一种带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法技术

本发明专利技术公开了一种带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法，包括以下步骤：S1、将无人机的控制系统分成动力系统、控制器和无人机纵向运动动力学模型这三部分；S2、动力系统解依靠虚拟力N改变无人机的前进速度，通过升降舵改变飞行姿态；S3、控制器控制起飞过程中的纵向姿态；S4、动力学模型根据动力系统的输出控制作用于无人机上的力和力矩，调整无人机纵向姿态。本发明专利技术针对水空两栖无人机水上起飞非线性强耦合特性，创造性地提出了“自抗扰+自适应动态逆”控制方法，具有易于实现、控制简单且飞机跨介质起飞姿态稳定等优点，自适应动态逆控制将非线性反馈量线性化后进行状态解耦，自抗扰控制进一步解决了水动力精确建模困难的问题。精确建模困难的问题。精确建模困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法


[0001]本专利技术属于无人机
，具体涉及一种带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法。

技术介绍

[0002]我国作为一个海陆兼备的大国，拥有丰富的海洋资源和广阔开发前景，提高海洋开发、利用、管控和保护能力，加快建设海洋强国具有重大战略意义。然而，受限于海洋复杂的地理气象条件，仅投入人力难以提高效率。近年来，无人机技术发展快速应用广泛，使用其为海上任务提供支持具有独到之处。一方面，利用专业软件程序控制配合专门的机上任务载荷，进行软硬结合，能有效提高无人机对环境的适应性和工作效率，另一方面，机上无人的特性使其在完成危险性高、难度大及枯燥的任务时更具优势。
[0003]常见的无人机有固定翼无人机、多旋翼无人机、扑翼无人机等。常规固定翼无人机需要一定长度的跑道进行滑跑直至达到起飞速度，利用空气在机翼上、下表面产生气压差提供升力起飞，对于场地的要求使其部署受到环境限制较大。多旋翼无人机通过调节旋翼转速提供升力控制飞行，能够一定程度克服起降场地限制，使用范围较广，结构简单易于开发，相应技术研究和实践发展也较为成熟，但目前大量使用的四旋翼无人机起降时依靠调节四旋翼转速和转动方向完成六自由度运动，属于典型的欠驱动系统，在实际使用时容易出现灵活性受限的情况，并且对于控制器稳定性提出要求较高。现有扑翼无人机由于驱动方式单一、气动耦合多、动力学建模困难、材料要求高及控制技术不成熟等问题，其飞行性能较固定翼无人机和旋翼无人机差距较大。
[0004]水空两栖倾转旋翼无人机具备固定翼无人机速度快航时长、旋翼无人机空中悬停和水面无人艇快速游弋等优势，具有广阔的应用前景。但水面起降的优势同样带来了相应的技术难题，尤其是无人机滑跑起飞跨介质过程带来的起飞姿态不稳，导致旋翼无人机的应用受到了较大限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、易于组装、控制简单且起飞姿态稳定的带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将无人机的控制系统分成三部分，控制旋翼转速和升降舵偏转角度的动力系统、基于自抗扰控制和自适应动态逆控制方法构建的控制器以及带浮筒的水空两栖无人机纵向运动动力学模型；
[0009]S2、动力系统中的控制升降舵模块根据无人机的俯仰角速率、纵向上的飞行速度分量、飞行速度以及虚拟滚转力矩R、虚拟俯仰力矩P解算出升降舵偏转角度；动力系统中的电机转速模块通过设定旋翼倾转角度和虚拟力N改变电机转速；依靠虚拟力N改变无人机的
前进速度，通过升降舵改变飞行姿态；
[0010]S3、控制器根据期望高度、实际高度、无人机俯仰角、俯仰角速率、起飞速度、实际速度控制起飞过程中的纵向姿态；
[0011]S4、带浮筒的水空两栖无人机的纵向运动动力学模型根据动力系统的输出控制作用于无人机上的力和力矩，在建立的纵向运动动力学模型基础上计算出无人机的状态，将状态作为反馈信号调整无人机纵向姿态。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3中，纵向姿态控制的过程根据实际高度差计算出期望俯仰角，并与实际俯仰角进行比较，将比较结果处理后形成期望俯仰角速率与实际俯仰角速率进行对比处理，并将结果处理后求解出虚拟控制量。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S1中的带浮筒的水空两栖无人机纵向运动动力学模型的建立过程为：计算无人机在水面滑跑时浮筒受到的水作用力，完善水动阻力分析，完成浮筒带来的总的水作用力和力矩推导。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述带浮筒的水空两栖无人机纵向运动动力学模型为：
[0015][0016]式中：m为无人机质量，u和w为无人机在X
b
轴和Z
b
轴的速度分量，q为俯仰角速度，I
y
为无人机在Y
b
轴的转动惯量，和为无人机重心在地面坐标系平面X
g
,Z
g
的投影坐标，N
w
为水动压力，D
a
为气动阻力，L
a
为气动升力，M
a
为气动俯仰力矩，M
T
为电机推力的俯仰力矩，θ为俯仰角，T为两个电机提供的推力，α
i
为纵向上电机安装角偏差，表示俯仰角速率，M
w
表示水动力产生的俯仰力矩，表示俯仰角加速度，为无人机攻角角速度，α为无人机攻角，D
f
为水作用力中的摩擦阻力，G
xa
为重量G在X轴上的分量，G
za
为重量G在Z轴上的分量，为无人机的加速度。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述无人机在水面滑跑时浮筒受到的水作用力如下式所示：
[0018][0019]式中：N
w
为总的水动压力，F
b
为总的水浮力，M
wd
为总的水动俯仰力矩，C
tr
为水动力修正算子。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述总的水动压力为：
[0021][0022]式中：N
w0
为稳定水动压力，N
w1
为加速度相关水动压力系数，N
w2
为攻角速率相关水动压力系数，N
w3
为俯仰角加速度相关水动压力系数；
[0023]所述总的水浮力为：
[0024][0025]所述总的水动俯仰力矩为：
[0026][0027]式中：M
w0
为稳定水动俯仰力矩，M
w1
为加速度相关水动俯仰力矩系数，M
w2
为攻角速率相关水动俯仰系数，M
w3
为俯仰角加速度相关水动俯仰系数。
[0028]作为本专利技术的进一步改进，所述水动阻力包括摩擦阻力和喷溅阻力，所述摩擦阻力为：
[0029][0030]式中：C
f
为阻力系数，V1为水流速度，Re为雷诺数，λ为浮筒平均浸湿长宽比，与浮筒舭宽B、俯仰角θ和横向倾角β有关；
[0031][0032]所述喷溅阻力为：
[0033][0034][0035][0036][0037]式中：a
k
为龙骨与喷溅滞流线之间的夹角，Lws为喷溅特征长度，RNws为喷溅雷诺数，C
fs
为喷溅阻力系数。
[0038]作为本专利技术的进一步改进，根据Savitsky公式得出水动压力重心计算公式为：
[0039][0040]式中：l
p
为浮筒断阶处水动压力中心的距离；
[0041]其中，水动压力计算并未考虑浮筒相对水流运动产生的摩擦阻力和喷溅阻力、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将无人机的控制系统分成三部分，控制旋翼转速和升降舵偏转角度的动力系统、基于自抗扰控制和自适应动态逆控制方法构建的控制器以及带浮筒的水空两栖无人机纵向运动动力学模型；S2、动力系统中的控制升降舵模块根据无人机的俯仰角速率、纵向上的飞行速度分量、飞行速度以及虚拟滚转力矩R、虚拟俯仰力矩P解算出升降舵偏转角度；动力系统中的电机转速模块通过设定旋翼倾转角度和虚拟力N改变电机转速；依靠虚拟力N改变无人机的前进速度，通过升降舵改变飞行姿态；S3、控制器根据期望高度、实际高度、无人机俯仰角、俯仰角速率、起飞速度、实际速度控制起飞过程中的纵向姿态；S4、带浮筒的水空两栖无人机的纵向运动动力学模型根据动力系统的输出控制作用于无人机上的力和力矩，在建立的纵向运动动力学模型基础上计算出无人机的状态，将状态作为反馈信号调整无人机纵向姿态。2.根据权利要求1所述的带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，纵向姿态控制的过程根据实际高度差计算出期望俯仰角，并与实际俯仰角进行比较，将比较结果处理后形成期望俯仰角速率与实际俯仰角速率进行对比处理，并将结果处理后求解出虚拟控制量。3.根据权利要求1所述的带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的带浮筒的水空两栖无人机纵向运动动力学模型的建立过程为：计算无人机在水面滑跑时浮筒受到的水作用力，完善水动阻力分析，完成浮筒带来的总的水作用力和力矩推导。4.根据权利要求3所述的带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法，其特征在于，所述带浮筒的水空两栖无人机纵向运动动力学模型为：式中：m为无人机质量，u和w为无人机在X
b
轴和Z
b
轴的速度分量，q为俯仰角速度，I
y
为无人机在Y
b
轴的转动惯量，和为无人机重心在地面坐标系平面X
g
,Z
g
的投影坐标，N
w
为水动压力，D
a
为气动阻力，L
a
为气动升力，M
a
为气动俯仰力矩，M
T
为电机推力的俯仰力矩，θ为俯仰角，T为两个电机提供的推力，α
i
为纵向上电机安装角偏差，表示俯仰角速率，M
w
表示水动力产生的俯仰力矩，表示俯仰角加速度，为无人机攻角角速度，α为无人机攻角，D
f
为水作用力中的摩擦阻力，G
xa
为重量G在X轴上的分量，G
za
为重量G在Z轴上的分量，为无人
机的加速度。5.根据权利要求4所述的带浮筒的水空两栖无人机跨介质起飞纵向姿态控制方法，其特征在于，所述无人机在水面滑跑时浮筒受到的水作用力如下式所示：式中：N
w
为总的水动压力，F
b...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻煌超，尹栋，曹粟，赵述龙，贺光，罗英法，吴欣宁，习业勋，张宝，肖乃经，王欢，余立，高嘉隆，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：