别为航空器的推进装置，对于实现给定任务，存在不同可能性，例如给定的飞行方向。可以以不同的方式/部分将给定的任务分配给不同的致动器。换句话说，每个致动器都接收相应的控制信号以控制其运行，从而所有致动器的联合运行可以实现所述给定任务(例如，沿期望的方向飞行)。在本申请人提交的德国申请DE 10 2019 101 903中描述了一种实现该目的的方法。
[0004]迄今为止，现有技术中还没有考虑致动器的健康状态/特性的分配方法。致动器，例如MAV的电机，可以提供几乎无限长时间的连续动力，即在给定任务期间，或者在紧急情况或故障情况下，直到MAV安全着陆为止，而如果需要更多功率，它们可以提供峰值功率，但是在过热之前只能在一定时间内提供峰值功率。这会导致电机性能下降或损失。结果，这可能导致对其余电机的更高的功率需求，这意味着由于不断增加的过载级联而导致其余电机的进一步故障。

技术实现思路

[0005]本公开的目的是提供一种用于过度确定的致动器系统的分配方法，其形式为用于控制包括k个致动器的致动器系统的方法，该方法在考虑致动器在特定时间范围内的可用物理容量方面的特性的情况下将整个系统的给定任务分配给多个致动器，从而避免了上述下降和过载情况，特别是与多致动器飞行器(MAV)相关。
[0006]该目的是通过如方案1所限定的用于控制致动器系统的方法以及如方案12所限定的航空器(或MAV)来实现的。在其他方案中限定了有利的其他实施方式。
[0007]根据本公开，提出了一种用于控制致动器系统的方法，该致动器系统包括k个致动器，该方法优选用于控制多致动器飞行器，其中所述致动器优选被设计为多致动器飞行器的各个推进单元。每个所述致动器在运行期间接收控制输入(信号)u
i
，其中索引i(i＝1,
…
,k)表示特定的(或给定的)致动器。该控制输入u
i
取决于包括用于每个致动器的加权因子w
i
的权重矩阵W并且至少取决于用于每个致动器的物理最大控制极限u
imax
来确定。如果对于至少一些致动器，所述控制输入u
i
或其函数f
i
(u
i
)与第一设定阈值的第一比较得出所述控制输入u
i
或其函数f
i
(u
i
)超过所述第一设定阈值，则所述加权因子w
i
和/或物理最大控制极限u
imax
在致动器系统运行期间被主动改变，所述第一设定阈值优选对于每个致动器将
是不同的。所述第一比较在致动器系统运行期间随时间重复，优选地以规则的时间间隔重复。根据调整后的加权因子w
i
和/或调整后的物理最大控制极限u
imax
确定新的控制输入u
i
，并将该新的控制输入u
i
应用于致动器，从而根据特定时间范围内的可用物理容量来考虑致动器的特性。
[0008]每当本申请提到“将根据调整后的加权因子w
i
和/或调整后的物理最大控制极限u
imax
确定出的新的控制输入u
i
应用于致动器”或类似描述时，应理解为将相应的控制输入u
i
应用于相应的致动器i，该控制输入u
i
根据该致动器的加权因子w
i
和/或该致动器的调整后的物理最大控制极限u
imax
确定。
[0009]此外，根据本公开，提出了一种航空器或MAV，特别是电推进的VTOL航空器(eVTOL)，其包括：包括k个致动器的致动器系统，其中所述致动器被设计为航空器的各个推进单元，其中每个所述致动器在运行期间适于从至少一个飞行控制单元接收控制输入u
i
，其中索引i表示给定的致动器，其中所述控制输入u
i
通过在所述至少一个飞行控制单元上执行的至少一个计算机算法确定，优选在航空器上和/或实时地确定，其中所述至少一个飞行控制单元通过所述算法适于执行根据本公开的方法，并将所述(新的)控制输入u
i
提供给所述致动器(即，提供给每个对应的致动器i)。
[0010]为简单起见，量u
i
、u
imax
、w
i
等(其中i＝1,
…
,k)在下文中将另选表示为u、u
max
、w,...，它们分别是分量u
i
、u
imax
、w
i
的向量。
[0011]根据本公开的(分配)方法可以应用于各种各样的系统，例如航空器、机器人、致动不足和/或过度确定的系统等。为了更好地理解，可以用牛顿-欧拉(Newton-Euler)原理或拉格朗日方法推导出的这类系统的运动方程描述如下：
[0012][0013]其中是系统的n维配置向量，例如3D中的位置和旋转，是状态相关的广义惯性矩，是状态相关的科里奥利(Coriolis)力，代表重力，并且是外力和扭矩，例如由于空气动力学、物理接触等原因。可以定义一个伪控制输入用于控制(致动器)系统。该伪控制输入(其等于通过多致动器飞行器中的致动器(推进单元)作用在航空器上的总推力和扭矩)经过修改后，通过所谓的控制输入矩阵进入(等式1)给出的系统动力学。该矩阵包含例如致动不足等信息，如本领域技术人员所知，如果Rank(G(x))＜n，则称该系统致动不足。
[0014]通过以下等式在实际控制输入(即先前定义的输入值u
i
)和伪控制输入(具有分量u
pj
的向量，j＝{1,
…
,m})之间进行分配：
[0015]u
p
＝D
u
ꢀꢀꢀꢀ
(等式2)
[0016]其中定义为分配矩阵。
[0017]请注意，系统可能致动不足也可能过度确定，即在k＞m＞n或Rank(G(x)D)＜n的情况下。
[0018]基于等式1中描述的系统动力学，使用状态反馈控制定律(对于MAV-VTOL，其包括例如姿态、高度、位置/速度控制、路径/轨迹跟踪等)，可以计算期望的u
p
。但是，这需要使用
实际控制输入u来分配给物理致动器。因此，需要一种逆矩阵计算以便根据期望的u
p
计算u。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于控制包括k个致动器(3)的致动器系统的方法，所述方法优选用于控制多致动器飞行器(1)，其中所述致动器(3)优选被设计为所述多致动器飞行器(1)的各个推进单元；其中每个所述致动器(3)在运行期间接收控制输入u
i
，其中索引i表示给定的致动器(3)，所述控制输入u
i
取决于包括用于每个所述致动器(3)的加权因子w
i
的权重矩阵W并且至少取决于用于每个所述致动器(3)的物理最大控制极限u
imax
来确定；其中如果对于至少一些所述致动器(3)，所述控制输入u
i
或其函数f(u
i
)与第一设定阈值(f
i
(u
iavail
))的第一比较得出所述控制输入u
i
或其函数f(u
i
)超过所述第一设定阈值(f
i
(u
iavail
))，则所述加权因子w
i
和/或物理最大控制极限u
imax
在所述致动器系统运行期间被主动改变，所述第一比较在所述致动器系统运行期间随时间重复，优选地以规则的时间间隔重复；以及其中根据调整后的加权因子w
i
和/或调整后的物理最大控制极限u
imax
确定新的控制输入u
i
，并将该新的控制输入u
i
应用于所述致动器(3)。2.根据权利要求1所述的方法，其中基于伪控制输入u
p
确定所述控制输入u
i
，其中u
p
＝Du，D是至少取决于u
imax
的分配矩阵，其中确定u涉及求解等式u＝D-1
u
p
，D-1
被定义为D-1
(W,u
max
)，W是所述权重矩阵；其中逆分配矩阵D-1
根据W和u
max
的改变值而被调整；以及其中所述新的控制输入u
i
是根据调整后的逆分配矩阵D-1
确定的，并被应用于所述致动器(3)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一设定阈值(f
i
(u
iavail
))包括每个致动器(3)的可用控制极限(u
iavail
)，所述可用控制极限(u
iavail
)是给定致动器(3)能够连续运行而不会过载的控制输入。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中每当所述第一比较得出所述控制输入u
i
或其函数f
i
(u
i
)超过所述第一设定阈值(f
i
(u
iavail
))时，第一计数器(t
iavail
)增加，并且其中至少矩阵W基于所述第一计数器(t
iavail
)的当前值而被调整，优选地基于加权函数(wf1)而被调整，所述加权函数(wf1)的值取决于所述第一计数器(t
iavail
)的所述当前值；和/或其中每当比较得出所述控制输入u
i
或其函数f
i
(u
i
)超过相应设定阈值(f
i
(u
imax
))时，第二计数器(t
imax
)增加，并且其中至少矩阵W基于所述第二计数器(t
imax
)的当前值而被调整，优选地基于加权函数(wf2)而被调整，所述加权函数(wf2)的值取决于所述第二计数器(t
imax
)的所述当前值；其中优选地，仅当所述第一计数器和/或所述第二计数器不超过其设定阈值(f
i
(u
iavail
),f
i
(u
imax
))时，才基于所述第一计数器和/或所述第二计数器的当前值来调整矩阵W。5.根据权利要求4所述的方法，其中，如果所述第一计数器(t
iavail
)超过第一设定计数器阈值(t
iavail
)，则将u
max
调整为较低的值，所述较低的值优选为给定致动器(3)能够连续工作而不会过载的控制输入(u
iavail
)。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中对于至少一些所述致动器(3)，基于控制输入u
i
或其函数f
i
(u
i
)与所述控制输入u
i
或函数f
i
(u
i
)的至少第二设定阈值(f
i
(u
imax
))的第二比较，如果所述第二比较得出所述控制输入u
i
或其函数f
i
(u
i
)超过所述第二设定阈值
(f
i
(u
imax
))，W和u...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：沃科波特有限公司，
类型：发明
国别省市：