用于控制超定系统的方法和控制单元、系统和飞行器技术方案

本发明专利技术涉及一种用于控制超定系统的方法和控制单元、系统和飞行器，所述方法包括：a)根据系统的物理模型确定伪控制指令伪控制指令特别是代表作用于系统的力矩和总推力；b)根据u

【技术实现步骤摘要】
用于控制超定系统的方法和控制单元、系统和飞行器


[0001]本专利技术涉及方案1的一种用于控制具有多个致动器的超定系统的方法，例如，所述系统是具有多个驱动单元的飞行器。
[0002]本专利技术还涉及方案17的一种用于控制具有多个致动器的超定系统的控制单元，例如，所述系统是具有多个驱动单元的飞行器。
[0003]本专利技术还涉及方案20的一种具有多个致动器的超定系统。
[0004]本专利技术最后还涉及方案21的一种飞行器，所述飞行器具有多个驱动单元以及可选的其他致动器，如活动的襟翼或绞盘，这些驱动单元和致动器共同构成超定系统。

技术介绍

[0005]具有超定致动(“过度致动(over
‑
actuation)”，即具有比在其控制空间中执行所谓的主要任务所需的更多数量的致动器)的飞机、飞行器或航空器，提供了用一个以上的解决方案执行主要任务的可能性。这直观地表明，根据飞机类型、致动器类型和在控制空间中定义的任务，可能存在用于执行一个或多个其他(非主要)任务的额外的空间。
[0006]根据飞机的操控、环境条件、故障场景或其他影响，飞机的运行可能接近其在控制空间的极限。这意味着，由致动器和控制面(襟翼、机翼等)所能提供的物理力和(转动)力矩可能不足以在所有时刻控制飞机的所有控制轴(或操控轴)，对于申请人生产的多旋翼飞行器“VoloCity”，这些轴是滚转轴(纵轴线)、俯仰轴(横轴线)、偏航轴(竖直轴线)和(总)推力。其他飞机类型根据致动器的布置形式可以具有不同的控制轴，特别是两个额外的水平推力轴。在这些情况下，飞机的安全性和可控性可以将一个或多个控制轴优先于其他控制轴来保证，例如，滚转轴和俯仰轴优先于偏航轴。重要的是，要确保，具有较低优先级的控制轴不会影响具有较高优先级的控制轴(例如，当偏航轴的优先级低于滚转轴和俯仰轴时，则偏航轴的控制不能影响滚转轴和俯仰轴)。
[0007]不同优先级在控制上的这种分离是较为重要的任务。一般而言，将不同任务与各自的优先级组合起来，使得具有低优先级的任务不会影响具有高优先级的任务，这是一种复杂的要求。如何将次要或第三级(第三级或一般而言非主要的)任务添加到控制和配置问题(分配问题)的方式和形式，可以显著影响用于解决主要任务的能力和这种解决方案的稳定性。
[0008]在欧洲专利申请19 212 935.1中，申请人提出了一种用于运行具有18个旋翼的eVTOL飞行器的方法，其中，主要控制任务利用所谓的“L
‑
2”最小化的解决方案，以提供所需的推力和扭矩，同时施加了次要和优先级更小(非主要)的约束，以降低最大LTU(Lift
‑
Trust
‑
Unit(升力推力单元))的功率。这是通过将分配问题的增益参数更改为LTU值(转速
‑
RPM)与总LTU(所谓“L
‑
inf”最小化)相应平均值的函数来实现的。这里，在一个步骤执行两个任务，这使得无法给不同的目标分配不同的优先级或重要性。此外，在实现较低重要性目标(例如次要目标)时的失败或错误行为可能对解决具有较高重要性的任务(例如主要目标)产生不利影响。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是解决上述问题，并且提供一种方法、控制单元、系统和每种情况下提到的类型的飞行器，其中，除了实现至少一个主要任务外，还可以实现至少一个非主要任务，此时不会对主要任务或其解决方案造成影响。一般来说，同样的目的是适用于相对于较低优先级的任务而言，具有较高优先级的任务。
[0010]所述目的通过具有方案1的特征的方法、具有方案17的特征的控制单元、具有方案20的特征的系统和具有方案21的特征的飞行器来实现。
[0011]在相应的从属方案中限定优选的改进方案。
[0012]根据本专利技术提出一种用于控制具有多个功率有限的致动器(数量为k)的超定系统的方法，所述系统特别是具有多个驱动单元的飞行器，所述致动器执行至少一个主要任务和至少一个非主要任务，所述方法包括：
[0013]a)根据所述系统的物理模型确定伪控制指令所述伪控制指令特别是代表作用于所述系统的力矩(L、M、N)和总推力(F)，
[0014]b)根据u
p
＝Du确定控制矩阵D，其中，u表示致动器控制指令，
[0015]c)根据q≤p
′
将控制矩阵D分解成子控制矩阵D
i
，从而有和u
p,i
＝D
i
u，
[0016]其中，对于i＝1，子控制矩阵D
i
和相应的子伪控制指令u
p,i
对应于主要任务，对于i>1，子控制矩阵D
i
和相应的子伪控制指令u
p,i
对应于至少一个非主要任务，并且非主要任务的优先级随着索引i的增大而降低，
[0017]d)根据确定用于执行主要任务的致动器控制指令，其中#表示矩阵求逆，而包括用于执行主要任务的致动器控制指令，其中有
[0018]e)将非主要任务，i>1，投影到主要任务，i＝1，的零空间，以及投影到所有具有较高优先级的非主要任务(如果有的话)各自的零空间，从而有D
i
u
j
＝0，其中，包括用于执行非主要任务的致动器控制指令，以及
[0019]f)将来自d)和e)的致动器控制指令提供给致动器。
[0020]术语“有限”或“功率有限”在这种情况下是指，所述致动器具有物理的功率极限，就是说，不能实现任意可设想的技术任务(这原则上适用于任意机器)。
[0021]相应地对于致动器控制指令u适用的是，相应地对于致动器控制指令u适用的是，表示致动器控制指令被限制在一定的数值范围内。
[0022]根据本专利技术提出一种用于控制具有多个功率有限的致动器(数量为k)的超定系统的控制单元，所述系统特别是具有多个驱动单元的飞行器，所述致动器执行至少一个主要任务和至少一个非主要任务，并且特别是在软件技术上被构造成和被设置成，用于：
[0023]a)根据所述系统的物理模型确定伪控制指令所述伪控制指令特别是代表作用于所述系统的力矩(L、M、N)和总推力(F)，
[0024]b)根据u
p
＝Du确定控制矩阵D，其中，u表示致动器控制指令，
[0025]c)根据q≤p
′
将控制矩阵D分解成子控制矩阵D
i
，从而有和u
p,i
＝D
i
u，
[0026]其中，对于i＝1，子控制矩阵D
i
和相应的子伪控制指令u
p,i
对应于主要任务，而对于i>1，子控制矩阵D
i
和相应的子伪控制指令u
p,i
对应于至少一个非主要任务，并且非主要任务的优先级随着索引i的增大而降低，
[0027]d)根据确定用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于控制具有多个功率有限的致动器(数量为k)的超定系统的方法，所述系统特别是具有多个驱动单元(3)的飞行器(1)，所述致动器执行至少一个主要任务和至少一个非主要任务，所述方法包括：a)根据所述系统的物理模型确定伪控制指令所述伪控制指令特别是代表作用于所述系统的力矩(L、M、N)和总推力(F)，b)根据u
p
＝Du确定控制矩阵D，其中，u表示致动器控制指令，c)根据q≤p
′
将控制矩阵D分解成子控制矩阵D
i
，从而有和u
p,i
＝D
i
u，其中，对于i＝1，所述子控制矩阵D
i
和相应的子伪控制指令u
p,i
对应于所述主要任务，对于i>1，所述子控制矩阵D
i
和相应的子伪控制指令u
p,i
对应于至少一个所述非主要任务，并且所述非主要任务的优先级随着索引i的增大而降低，d)根据确定用于执行所述主要任务的所述致动器控制指令，其中#表示矩阵求逆，而包括用于执行所述主要任务的所述致动器控制指令，其中e)将所述非主要任务，i>1，投影到所述主要任务，i＝1，的零空间，以及投影到所有具有较高优先级的非主要任务(如果有的话)各自的零空间，从而有D
i
u
j
＝0，其中，包括用于执行所述非主要任务的所述致动器控制指令，以及f)将来自d)和e)的所述致动器控制指令提供给所述致动器。2.根据权利要求1所述的方法，其中，首先优选根据u
2org
＝计算以执行第一个非主要任务，然后根据将投影到子控制矩阵D1的零空间N2(D1)上，其中优选有3.根据权利要求2所述的方法，其中，然后根据下式计算总致动器控制指令u：u＝u1+u2。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，对于预先规定：5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，优选根据计算以执行第二个非主要任务，然后根据u3＝N3u
3org
将投影到子控制矩阵D1，D2的零空间N3(D1,D2)上，其中，优选有6.根据权利要求5所述的方法，其中，然后根据下式计算总控制指令u：
u＝u1+u2+u3。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，对于预先规定：8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，根据下式计算零空间N
i
(D),i>1：9.根据权利要求8所述的方法，其中，为了执行所述非主要任务,i>1，计算以下各项：u
i
＝N
i
u
iorg
；其中以及其中10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法应用于具有多个、即k个驱动单元(3)，优选18个、即k＝18个驱动单元(3)的飞行器(1)，这些驱动单元形成所述系统的至少一些致动器。11.根据权利要求10所述的方法，其中，与滚转和俯仰有关的姿态控制，特别是滚转角和俯仰角，优先于与偏航有关的方向控制，特别是偏航率，以及与高度有关的垂直控制，特别是爬升率和下降率。12.根据权利要求11所述的方法，其中，被选择为代表致动器控制指令u到滚转力矩和俯仰力矩上的投影，其中，并且被选择为代表致动...

【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：