CN108639332A - 复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：多旋翼模态部分、固定翼模态部分以及过渡模态部分，各个模态中，通过调节多旋翼平台旋翼转速，或固定翼平台发动机转速和各舵面偏角，实现无人机垂直起降、巡航作业以及过渡模态无人机的姿态调整。本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法提供了复合三旋翼无人机模态切换过程中各部件的操控方法，尤其是过渡模态中无人机多旋翼平台和固定翼平台的操纵方案，从而实现解耦控制，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换。

Description

复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法

技术领域

本公开涉及飞行器控制技术领域，尤其涉及一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法。

背景技术

固定翼多旋翼复合式无人机简称为复合翼无人机，是一种不同于传统固定翼和旋翼式无人机的新型航空器。通过在固定翼飞行平台上加装多旋翼系统，获得VTOL(VerticalTake-off and Landing，垂直起降)及悬停能力，并具有固定翼无人机的巡航速度和航程优势。相对于其他无人机系统，复合翼无人机拥有明显的优势。与直升机相比，复合翼无人机结构简单，成本低，安全性高，续航时间长；与多旋翼相比，复合翼无人机航时长，航程大，巡航速度高，复杂气象条件下稳定飞行性能好；与固定翼相比，复合翼无人机无需要专用跑道，适用领域广，使用难度低，发射位置灵活性。

现有的复合翼无人机大多是在已有的固定翼飞行平台上加装VTOL系统发展形成，飞行器整体的飞行特性、气动阻力、可操控性、稳定性以及结构强度较之前固定翼无人机有很大不同。

然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，VTOL系统和固定翼平台存在控制耦合问题，增加了过渡模态控制的难度，这一问题给复合翼无人机的飞行控制带来了难题，因此，如何实现解耦控制，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换对复合翼无人机的发展有重大意义。VTOL系统根据多旋翼构型的不同，分为三旋翼系统、四旋翼系统、共轴反桨八旋翼系统等其他多旋翼系统。由于多旋翼构型的不同，其控制方法从原理上有很大区别。本公开以三旋翼系统为例，详细介绍了一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，以缓解现有技术中的无人机控制方法中VTOL系统和固定翼平台存在控制耦合的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，该复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：

多旋翼模态部分：通过调节所述多旋翼平台旋翼转速和尾部舵机倾转的角度产生竖直方向上的升力，实现无人机垂直起降；

固定翼模态部分：通过调节所述固定翼平台发动机的转速，使无人机的前飞速度维持在初始转换速度以上，实现无人机作业；以及

过渡模态部分，包括：

由多旋翼模态过渡至固定翼模态：逐渐增加所述发动机转速至最大转速并维持，增大无人机的前飞速度至初始转换速度后，逐步降低所述旋翼的转速直至0rpm；

由固定翼模态过渡至多旋翼模态：逐步降低所述发动机转速，并逐渐增大所述旋翼转速，降低复合三旋翼无人机前飞速度，直至多旋翼模态巡航速度。

在本公开的一些实施例中，所述多旋翼模态部分包括：垂直起飞阶段：当无人机从目标地点垂直升起后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机达到并维持一定高度，再通过调节所述发动机的转速，使无人机开始产生前飞速度；垂直降落阶段：当无人机的前飞速度降低到所述多旋翼模态巡航速度并以多旋翼模态进行巡航到达目标降落地点后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机降低高度，直至无人机降落到目标高度；以及定点悬停阶段：当无人机爬升至一定高度后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，使所述旋翼产生的竖直方向上的升力与无人机的重力相等，实现无人机定点悬停；在所述垂直起飞阶段和所述垂直降落阶段，通过所述多旋翼平台维持所述无人机的目标姿态角为0°，所述固定翼平台各气动舵面比例舵机输出为0。

在本公开的一些实施例中，所述多旋翼模态部分通过操纵所述多旋翼平台的所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制和偏航控制，使无人机在多旋翼模态下实现垂直起飞、垂直降落和定点悬停功能。

在本公开的一些实施例中，其中：所述高度控制通过改变所述多旋翼平台的所述旋翼的转速从而调节其产生的升力，当升力大于重力时无人机上升，小于重力时无人机下降；所述俯仰控制通过控制所述多旋翼平台前后排的所述旋翼转速的不同，产生升力差值，从而产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态；所述滚转控制通过控制所述多旋翼平台前排左旋翼和前排右旋翼转速的不同，产生绕质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态；所述偏航控制通过控制所述多旋翼平台后排的尾部旋翼转速的不同以及所述尾部舵机倾转的角度的不同，在纵向平面内产生绕竖直轴转动的偏航力矩，调整无人机的航向。

在本公开的一些实施例中，所述固定翼模态部分包括：固定翼爬升阶段：无人机进入固定翼模态后，利用所述固定翼平台爬升至预定作业高度；固定翼巡航阶段：无人机爬升到预定作业高度后，利用所述固定翼平台进行巡航作业；以及固定翼俯冲阶段：无人机在任务完成后，利用所述固定翼平台俯冲至预定切换高度，准备切换至所述过渡模态。

在本公开的一些实施例中，所述固定翼模态部分通过操纵所述固定翼平台的发动机、升降舵、副翼和方向舵，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制和水平速度控制，使无人机在固定翼模态下实现爬升、巡航和俯冲功能。

在本公开的一些实施例中，其中：所述高度控制和所述俯仰控制通过控制所述固定翼平台升降舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中所述升降舵受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态及飞行高度；所述滚转控制通过控制所述固定翼平台副翼舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中左右机翼受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态；所述偏航控制通过控制固定翼平台方向舵偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中所述方向舵受到的由空气产生的气动阻力方向，从而产生绕无人机质心的偏航力矩，调整无人机的航向；所述水平速度控制通过改变所述固定翼平台所述发动机的转速调节无人机的飞行速度。

在本公开的一些实施例中，所述过渡模态部分通过操纵所述多旋翼平台的旋翼转速、尾部舵机倾转的角度以及所述固定翼平台的发动机、升降舵、副翼和方向舵，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制以及水平速度控制，使无人机在过渡模态下实现平稳过渡。

在本公开的一些实施例中，其中：所述高度控制通过改变所述多旋翼平台各个旋翼的转速以调节其产生的升力，从而改变无人机垂直方向上合力大小进而调整无人机高度；所述俯仰控制包括：所述多旋翼平台前后排所述旋翼转速差动控制以及所述固定翼平台升降舵舵面偏转角度调整；所述滚转控制包括：所述多旋翼平台前排左旋翼和前排右旋翼转速差动控制以及所述固定翼平台所述副翼舵面偏转角度调整；所述偏航控制包括：所述多旋翼平台后排的尾部旋翼转速和尾部舵机倾转的角度的控制以及所述固定翼平台方向舵偏转角度调整；所述水平速度控制包括：单独改变所述固定翼平台所述发动机的转速，或同时改变所述固定翼平台所述发动机以及所述多旋翼平台前后排所述旋翼的转速。

在本公开的一些实施例中，所述初始转换速度为固定翼模态巡航最低空速要求的1至1.5倍，多旋翼模态巡航速度介于3m/s至5m/s之间。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法提供了复合三旋翼无人机模态切换过程中各部件的操控方法，尤其是过渡模态中无人机多旋翼平台和固定翼平台的操纵方案，从而实现解耦控制，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换；

(2)由多旋翼模态过渡至固定翼模态中，保持一定时长的发动机最大转速，能够避免由过渡模态切换到固定翼模态的切换瞬间出现强气流干扰导致飞行姿态不稳定；

(3)将初始转换速度设置为固定翼模态巡航最低空速要求的1至1.5倍，具体初始转换速度根据不同飞行器平台气动特性的不同进行相应调整，能够避免由于初始转换速度太小机翼无法产生足够气动升力来抵消飞行器自重，导致复合三旋翼无人机进入失速状态，也能够避免由于初始转换速度过大，导致后半段过渡时间明显减少，但前半段加速前飞的过程中旋翼与机翼的气动耦合问题会十分突出，从而使过渡模态的控制难度加大。

附图说明

图1为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中各个模态下的无人机姿态示意图。

图2为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中无人机的结构示意图。

图3是本公开实施例提供的的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中飞行剖面全过程示意图。

图4为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中多旋翼模态部分的各控制方法示意图。

图5为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中固定翼模态部分的各控制方法示意图。

图6为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中过渡模态部分的各控制方法示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

11-尾部舵机；12-前排左旋翼13-前排右旋翼；

14-尾部旋翼；15-发动机；16-升降舵；

17-副翼；18-方向舵。

具体实施方式

本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法提供了复合三旋翼无人机模态切换过程中各部件的操控方法，尤其是过渡模态中无人机多旋翼平台和固定翼平台的操纵方案，从而实现解耦控制，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中各个模态下的无人机姿态示意图。图2为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中无人机的结构示意图。图3是本公开实施例提供的的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中飞行剖面全过程示意图。

本公开实施例提供一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，如图1至图3所示，复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：

多旋翼模态部分：通过调节多旋翼平台旋翼转速和尾部舵机11倾转的角度产生竖直方向上的升力，实现无人机垂直起降；

固定翼模态部分：通过调节固定翼平台发动机15的转速，使无人机的前飞速度维持在初始转换速度以上，实现无人机作业；以及

过渡模态部分，包括：

由多旋翼模态过渡至固定翼模态：逐渐增加发动机15转速至最大转速并维持，增大无人机的前飞速度至初始转换速度后，逐步降低旋翼的转速直至0rpm；

由固定翼模态过渡至多旋翼模态：逐步降低发动机15转速，并逐渐增大旋翼转速，降低复合三旋翼无人机前飞速度，直至多旋翼模态巡航速度。

此处需要补充说明的是，实际应用中，应根据复合三旋翼无人机、电机以及尾部舵机11的选型，设定合理的尾部舵机11偏转角度限幅。

本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法提供了复合三旋翼无人机模态切换过程中各部件的操控方法，尤其是过渡模态中无人机多旋翼平台和固定翼平台的操纵方案，从而实现解耦控制，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，多旋翼模态部分包括：垂直起飞阶段：当无人机从目标地点垂直升起后，通过调节旋翼的转速和尾部舵机11倾转的角度使无人机达到并维持一定高度，再通过调节发动机15的转速，使无人机开始产生前飞速度；当复合三旋翼无人机刚开始具有前飞速度时，速度达不到固定翼模态要求的最低空速要求，机翼无法产生足够大气动升力来维持当前高度，此时主要依靠旋翼的矢量拉力抵消飞行器自身的重力，来维持复合三旋翼无人机的飞行高度。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，多旋翼模态部分还包括：垂直降落阶段：当无人机的前飞速度降低到多旋翼模态巡航速度并以多旋翼模态进行巡航到达目标降落地点后，通过调节旋翼的转速和尾部舵机11倾转的角度使无人机降低高度，此时依靠旋翼的矢量拉力不能完全抵消无人机自身的重力，复合三旋翼无人机的飞行高度会不断下降，直至无人机降落到目标高度。

在本公开的一些实施例中，多旋翼模态部分还包括：定点悬停阶段：当无人机爬升至一定高度后，通过调节旋翼的转速和尾部舵机11倾转的角度，使旋翼产生的竖直方向上的升力与无人机的重力相等，实现无人机定点悬停；在垂直起飞阶段和垂直降落阶段，通过多旋翼平台维持无人机的目标姿态角为0°，固定翼平台各气动舵面比例舵机输出为0。

图4为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中多旋翼模态部分的各控制方法示意图。图4中(A)部分表示高度控制方法，图4中(B)部分表示俯仰控制方法，图4中(C)部分表示滚转控制方法，图4中(D)部分表示偏航控制方法，其中长箭头代表转速高，短箭头代表转速相对于长箭头低，顺时针箭头代表向右倾转，逆时针箭头代表向左倾转。为了清晰表述俯仰、滚转、偏航、速度以及高度控制方法，本公开实施例中规定三旋翼平台中前排左旋翼12为逆时针旋转，前排右旋翼13为顺时针旋转，尾部旋翼14为逆时针旋转，尾部舵机11可向左或向右倾转(以从复合三旋翼无人机的尾部向机头看去的方向为基准)，尾部旋翼14固定安装在尾部舵机11之上，并跟随尾部舵机11向左或向右倾转而相应倾转。在实际应用中，也可采用其它安装形式，控制方法需要进行对应的调整。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，多旋翼模态部分通过操纵多旋翼平台的旋翼的转速和尾部舵机11倾转的角度，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制和偏航控制，使无人机在多旋翼模态下实现垂直起飞、垂直降落和定点悬停功能。

在本公开的一些实施例中，如图4(A)所示，高度控制通过改变多旋翼平台的旋翼的转速从而调节其产生的升力，当升力大于重力时无人机上升，小于重力时无人机下降。多旋翼平台的三个旋翼中前排左旋翼12为逆时针旋转，前排右旋翼13为顺时针旋转，尾部旋翼14为逆时针旋转，尾部舵机11可向左或向右倾转(从复合三旋翼无人机尾部往前看的视图)，并通过控制尾部舵机倾转的方向及角度，以消除由于旋翼高速旋转产生的反向扭矩对无人机的影响。

在本公开的一些实施例中，如图4(B)所示，俯仰控制通过控制多旋翼平台前后排的旋翼转速的不同，产生升力差值，从而产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态，此过程中保持后排尾部舵机11倾转的角度大小不变；如图4(B)所示，通过提高前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速，降低后排尾部旋翼14的转速，无人机就会抬头后飞；或者(图中未示出)，通过降低前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速，提高后排尾部旋翼14的转速，无人机就会低头前飞。

在本公开的一些实施例中，如图4(C)所示，滚转控制通过控制多旋翼平台前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速的不同，产生绕质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态，此过程中保持后排尾部旋翼14的转速和尾部舵机11倾转的角度大小不变；如图4(C)所示，通过提高前排左旋翼12的转速，降低前排右旋翼13的转速，无人机就会向右滚转；或者(图中未示出)，通过提高前排右旋翼13的转速，降低前排左旋翼12的转速，无人机就会向左滚转。

在本公开的一些实施例中，如图4(D)所示，偏航控制通过控制多旋翼平台中尾部旋翼14的转速和尾部舵机11倾转的角度的不同，在纵向平面内产生绕竖直轴转动的偏航力矩，调整无人机的航向，通过改变尾部舵机11倾转的角度，尾部旋翼14在竖直方向上提供的拉力大小会随之改变，该拉力的大小与尾部舵机11倾转的角度有关，因此尾部旋翼14的转速要根据尾部舵机11倾转的角度进行相应调整，以保持复合三旋翼无人机前后俯仰力矩的平衡以及竖直方向上多旋翼平台提供的拉力和复合三旋翼无人机自身重力的平衡，此过程中应保持前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速不变，如图4(D)所示，通过向左倾转尾部舵机11，并根据倾转角度的大小相应提高尾部旋翼14的转速，无人机向右偏航；或者(图中未示出)，通过向右倾转尾部舵机11，并根据倾转角度的大小相应提高尾部旋翼14的转速，无人机向左偏航。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，固定翼模态部分包括：固定翼爬升阶段：无人机进入固定翼模态后，利用固定翼平台爬升至预定作业高度；固定翼巡航阶段：无人机爬升到预定作业高度后，利用固定翼平台进行巡航作业；以及固定翼俯冲阶段：无人机在任务完成后，利用固定翼平台俯冲至预定切换高度，准备切换至过渡模态。

图5为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中固定翼模态部分的各控制方法示意图。图5中(A)部分表示高度控制方法和俯仰控制方法，图5中(B)部分表示滚转控制方法，图5中(C)部分表示偏航控制方法，图5中(D)部分表示速度控制方法，其中各舵面上的向上箭头代表舵面上偏，向下箭头代表舵面下偏，向左箭头代表舵面左偏，向右箭头代表舵面右偏，发动机上的向上箭头代表发动机加速。

在本公开的一些实施例中，如图5所示，固定翼模态部分通过操纵固定翼平台的发动机15、升降舵16、副翼17和方向舵18，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制和水平速度控制，使无人机在固定翼模态下实现爬升、巡航和俯冲功能。

在本公开的一些实施例中，如图5(A)所示，高度控制和俯仰控制通过控制固定翼平台升降舵16的舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中升降舵16受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态及飞行高度，如图5(A)所示，通过使升降舵16舵面上偏可以使无人机抬头爬高；或者(图中未示出)，通过使升降舵16舵面下偏可以使无人机低头俯冲。

在本公开的一些实施例中，如图5(B)所示，滚转控制通过控制固定翼平台副翼17舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中左右机翼受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态，如图5(B)所示，通过使左副翼17舵面下偏，右副翼17舵面上偏，实现无人机向右滚转；或者(图中未示出)，通过使左副翼17舵面上偏，右副翼17舵面下偏，可以使无人机向左滚转。

在本公开的一些实施例中，如图5(C)所示，偏航控制通过控制固定翼平台方向舵18偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中方向舵受到的由空气产生的气动阻力方向，从而产生绕无人机质心的偏航力矩，调整无人机的航向，如图5(C)所示，通过使方向舵18的舵面右偏可以使无人机向右偏航；或者(图中未示出)，通过使方向舵18的舵面左偏可以使无人机向左偏航。同时可配合副翼17舵面偏转辅助实现偏航控制，如图图5(C)所示，方向舵18舵面右偏，左副翼17舵面下偏，右副翼17舵面上偏，无人机向右偏航；或者(图中未示出)，方向舵18舵面左偏，左副翼17舵面上偏，右副翼17舵面下偏，无人机向左偏航。

在本公开的一些实施例中，如图5(D)所示，水平速度控制通过改变固定翼平台发动机15的转速调节无人机的飞行速度。

在本公开的一些实施例中，过渡模态部分中由多旋翼模态过渡至固定翼模态包括：第一阶段：逐渐增加发动机15的转速，增大无人机的前飞速度，直至固定翼模态巡航最低空速要求；以及第二阶段：继续增加发动机15的转速至最大转速并维持，当前飞速度达到初始转换速度时，逐步降低旋翼的转速直至0rpm，由多旋翼模态过渡至固定翼模态(尤其是第二阶段中)，保持一定时长的发动机最大转速，能够避免由过渡模态切换到固定翼模态的切换瞬间出现强气流干扰导致飞行姿态不稳定。

图6为本公开实施例提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法中过渡模态部分的各控制方法示意图。图6中(A)部分表示高度控制方法，图6中(B)部分俯仰控制方法，图6中(C)部分表示滚转控制方法，图6中(D)部分表示偏航控制方法，图6中(E)部分表示速度控制方法，其中各旋翼上的长箭头代表转速高，短箭头代表转速相对长箭头低，尾部舵机11上的顺时针箭头代表向右倾转，逆时针箭头代表向左倾转，各舵面上的向上箭头代表舵面上偏，向下箭头代表舵面下偏，向左箭头代表舵面左偏，向右箭头代表舵面右偏，发动机上的向上箭头代表发动机加速。

在本公开的一些实施例中，如图6所示，过渡模态部分通过操纵多旋翼平台的旋翼转速、尾部舵机11倾转的角度以及固定翼平台的发动机15、升降舵16、副翼17和方向舵18，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制以及水平速度控制，使无人机在过渡模态下实现平稳过渡。

在本公开的一些实施例中，如图6(A)所示，高度控制通过改变多旋翼平台各个旋翼的转速以调节其产生的升力，从而改变无人机垂直方向上合力大小进而调整无人机高度。

在本公开的一些实施例中，如图6(B)所示，俯仰控制包括：多旋翼平台前后排旋翼转速差动控制以及固定翼平台升降舵16舵面偏转角度调整，图6(B)中，通过提高前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速，降低后排尾部旋翼14的转速，同时使升降舵16的舵面上偏，无人机就会抬头爬升；或者(图中未示出)，通过降低前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速，提高后排尾部旋翼14的转速，同时使升降舵16的舵面下偏，无人机就会低头俯冲。

在本公开的一些实施例中，如图6(C)所示，滚转控制包括：多旋翼平台前排左旋翼12和前排右旋翼13转速差动控制以及固定翼平台副翼17舵面偏转角度调整，此过程中保持后排尾部旋翼14的转速和尾部舵机11倾转的角度不变，图6(C)中，通过提高前排左旋翼12的转速，降低前排右旋翼13的转速，并且使左副翼17舵面下偏，右副翼17舵面上偏，无人机就会向右滚转；或者(图中未示出)，通过降低前排左旋翼12的转速，提高前排右旋翼13的转速，并且使左副翼17舵面上偏，右副翼17舵面下偏，无人机就会向左滚转。

在本公开的一些实施例中，如图6(D)所示，偏航控制包括：多旋翼平台中尾部旋翼14的转速、尾部舵机11倾转的角度以及固定翼平台方向舵18偏转角度调整，图6(D)中，通过向左倾转尾部舵机11，根据倾转角度的大小相应提高尾部旋翼14的转速，并且使方向舵18的舵面右偏，即可实现无人机向右偏航；或者(图中未示出)，通过向右倾转尾部舵机11，根据倾转角度的大小相应提高尾部旋翼14的转速，并且使方向舵18的舵面左偏，即可实现无人机向左偏航。

在本公开的一些实施例中，如图6(E)所示，水平速度控制包括：单独改变固定翼平台发动机15的转速，或同时改变固定翼平台发动机15以及多旋翼平台前后排旋翼的转速，如图6(E)所示，通过降低前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速，提高后排尾部旋翼14的转速，并同时提高发动机15的转速，无人机即可实现水平加速；或者(图中未示出)，通过提高前排左旋翼12和前排右旋翼13的转速，降低后排尾部旋翼14的转速，并同时降低发动机15的转速，无人机即可实现水平减速。

此处需要补充说明的是，水平速度控制中，若通过改变多旋翼平台前后排旋翼的转速，辅助水平速度控制，需限制无人机的俯仰姿态角变化在±5°以内，避免无人机过度俯仰导致无人机飞行高度发生变化。

过渡模态下由于旋翼拉力和空气动力共同作用，因此会有两种飞行模式的操作耦合，两种操纵在过渡模态各时刻的权重也不尽相同，为了使复合三旋翼无人机尽快平稳通过过渡模态，多旋翼平台旋翼拉力随着空速增加逐渐减小，即旋翼拉力随着空速变化在竖直方向合力中占据的权重上越来越小，当空速达到一临界速度时，多旋翼平台旋翼拉力退出对复合三旋翼无人机的控制，固定翼平台气动舵面完全接管复合三旋翼无人机的控制，该空速的确定由不同飞行平台的气动特性决定，在复合三旋翼无人机空速由0m/s加速到临界空速的过程中，通过旋翼拉力和气动升力共同维持飞行高度；空速稳定大于临界空速时间超过一定时间后，由气动舵面接管飞行控制，旋翼拉力退出高度控制。

复合三旋翼无人机从多旋翼模态进入到过渡模态时，对无人机当前的姿态角也有一定要求。当姿态角度值过大时，说明无人机没有完全摆平姿态，此时启动发动机15可能会导致无人机姿态不稳，俯仰和滚转姿态角度在±5°以内，可以认为复合三旋翼无人机处于摆平状态，允许进入过渡模态。

在本公开的一些实施例中，初始转换速度为过渡模态中，无人机开始由多旋翼模态转换为固定翼模态的临界速度，其为固定翼模态巡航最低空速要求的1至1.5倍，具体初始转换速度根据不同飞行器平台气动特性的不同进行相应调整，固定翼模态巡航最低空速要求为无人机在固定翼模态巡航飞行时，无人机机翼能够产生足够大气动升力来维持当前高度的最小速度，多旋翼模态巡航速度介于3-5m/s，将初始转换速度设置为固定翼模态巡航最低空速要求的1至1.5倍，能够避免由于初始转换速度太小导致机翼无法产生足够气动升力来抵消飞行器自重，导致复合三旋翼无人机进入失速状态，也能够避免由于初始转换速度过大，导致后半段过渡时间明显减少，但前半段加速前飞的过程中旋翼与机翼的气动耦合问题会十分突出，从而使过渡模态的控制难度加大。多旋翼模态耗能功率约为固定翼模态耗能功率的5倍左右，转换时间过长会降低无人机的续航时间，无法体现复合三旋翼无人机的航时和航程优点。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法提供了复合三旋翼无人机模态切换过程中各部件的操控方法，尤其是过渡模态中无人机多旋翼平台和固定翼平台的操纵方案，使无人机实现全自主的垂直起降、模态切换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，该复合三旋翼无人机包括多旋翼平台和固定翼平台，该飞行控制方法包括：

多旋翼模态部分：通过调节所述多旋翼平台旋翼转速和尾部舵机倾转的角度产生竖直方向上的升力，实现无人机垂直起降；

固定翼模态部分：通过调节所述固定翼平台发动机的转速，使无人机的前飞速度维持在初始转换速度以上，实现无人机作业；以及

过渡模态部分，包括：

由多旋翼模态过渡至固定翼模态：逐渐增加所述发动机转速至最大转速并维持，增大无人机的前飞速度至初始转换速度后，逐步降低所述旋翼的转速直至0rpm；

由固定翼模态过渡至多旋翼模态：逐步降低所述发动机转速，并逐渐增大所述旋翼转速，降低复合三旋翼无人机前飞速度，直至多旋翼模态巡航速度。

2.根据权利要求1所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述多旋翼模态部分包括：

垂直起飞阶段：当无人机从目标地点垂直升起后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机达到并维持一定高度，再通过调节所述发动机的转速，使无人机开始产生前飞速度；

垂直降落阶段：当无人机的前飞速度降低到所述多旋翼模态巡航速度并以多旋翼模态进行巡航到达目标降落地点后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度使无人机降低高度，直至无人机降落到目标高度；以及

定点悬停阶段：当无人机爬升至一定高度后，通过调节所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，使所述旋翼产生的竖直方向上的升力与无人机的重力相等，实现无人机定点悬停；

在所述垂直起飞阶段和所述垂直降落阶段，通过所述多旋翼平台维持所述无人机的目标姿态角为0°，所述固定翼平台各气动舵面比例舵机输出为0。

3.根据权利要求2所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述多旋翼模态部分通过操纵所述多旋翼平台的所述旋翼的转速和所述尾部舵机倾转的角度，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制和偏航控制，使无人机在多旋翼模态下实现垂直起飞、垂直降落和定点悬停功能。

4.根据权利要求3所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，其中：

所述高度控制通过改变所述多旋翼平台的所述旋翼的转速从而调节其产生的升力，当升力大于重力时无人机上升，小于重力时无人机下降；

所述俯仰控制通过控制所述多旋翼平台前后排的所述旋翼转速的不同，产生升力差值，从而产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态；

所述滚转控制通过控制所述多旋翼平台前排左旋翼和前排右旋翼转速的不同，产生绕质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态；

所述偏航控制通过控制所述多旋翼平台后排的尾部旋翼转速的不同以及所述尾部舵机倾转的角度的不同，在纵向平面内产生绕竖直轴转动的偏航力矩，调整无人机的航向。

5.根据权利要求1所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述固定翼模态部分包括：

固定翼爬升阶段：无人机进入固定翼模态后，利用所述固定翼平台爬升至预定作业高度；

固定翼巡航阶段：无人机爬升到预定作业高度后，利用所述固定翼平台进行巡航作业；以及

固定翼俯冲阶段：无人机在任务完成后，利用所述固定翼平台俯冲至预定切换高度，准备切换至所述过渡模态。

6.根据权利要求5所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述固定翼模态部分通过操纵所述固定翼平台的发动机、升降舵、副翼和方向舵，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制和水平速度控制，使无人机在固定翼模态下实现爬升、巡航和俯冲功能。

7.根据权利要求6所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，其中：

所述高度控制和所述俯仰控制通过控制所述固定翼平台升降舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中所述升降舵受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的俯仰力矩，调整无人机的俯仰姿态及飞行高度；

所述滚转控制通过控制所述固定翼平台副翼舵面偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中左右机翼受到的由空气产生的气动阻力方向，产生绕无人机质心的滚转力矩，调整无人机的滚转姿态；

所述偏航控制通过控制固定翼平台方向舵偏转角度的不同，改变无人机巡航飞行中所述方向舵受到的由空气产生的气动阻力方向，从而产生绕无人机质心的偏航力矩，调整无人机的航向；

所述水平速度控制通过改变所述固定翼平台所述发动机的转速调节无人机的飞行速度。

8.根据权利要求1所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述过渡模态部分通过操纵所述多旋翼平台的旋翼转速、尾部舵机倾转的角度以及所述固定翼平台的发动机、升降舵、副翼和方向舵，实现无人机的高度控制、俯仰控制、滚转控制、偏航控制以及水平速度控制，使无人机在过渡模态下实现平稳过渡。

9.根据权利要求8所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，其中：

所述高度控制通过改变所述多旋翼平台各个旋翼的转速以调节其产生的升力，从而改变无人机垂直方向上合力大小进而调整无人机高度；

所述俯仰控制包括：所述多旋翼平台前后排所述旋翼转速差动控制以及所述固定翼平台升降舵舵面偏转角度调整；

所述滚转控制包括：所述多旋翼平台前排左旋翼和前排右旋翼转速差动控制以及所述固定翼平台所述副翼舵面偏转角度调整；

所述偏航控制包括：所述多旋翼平台后排的尾部旋翼转速、尾部舵机倾转的角度的控制以及所述固定翼平台方向舵偏转角度调整；

所述水平速度控制包括：单独改变所述固定翼平台所述发动机的转速，或同时改变所述固定翼平台所述发动机以及所述多旋翼平台前后排所述旋翼的转速。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的复合三旋翼无人机多模态飞行控制方法，所述初始转换速度为固定翼模态巡航最低空速要求的1至1.5倍，多旋翼模态巡航速度介于3m/s至5m/s之间。