CN106143878A - 基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，多轴固定翼一体机包括一套固定翼飞机组件和多轴动力系统，固定翼飞机组件包括机身、主翼、尾翼和固定翼动力系统，基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器包括检测系统，滑模控制系统，总控制器。本发明的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，采用滑模控制算法，具有较强的鲁棒性，飞行性能受环境的制约很小；设计干扰观测器对系统中的干扰进行抵消，减弱了滑模控制的抖振现象，提高姿态控制系统中滑模控制方法的精度和可靠性；根据飞行控制指令在多旋翼模式和固定翼模式之间切换；采用电动动力方案，比较环保。

Description

基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器

技术领域

本发明公开了基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器。

背景技术

无人飞行器由于其远程控制性，灵活性等优点在近期得到了快速的发展。固定翼无人机由于主要靠机翼产生升力平衡飞机重量，动力系统主要用来克服飞机飞行阻力，因此远小于飞机重量的动力(推拉力)就可以让固定翼飞机离地升空。常规的固定翼无人机虽然具有速度快、航程远的优点，但是它必须依赖跑道，不能垂直起降。

多轴飞行器是一种性能优良的垂直起降(VTOL)飞行器，它具有体积小、可垂直起降、可悬停、机动性强、结构简单、易于控制、稳定性高等优点，广泛应用于消防、灾情预警、航拍等领域。但多轴飞行器中一般是通过旋翼的高速旋转为多轴飞行器提供动力，通过变化旋翼的转速来改变飞行姿态的，多动力的无极调速目前一般是使用多个电动机，由于受电池功率限制，电动机的转矩偏小，多轴飞行器直接和动力系统相连的旋翼效率远不如固定翼飞机的机翼，因此功耗大；又因其前进速度主要靠旋翼桨盘通过倾斜盘的倾斜产生的分力提供，同时多轴飞行器前进飞行的阻力也较固定翼飞机大的多。因此其飞行速度、距离和续航时间以及载重都不如固定翼飞机。

多轴固定翼一体机是一种兼具固定翼无人机和多轴飞行器优点的新型小型无人机。它是一种复合式旋翼飞行器，它将多轴飞行器垂直起降、空中悬停与固定翼飞机高速、续航久的特性结合起来。由于模型的不确定性，对于多轴固定翼一体机的控制是一大难点。

未建模动态、未知参数、随机干扰与其他等价干扰变量等多轴因素导致飞器姿态控制系统建模不精确，造成控制精度下降甚至失稳，飞行器抗干扰姿态控制方法非常重要。

滑模控制对参数变化和扰动不敏感，结构简单，对加在系统上的干扰和系统的摄动具有完全的自适应性，适用于航天器姿态控制系统的控制。滑模控制通过一定的控制策略让控制量不断地切换，迫使系统进入预先的滑模而滑动。进入滑模状态，系统参数扰动和外部干扰对控制系统无作用，控制系统的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数。正是具有这些特性令采用滑模控制的控制系统具有很好的鲁棒性及动态性能，可靠性高。

综上所述，普通的飞行控制器无法控制飞行器在多轴模式下和固定翼模式下可靠稳定地飞行。

发明内容

为了解决现有飞行控制器无法控制多轴固定翼一体机飞行器在多轴模式下和固定翼模式下正常切换地稳定飞行的不足，本发明提供了基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器。

本发明提供的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，多轴固定翼一体机包括一套固定翼飞机组件和多轴动力系统，固定翼飞机组件包括机身、主翼、尾翼和固定翼动力系统，基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器包括检测系统，滑模控制系统，总控制器；检测系统包括能够收集飞行器的航向信息的电子罗盘、能够收集飞行器的平面位置信息的GPS模块，能够收集飞行高度信息的气压传感器，以及飞行姿态测量系统，飞行姿态测量系统包括能够收集飞行姿态信息的陀螺仪传感器，能够校正陀螺仪传感器误差的磁阻传感器和加速度传感器；滑模控制系统包括估计外界干扰及不确定项并加以补偿的干扰观测器，实现控制输入信号的平滑的均值滤波器，滑模控制器，实现控制输出信号的平滑的二阶滤波器；总控制器包括一固定翼控制系统，该固定翼控制系统包括固定翼舵面控制系统以及用于控制固定翼动力系统(即螺旋桨动力系统)的固定翼动力控制系统；所述固定翼动力系统的螺旋桨位于机身前方、机身后部或机身两侧，或者前后方同时设置；该总控制器还包括一用于控制多轴动力系统的多轴飞行控制系统，多轴动力系统包括电池、多个电机和相应与多个电机连接的多个旋翼，各旋翼均单独地通过一支撑臂连接到机身或者机翼上，各旋翼旋转平面与水平面平行；多轴飞行控制系统包括一旋翼桨叶位置控制单元，用于当多轴动力系统关闭、固定翼动力系统开启时，控制多轴动力系统的旋翼桨叶位置始终保持与多轴固定翼一体机飞行方向平行；多轴飞行控制系统用于控制多轴固定翼一体机的升降、姿态和航向；固定翼动力系统与多轴动力系统在结构上相互独立，总控制器用于控制固定翼控制系统和多轴飞行控制系统单独工作或者协同工作，实现在两种模式之间的切换控制；飞行姿态测量系统与滑模控制系统相连接，所述电子罗盘，GPS模块，气压传感器以及滑模控制系统均与总控制器连接。

作为本发明进一步限制地，所述多轴动力系统至少包括四个电机，四个旋翼。

作为本发明进一步限制地，各旋翼均单独地通过一支撑臂连接到主翼上。

作为本发明进一步限制地，多轴飞行控制系统整体分别设置在该机身的两侧和机翼前后侧，相对于该飞行器重心呈对称放置。

作为本发明进一步限制地，所述陀螺仪传感器、磁阻传感器和加速度传感器均为三轴传感器，可以返回三个方向的物理信息。

作为本发明进一步限制地，所述电子罗盘选用霍尼韦尔HMR3300，所述气压传感器采用压力传感器BMP085。

本发明的有益效果：1.根据飞行控制指令在多旋翼模式和固定翼模式之间切换，在需要垂直飞行、起降的时候使用多轴控制模式，在需要远距离航行时，使用固定翼模式；2.设计滑模控制，在固定翼模式和多旋翼模式中提取部分共同特征生成中间状态，即固定翼模式下的垂直悬停模式，该模式通常称为“吊机”；采用滑模控制算法，具有较强的鲁棒性，飞行性能受环境的制约很小；3.设计干扰观测器对系统中的干扰进行抵消，减弱了滑模控制的抖振现象，提高姿态控制系统中滑模控制方法的精度和可靠性；4.采用电动动力方案，整个飞机噪音小，且比较环保。

附图说明

图1为本发明的多轴固定翼一体机的结构示意图；

图2为本发明的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器结构示意图。

附图明细如下：机身1，主翼2，尾翼3，固定翼动力系统4，多轴动力系统5，支撑臂6，总控制器7，滑模控制系统8，陀螺仪传感器9，加速度传感器10，磁阻传感器11，气压传感器12，电子罗盘13，GPS模块14，固定翼控制系统15，固定翼舵面控制系统16，固定翼动力控制系统17，多轴飞行控制系统18，旋翼桨叶位置控制单元19。

具体实施方式

参见图1，本发明的多轴固定翼一体机包括一套固定翼飞机组件和多轴动力系统，固定翼飞机组件包括机身1、主翼2、尾翼3和固定翼动力系统4(也称固定翼飞机动力系统)，即为固定翼飞机组件提供动力的系统。主翼和固定翼所指的是同一个部件，叫做固定翼是相对于旋翼来讲的；叫做主翼，是从飞机的结构组成上来说，相对于尾翼来讲的。固定翼动力系统的动力也可以采用电动或者其他动力。固定翼动力系统的数量可以为单套或者多套，固定翼动力系统的螺旋桨位于机身前方、机身后部或机身两侧，或者前后方同时设置均可。

在该固定翼飞机组件的基础上，增加了四套多轴动力系统5，即为起到旋翼机功能的组件提供动力的系统，多轴动力系统可以采用现有的直升机具体组成和结构，所以不再赘述。

多轴动力系统包括动力装置和旋翼，可以把旋翼分别设置在该机身的两侧和主翼前后侧，相对于该机身呈对称放置，将动力装置设置于机身上。或者将整套多轴动力系统分别设置在该机身的两侧和主翼前后侧，相对于该机身呈对称放置。这样的设置，保证了飞行器整体重心处于机身的中心线上，使飞机在起降和飞行过程中始终保持平衡，不影响其工作状态。当然，也可以采用其他的位置设置，只要能达到前述效果的设置方式皆可。本实施例中，每套多轴动力系统整体地或者旋翼单独地通过一支撑臂6连接到主翼2上，当然在其他实施例中，也可以将各套多轴动力系统中的若干套系统或者旋翼共用一支撑臂连接到机身或者机翼上。多轴动力系统的旋翼旋转平面与水平面平行。

本实施例中的多轴动力系统采用电动动力系统，包括电池、四个电机和相应与四个电机连接的四个旋翼，可以根据实际情况决定是否添加变速箱。因为采用电动，所以重量增加很轻，从而使固定翼飞机模式时增加的死重(旋翼直升机部分的重量)很少。同时由于是电动动力方案，整个飞机噪音很小，旋翼直升机向下吹的气流无高温，比用传统发动机的其他飞行器更加环保。

为保证多轴固定翼一体机在两种模式之间自由的切换，从结构上来讲固定翼动力系统与多轴动力系统相互独立设置。

参见图2，为了控制多轴固定翼一体机在多轴模式、固定翼模式或者混合模式下的正常飞行，本发明的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器包括检测系统，滑模控制系统8，总控制器7。

检测系统包括能够收集飞行器的平面位置信息的GPS模块14，能够收集飞行器的航向信息的电子罗盘13，能够收集飞行高度信息的气压传感器12，以及飞行姿态测量系统。电子罗盘13选用霍尼韦尔HMR3300，所述气压传感器12采用压力传感器BMP085，压力范围在300～1100hPa。飞行姿态测量系统包括能够收集飞行姿态信息的陀螺仪传感器9，陀螺仪传感器用于测量飞行器飞行中的姿态角速度，能够校正陀螺仪传感器9误差的加速度传感器10和磁阻传感器11。所述陀螺仪传感器9、加速度传感器10和磁阻传感器11均为三轴传感器，可以返回三个方向的物理信息。

滑模控制系统8包括估计外界干扰及不确定项并加以补偿的干扰观测器，实现控制输入信号的平滑的均值滤波器，滑模控制器，实现控制输出信号的平滑的二阶滤波器。干扰观测器抵消干扰的影响，改善滑模控制的抖振问题，实现高精度的轨迹跟踪控制和姿态控制。

总控制器7包括一固定翼控制系统15，该固定翼控制系统15包括固定翼舵面控制系统16以及用于控制固定翼动力系统(即螺旋桨动力系统)的固定翼动力控制系统17。因为固定翼控制系统可以采用现有的固定翼飞机的控制系统结构和组成来实现，所以不做赘述。

该总控制器7还包括一用于控制多轴动力系统5的多轴飞行控制系统18，多轴飞行控制系统包括一旋翼桨叶位置控制单元19，用于当多轴动力系统关闭、固定翼动力系统开启时，控制多轴动力系统5的旋翼桨叶位置始终保持与飞机飞行方向平行；多轴飞行控制系统18用于控制多轴固定翼一体机的升降、姿态和航向。多轴飞行控制系统18整体分别设置在该机身的两侧和机翼前后侧，相对于该飞行器重心呈对称放置。

飞行姿态测量系统与滑模控制系统8相连接，所述电子罗盘13，GPS模块14，气压传感器12以及滑模控制系统8均与总控制器7连接。

总控制器7用于控制固定翼控制系统15和多轴飞行控制系统18单独工作或者协同工作，实现在两种模式之间的切换控制。

这里，固定翼控制系统15单独工作时对应的是固定翼飞行模式，多轴飞行控制系统18单独工作时对应的是多轴飞行模式，用于控制飞行器的升降、姿态和航向，而两个系统协同工作时称之为多轴固定翼一体机混合模式。

下面从整个飞机的起降过程和飞行过程来详细描述多轴固定翼一体机的具体工作原理。需要明确的是，飞行过程是指飞机在起飞之后降落之前的水平飞行过程，而升降过程是指飞机起飞和降落的过程。

1、在需要垂直飞行、起降时，采用多轴模式，关闭固定翼动力系统，开启4组(或者更多组)的多轴动力系统5，多轴飞行控制系统18通过增减所有旋翼的转速和/或螺距控制飞行器的垂直起降。使用垂直起降功率消耗较大，但使用多轴动力系统时间很短，起降消耗能量占整个飞行能耗能量比例不大，故是多轴固定翼一体机的主要起降模式。升降时4个旋翼全部增加或者减小转速。

2、在需要远距离航向时，采用固定翼模式飞行，关闭4组(或者更多组)旋翼，只开启固定翼动力系统。可以完成所有固定翼飞机的功能。优点是功耗小，飞行距离和时间长。此模式是此飞行器的主要飞行模式，此时飞机像一般固定翼飞机一样飞行。

3、在混合模式飞行时，固定翼动力系统和多轴动力系统都开启。优缺点介于多轴模式和固定翼飞机模式之间。

在混合模式中，为了保证旋翼部分停止转动以后保持和飞行器飞行方向平行，以最大限度的减小飞行阻力，让飞行效率更高。也可以在多轴飞行控制系统18中添加一旋翼桨叶位置控制单元19，用于当多轴动力系统关闭、固定翼动力系统开启时，控制所述多轴动力系统5的旋翼桨叶位置始终保持与飞机飞行方向平行。

本发明设计了滑模控制系统，基于滑模控制算法，在固定翼模式和多轴飞行器模式中提取部分共同特征生成中间状态，即固定翼模式下的垂直悬停模式，该模式通常称为“吊机”，在该模式的参与下，飞行器的状态转变为由多轴模式到固定翼吊机模式再到固定翼模式转换，或者是由固定翼模式到固定翼吊机模式再到多轴模式转换。

在混合模式中，在从多轴模式飞行到固定翼模式飞行的转换过程中，由从悬停开始随着推进螺旋桨产生动力，飞行器产生水平运动，随着空速增加固定翼逐渐产生升力，同时多旋翼逐渐降低转速以降低旋翼升力从而维持总升力不变直至空速大于固定翼失速速度，以完成多轴模式飞行到固定翼模式飞行的转换；在从固定翼模式飞行到多轴模式飞行的转换过程中，随着降低水平螺旋桨推力，当空速接近固定翼失速速度时，多旋翼将启动产生升力，随着空速的进一步降低多旋翼将增加转速从而增加升力以补偿固定翼部分的升力下降，从而达到总升力不变，当推进螺旋桨彻底停止转动空速降低为零时，彻底转换成多轴模式飞行。

以上提到的总控制器、各控制系统和各控制单元的具体制作与实现均可通过现有的电子控制方式或者软件方式来实现，在此不做赘述。

Claims (6)

1.基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，其特征在于：多轴固定翼一体机包括一套固定翼飞机组件和多轴动力系统，固定翼飞机组件包括机身、主翼、尾翼和固定翼动力系统，所述基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器包括检测系统，滑模控制系统，总控制器；

检测系统包括能够收集飞行器的航向信息的电子罗盘、能够收集飞行器的平面位置信息的GPS模块，能够收集飞行高度信息的气压传感器，以及飞行姿态测量系统，飞行姿态测量系统包括能够收集飞行姿态信息的陀螺仪传感器，能够校正陀螺仪传感器误差的磁阻传感器和加速度传感器；

滑模控制系统包括估计外界干扰及不确定项并加以补偿的干扰观测器，实现控制输入信号的平滑的均值滤波器，滑模控制器，实现控制输出信号的平滑的二阶滤波器；

总控制器包括一固定翼控制系统，该固定翼控制系统包括固定翼舵面控制系统以及用于控制固定翼动力系统(即螺旋桨动力系统)的固定翼动力控制系统；所述固定翼动力系统的螺旋桨位于机身前方、机身后部或机身两侧，或者前后方同时设置；

该总控制器还包括一用于控制多轴动力系统的多轴飞行控制系统，多轴动力系统包括电池、多个电机和相应与多个电机连接的多个旋翼，各旋翼均单独地通过一支撑臂连接到机身或者机翼上，各旋翼旋转平面与水平面平行；多轴飞行控制系统包括一旋翼桨叶位置控制单元，用于当多轴动力系统关闭、固定翼动力系统开启时，控制多轴动力系统的旋翼桨叶位置始终保持与多轴固定翼一体机飞行方向平行；多轴飞行控制系统用于控制多轴固定翼一体机的升降、姿态和航向；

固定翼动力系统与多轴动力系统在结构上相互独立，总控制器用于控制固定翼控制系统和多轴飞行控制系统单独工作或者协同工作，实现在两种模式之间的切换控制；

飞行姿态测量系统与滑模控制系统相连接，所述电子罗盘，GPS模块，气压传感器以及滑模控制系统均与总控制器连接。

2.根据权利要求1所述的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，其特征在于：所述多轴动力系统至少包括四个电机，四个旋翼。

3.根据权利要求2所述的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，其特征在于：各旋翼均单独地通过一支撑臂连接到主翼上。

4.根据权利要求3所述的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，其特征在于：多轴飞行控制系统整体分别设置在该机身的两侧和机翼前后侧，相对于该飞行器重心呈对称放置。

5.根据权利要求4所述的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，其特征在于：所述陀螺仪传感器、磁阻传感器和加速度传感器均为三轴传感器，可以返回三个方向的物理信息。

6.根据权利要求5所述的基于滑模控制算法的多轴固定翼一体机控制器，其特征在于：所述电子罗盘选用霍尼韦尔HMR3300，气压传感器采用压力传感器BMP085。