用于控制致动器系统的方法和使用所述方法的飞行器技术方案

提出了用于操作包括多个致动器的欠驱动致动器系统的方法，每个致动器具有最大物理容量，该方法包括：用根据分配方程计算出的实际控制输入控制致动器：用状态反馈控制根据系统动力学方程循环计算期望的伪控制输入u

【技术实现步骤摘要】
用于控制致动器系统的方法和使用所述方法的飞行器


[0001]本公开涉及一种用于控制包括多个致动器的致动器系统的方法，优选地，该方法用于控制多致动器飞行器，其中，优选地，所述致动器被设计为多致动器飞行器的独立推进单元。
[0002]本公开还涉及一种飞行器，特别地，涉及一种电力推进的VTOL(垂直起降)飞行器，该飞行器包括具有多个致动器的致动器系统，其中，所述致动器被设计为飞行器的独立推进单元。

技术介绍

[0003]在过度确定的致动器系统(例如，多致动器飞行器(MAV))中，其中，每个致动器可以被认定为飞行器的推进单元，存在完成给定任务(例如，给定飞行方向)的不同可能性。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：每个致动器均接收相应的控制信号以控制其操作，以便所有致动器的联合操作可以完成所述给定任务(例如，沿所需方向飞行)。一种实现此目的的方法已在本申请人提交的德国申请DE 10 2019 101 903中进行了描述。
[0004]然而，DE 10 2019 101 903没有解决如何在多致动器系统中指定特定控制任务的附加问题，这种问题会在例如由于致动器故障或失效而不再可能满足所有期望的控制任务时出现。

技术实现思路

[0005]本公开的目的是提供一种用于欠驱动和/或过度确定的致动器系统的分配方法，该分配方法以用于控制包括多个致动器的致动器系统的方法为形式，其解决如何在多致动器系统中指定特定控制任务的附加问题，这种问题会在例如由于致动器故障或失效(特别地，与多致动器飞行器(MAV)相关)而不再可能满足所有期望的控制任务(控制权限的降级)时出现。
[0006]该目的是通过本公开所限定的用于控制致动器系统的方法以及通过本公开所限定的飞行器(或MAV)来实现的。在本公开中还限定了其他有利的实施方式。
[0007]根据本公开的第一方面，提供了一种用于控制包括多个致动器的致动器系统的方法，优选地，该方法用于控制多致动器飞行器，其中，优选地，所述致动器被设计为多致动器飞行器的独立推进单元。该方法包括：用实际控制输入(即，相应的控制信号)控制致动器，该实际控制输入是根据分配方程u＝D-1
u
p
计算出的，其中，D-1
是逆分配矩阵，是由系统动力学方程定义的伪控制输入，其中，是系统的n维配置矢量，是状态依赖的广义惯性矩，是状态依赖的科里奥利(Coriolis)力，是重力，是重力，
是外力和扭矩，是包含欠驱动的信息的控制输入矩阵，其中，在Rank(G(x))＜n的情况下，该系统被认为是欠驱动的，或者，在k>m>n且Rank(G(x)D)＜n的情况下，该系统被认为同时是欠驱动的及过度确定的，其中，使用状态反馈控制来根据所述系统动力学方程循环计算期望的伪控制输入u
p
；如果所述期望的伪控制输入u
p
的至少一个分量大于能够基于例如所述致动器最大物理容量u
max
并基于系统内致动器的位置(或其他特性/配置)产生的对应的最大伪控制输入或者如果致动器系统达到其允许的控制体积极限(即，u
p
>u
pmax
)，而单个致动器未达到其自身极限(u
max
)，例如，如果所有致动器都非常接近其各自的极限u
max
，则将u
p
的至少一个分量的优先级调整成优于u
p
的其他分量；以及，a)借助于优先级算法，求解所述分配方程以得到u
p
的所述至少一个优先分量，该求解操作在求解所述分配方程以得到u
p
的其他分量之前进行；或者b)在反馈控制期间，将u
p
的所述至少一个优先分量的极限值调整一定量，同时保持u
p
的所述其他分量的各自的极限值基本恒定。
[0008]在本文中，“致动器的配置”是指系统中、例如在飞行器上的致动器的配置，即它们的几何定位(位置和旋转)和其他特性，例如，转子的推力和转矩曲线、电机的输出轴扭矩等。
[0009]此外，根据本公开的第二方面，提供了一种飞行器或MAV，特别地，提供了一种电力推进的VTOL飞行器(eVTOL)，包括：具有多个致动器的致动器系统，其中，所述致动器被设计为飞行器的独立推进单元，其中，在操作期间，所述致动器被适配成从至少一个飞行控制单元接收控制输入元接收控制输入即，其各自的分量，其中，所述飞行控制单元包括反馈控制单元和分配单元，其中，所述控制输入u是借助于在所述至少一个飞行控制单元上运行的至少一种计算机算法确定出的，优选地，在飞行器上和/或实时地确定出，更优选地，由所述分配单元确定出，其中，i)借助所述反馈控制单元，所述至少一个飞行控制单元被适配成执行根据本公开的所述第一方面的方法中的情况b)，和/或，ii)借助所述算法，所述至少一个飞行控制单元被适配成执行根据本公开的所述第一方面的方法；以及，各自的控制输入u被提供至所述致动器。
[0010]根据本公开的(分配)方法可以应用于各种各样的系统，例如飞行器、机器人、欠驱动和/或过度确定的系统等。为了更好地理解，可以使用牛顿-欧拉原理或拉格朗日方法得出的此类系统的运动方程如下：
[0011][0012]如上文所述，其中，是系统的n维配置矢量，例如，三维中的位置和旋转，是状态依赖的广义惯性矩，是状态依赖的科里奥利力，代表重力，以及是外力和扭矩，例如，取决于空气动力学、碰撞等。“状态”表示所考虑的系统(例如飞行器(MAV))的(物理)状态。可以定义一个所谓的伪控制输入用于控制该(致动器)系统。该伪控制输入(在多致动器飞行器中，由于其致动器(例如，推进单元)的功能，该伪控制输入等于作用在飞行器上的总推力和扭矩)在用所
谓的控制输入矩阵修正后，再输入到由方程1给定的系统动力学。该矩阵包含例如欠驱动的信息，如本领域技术人员所知，如果Rank(G(x))＜n，则该系统被认为是欠驱动的。
[0013]值得注意的是，系统可以同时是欠驱动的及过度确定的，即，在k>m>n或Rank(G(x)D)＜n的情况下。
[0014]通过如下方程2在实际控制输入与伪控制输入之间进行分配：
[0015]u
p
＝Du
ꢀꢀ
(方程2)
[0016]其中，被定义为分配矩阵。
[0017]使用借助上述反馈控制单元(对于MAV-VTOL而言其包括例如姿态、高度、位置/速度控制、路径/轨迹跟踪等)实现的状态反馈控制定律，并基于方程1中描述的系统动力学，可以计算出期望的伪控制输入u
p
。然而，这需要借助实际控制输入u来被分配给物理致动器。因此，为了根据u计算u
p
，需要逆矩阵计算。方程3对此进行了描述：
[0018]u＝D-1
u
p
ꢀꢀ
(方程3)
[0019本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于操作包括多个致动器(3)的欠驱动致动器系统的方法，优选地，该方法用于操作多致动器飞行器(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)的独立推进单元，每个所述致动器具有最大物理容量u
max
，所述方法包括：用根据分配方程u＝D-1
u
p
计算出的实际控制输入控制所述致动器(3)：其中，D-1
是逆分配矩阵，是由系统动力学方程是由系统动力学方程定义的伪控制输入；其中，是所述系统的n维配置矢量，是状态依赖的广义惯性矩，是状态依赖的科里奥利力，是重力，是重力，是外力和扭矩，是包含欠驱动的信息的控制输入矩阵，其中，在Rank(G(x))＜n的情况下，所述系统被认为是欠驱动的，或者，在k＞m＞n且Rank(G(x)D)＜n的情况下，所述系统被认为同时是欠驱动的及过度确定的，其中，使用反馈控制来根据所述系统动力学方程循环计算期望的伪控制输入u
p
；如果所述期望的伪控制输入u
p
的至少一个分量大于能够基于所述致动器最大物理容量u
max
并基于所述系统内所述致动器(3)的位置或配置产生的对应的最大伪控制输入或者如果所述致动器系统达到其控制体积极限，u
p
＞u
pmax
，而单个致动器未达到其自身极限u
max
，例如，如果所有致动器(3)都非常接近其各自的极限u
max
，则将u
p
的所述至少一个分量的优先级调整成优于u
p
的其他分量；以及，a)借助于优先级算法，求解所述分配方程以得到u
p
的所述至少一个优先分量，该求解操作在求解所述分配方程以得到u
p
的其他分量之前进行；或者b)在状态反馈控制期间，将u
p
的所述至少一个优先分量的极限值调整一定量，同时保持u
p
的其他分量的各自的极限值基本恒定。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在情况b)中，将u
p
的所述至少一个优先分量的所述极限值调整一定量包括：降低所述极限值，优选地，将所述极限值降低所述极限值的初始值的百分比。3.根据权利要求1所述的方法，其中，在情况a)中，u
p
的至少一个分量被预先选择，优选地，被永久预先选择，并且，求解所述分配方程包括求解所述分配方程以得到u
p
的所述至少一个预先选择的分量，该求解操作在求解所述分配方程以得到u
p
的其他分量之前进行。4.根据权利要求3所述的方法，其中，在u
p
的预先选择的分量为多个的情况下，求解所述分配方程以得到u
p
的所述预先选择的分量包括：求解所述分配方程以同时得到u
p
的所述多个预先选择的分量。5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，求解所述分配方程以得到u
p
的所述其他分量包括：如果所述期望的u
p
的所述至少一个分量大于所述相应的最大伪控制输入且为u
p
的预先选择的分量，则求解所述分配方程以同时得到u
p
的所述其他分量。6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中，优选地，如果所述期望的u
p
的所述至少一个分量大于所述相应的最大伪控制输入且不为u
p
的预先选择的分量，则定义至少一个物理阈值，并将其与所述系统的相应状态变量的当前值进行比较；并且其中，基于所述比较的结果确定求解所述分配方程以得到u
p
的其他分量的顺序。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，在多致动器飞...

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