CN110697037B - 一种倾转旋翼无人机的混合飞行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种倾转旋翼无人机的混合飞行方法，通过非线性混合的方法将控制输出调整为混合飞行方式，并实施于无人机的飞行航线上，从而实现对飞行航线的优化，使得无人机可以以旋翼飞行状态和固定翼飞行状态相结合的混合飞行方式进行航线规划和飞行。本发明通过计算倾转角，以获取对旋翼电机的控制，从而在倾转旋翼无人机飞行的过程中以固定翼为主结合旋翼为辅的方式飞行，使得倾转旋翼无人机能够以光滑和流畅的航线飞行到达目标航点，有效完成飞行任务。

Description

一种倾转旋翼无人机的混合飞行方法

技术领域

本发明涉及一种倾转旋翼无人机的飞行方法，具体涉及一种倾转旋翼无人机的混合飞行方法。

背景技术

倾转旋翼无人机是一种将固定翼无人机和旋翼无人机融为一体的新型无人机，也可称为倾转旋翼固定翼无人机。主要是将旋翼无人机能垂直起降的特点应用到固定翼无人机中，很好地解决了固定翼无人机长距离加速运行达到一定的飞行速度后起飞以及长距离降落减速运行后降落的问题；同时，在飞行任务中，利用了固定翼无人机续航能力强，飞行效率高的特点，能很好地完成作业任务。

一般的倾转旋翼无人机是在固定翼无人机机翼的两翼尖处各安装一套旋翼倾转系统组件，或同时在固定翼无人机的机体中部处对应设置两套旋翼倾转系统组件，形成四旋翼的倾转旋翼无人机；其中，旋翼倾转系统组件可在水平位置与垂直位置之间通过旋翼电机驱动实现转动。作业时，无人机上的旋翼轴垂直于地面，并在旋翼系统组件的运行下进行垂直起飞，完成起飞后仍然在旋翼系统组件的作用下加速飞行一段距离，直至无人机的飞行速度到达固定翼无人机的最低飞行速度后，由固定翼飞行系统进行无人机的飞行任务旋翼系统组件不再运行；无人机需要垂直降落时，固定翼飞行系统停止运行，切换为旋翼系统组件运行，实现无人机的垂直降落。这样的无人机起降飞行模式，很好地利用了旋翼无人机的垂直起降特点，同时由能利于固定翼无人机的飞行模式，使得续航能力更强。但是，仍存在以下问题：

1、在整个飞行过程中一直采用固定翼无人机飞行模式，导致在飞行过程中固定翼无人机的飞行缺点仍然存在，无法更好地完成飞行任务；例如，当目标航点在固定翼无人机的转弯半径内，此时由于固定翼无人机的转弯特点，无人机只能采用远距离盘旋才能到达目标航点，甚至最终只能偏移目标航点。

2、在飞行过程中只采用固定翼无人机飞行模式，导致无人机的飞行航线规划单一，从而导致无人机无法在时间、能耗以及路程等指标上获取最优的航线规划，不能充分利用旋翼无人机和固定翼无人机的飞行特点。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种倾旋翼无人机的混合飞行方法，该方法能够在飞行过程中将旋翼飞行和固定翼飞行结合在一起，从而获取最优的航线，并且能更加快速和准确地到达目标航点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

S1：建立地面坐标系{x y z}和机体坐标系{x_B y_B z_B}；

S2：获取无人机的机体自身状态向量X；并计算无人机当前空速v_a，其中，

X＝[q，p，v，ω]^T (1)

其中，p为地面坐标系下的三维坐标，q为机体对于地面的四元数，v为地面坐标系下的三个方向速度，ω为机体三轴角速度；其中，

p＝[x，y，z]，q＝[qx，qy，qz]，v＝[v_x，v_y，v_z]，w＝[w_x，w_y，w_z] (2)

其中，x，y，z为地面坐标系下的无人机质心的坐标；

通过将机体坐标系上的x_B轴转到地面坐标系即得到无人机机头方向向量x_ahead，

无人机当前空速v_a计算公式如下：

v_a＝v·x_ahead (4)

S3：获取目标航点P，其中，

P＝[x_ref，y_ref，z_ref] (5)

其中，x_ref，y_ref，z_ref为目标航点P在地面坐标下的x轴、y轴以及z轴的坐标；

S4：设定无人机的椭球形的可到达区域指标

并与精度设定值

比较；计算归一化误差航点坐标；其中，可到达区域指标

为：

为设定值，当

越大，无人机到达目标航点P的精度就越高；a、b以及c为设定可到达区域的参数，通过人为调整获取，且a＜b，a＜c；

公式(6)中的x、y以及z由公式(2)中获取，x_ref、y_ref以及z_ref由公式(5)中获取；

归一化误差航点坐标P′为：

当

时，证明目标航点P在无人机的可到达区域内，则逐渐减小空速v_a，并以一定比例减小，使得v_a会收敛为0，即，

当

时，证明目标航点P在无人机的可到达区域外，此时通过位置方向判断公式判断航点是否在无人机的前方，判断公式为：

P′·x_ahead＞C (9)

其中，x_ahead为无人机当前机头的方向向量，可由公式(3)可得；C为常数；具体地，当公式(9)成立时，确认目标航点P在无人机的前方，则逐渐增加空速v_a，并以一定比例增大，使得v_a会收敛为

即，

公式(9)不成立时，按照上述

时处理；

当

时，同时需要取下一个航点，继续进行判断，直到

或者为最后一个航点；

其中

为无人机在固定翼飞行模式下的参考飞行空速；

为常数；初始时的v_a由公式(4)可得；本步骤中的

表示下一个状态时的空速v_a；

S5：计算倾转角θ_tilt，其中，

S6：根据倾转角θ_tilt、旋翼控制器以及固定翼控制器混合得出控制器输出U，其中非线性混合公式如下：

U＝(1-sin(θ_tilt))U_mc+sin(θ_tilt)U_fw (12)

其中，U_mc为旋翼控制输出，

U_mc＝[u₁ u₂ u₃ u₄ ... 0 0 0 0...]^T (13)

U_fw为固定翼控制输出，

U_fw＝[u₁ u₂ u₃ u₄ ... u′₁ u′₂ u′₃ u′₄...]^T (14)

u₁、u₂、u₃、u₄...为多个旋翼电机的各个输出；u′₁、u′₂、u′₃、u′₄...为多个固定翼电机的各个输出；

S7：将控制器输出U作用到倾转旋翼无人机中；

S8：重复S2-S7。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过计算倾转角，以获取对旋翼电机的控制，从而在倾转旋翼无人机飞行的过程中结合旋翼飞行模式的辅助飞行，使得倾转旋翼无人机能够以优化后的平滑航线飞行到达目标航点，有效解决飞行任务。

2、结合本发明的混合飞行方法，让倾转旋翼无人机飞行过程中，以固定翼飞行模式为主，旋翼飞行模式为辅的特点，将固定翼飞行和旋翼飞行两种飞行模式的优点结合在一起，对航线进行优化，最终以平滑且流畅的航线到达目标航点；飞行过程集合了固定翼飞行的速度快、能耗低以及旋翼飞行的航线短和转弯灵活的优点。

3、通过在飞行过程中加入旋翼飞行模式的辅助，使得倾转旋翼无人机能够灵活地到达目标航点，包括在单一固定翼飞行模式时无法到达的航点盲区，使得倾转旋翼无人机的灵活性更强，有利于扩大倾转旋翼无人机的应用领域。例如，在无人机农业作业领域中，由于旋翼无人机的灵活性强，能到达各个作业航点，并且能原点转向，因此现阶段在农业领域中较多地采用旋翼无人机；但旋翼无人机的续航能力差，导致无法长时间连续作业，使得无人机在农业领域中无法进一步发展；此时，将本发明的混合飞行方法使用到倾转旋翼无人机上后，就能够将倾转旋翼无人机很好地应用在农业领域中，在进行直线飞行时采用固定翼飞行模式，利用了固定翼飞行模式的速度快和能耗低等优点，在转弯或掉头时，则采用旋翼飞行模式，实现短距离转弯或原点掉头，则利用了旋翼飞行模式的飞行航线短和转弯灵活的优点，从而使得在农业作业时避免固定翼无人机空飞行不作业的情况。

附图说明

图1为本发明的倾转旋翼无人机的混合飞行方法的坐标系建立的示意图。

图2为本发明的倾转旋翼无人机的混合飞行方法的系统框图。

图3为本发明的倾转旋翼无人机的混合飞行方法的飞行任务示意图。

图4为本发明的倾转旋翼无人机的混合飞行方法的航点分析示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-图4，本实施例的倾转旋翼无人机的混合飞行方法，包括以下步骤：

S1：建立地面坐标系{x y z}和机体坐标系{x_B y_B z_B}。

S2：获取无人机的机体自身状态向量X；并计算无人机当前空速v_a，其中，

X＝[q，p，v，ω]^T (1)

其中，p为地面坐标系下的三维坐标，q为机体对于地面的四元数，v为地面坐标系下的三个方向速度，ω为机体三轴角速度；其中，

p＝[x，y，z]，q＝[qx，qy，qz]，v＝[v_x，v_y，v_z]，w＝[w_x，w_y，w_z] (2)

其中，x，y，z为地面坐标系下的无人机质心的坐标；

通过将机体坐标系上的x_B轴转到地面坐标系即得到无人机机头方向向量x_ahead，

无人机当前空速v_a计算公式如下：

v_a＝v·x_ahead (4)

S3：获取目标航点P，其中，

P＝[x_ref，y_ref，z_ref] (5)

其中，x_ref，y_ref，z_ref为目标航点P在地面坐标下的x轴、y轴以及z轴的坐标。

S4：设定无人机的椭球形的可到达区域指标

并与精度设定值

比较；计算归一化误差航点坐标；其中，可到达区域指标

为：

为设定值，当

越大，无人机到达目标航点P的精度就越高；a、b以及c为设定可到达区域的参数，通过人为调整获取，且a＜b，a＜c；

公式(6)中的x、y以及z由公式(2)中获取，x_ref、y_ref以及z_ref由公式(5)中获取；

归一化误差航点坐标P′为：

当

时，证明目标航点P在无人机的可到达区域内，则逐渐减小空速v_a，并以一定比例减小，使得v_a会收敛为0，即，

当

时，证明目标航点P在无人机的可到达区域外，此时通过位置方向判断公式判断航点是否在无人机的前方，判断公式为：

P′·x_ahead＞C (9)

其中，x_ahead为无人机当前机头的方向向量，可由公式(3)可得；C为常数；具体地，当公式(9)成立时，确认目标航点P在无人机的前方，则逐渐增加空速v_a，并以一定比例增大，使得v_a会收敛为

即，

公式(9)不成立时，按照上述

时处理；

当

时，同时需要取下一个航点，继续进行判断，直到

或者为最后一个航点。

其中

为无人机在固定翼飞行模式下的参考飞行空速；

为常数；初始时的v_a由公式(4)可得；本步骤中的

表示下一个状态时的空速v_a。

S5：计算倾转角θ_tilt，其中，

S6：根据倾转角θ_tilt、旋翼控制器以及固定翼控制器混合得出控制器输出U，其中非线性混合公式如下：

U＝(1-sin(θ_tilt))U_mc+sin(θ_tilt)U_fw (12)

其中，U_mc为旋翼控制输出，

U_mc＝[u₁ u₂ u₃ u₄ 0 0 0 0]^T (13)

U_fw为固定翼控制输出，

U_fw＝[u₁ u₂ u₃ u₄ u′₁ u′₂ u′₃ u′₄]^T (14)

u₁、u₂、u₃、u₄为四旋翼的四个旋翼电机的各个输出；u′₁、u′₂、u′₃、u′₄为四个固定翼电机的各个输出。本实施例中，无人机上设有四个旋翼，且对应设置旋翼电机，固定翼飞行模式时也设置有四个固定翼电机工作。其中，旋翼控制输出和固定翼控制输出通过串环PID方法获取。

S7：将控制器输出U作用到倾转旋翼无人机中。

S8：重复S2-S7。

最终，可采用PX4飞控使用串环PID、并对旋翼输出和固定翼输出加上对应的混控器对无人机进行控制，从而达到混合飞行的效果。

参见图4，在S4中，由于无人机不可能在数学上精确的到达目标航点(无人机的质心与目标航点重合)，且由于在无人机飞行过程中，向各个方向的飞行能力不同，受外界因数影响大；因此，此时通过设计椭球，该椭球表示无人机的可到达区域，当目标航点在椭球内部时，就默认为机体已经到达目标航点或指定位置，当目标航点在椭球外部时，则认为机体仍未到达目标航点。考虑固定翼无人机向前飞行能力比较强，旋翼无人机向四周都可以运行，因此为了统一，简单地认为机头方向为椭球的长轴方向。这样，在无人机飞行过程中，考虑了这样的一个椭球，航点是否到达的判断会更加方便，简化计算量。其中用a、b、c三个参数表示出椭球，需要人为调整，这三个参数的大小表明到达航点的精度，可以根据机体自身相关尺寸设定，以便调整。

参见图3，以具体过程来判断，对于过程1，由于下一个航点在机体正上方，若此时向前空速v_a为0，则此时由公式(11)计算得θ_tilt＝0°，即完全以旋翼飞行模式进行飞行。对于过程2，目标航点在机体正前方，如果向前空速v_a为0，由公式(11)计算得θ_tilt＝0°，则完全以旋翼飞行模式进行飞行(此时的向前空速v_a未到达固定翼飞行模式的最低飞行速度)。对于过程3，航点在机体正前方，如果向前空速v_a为

由公式(11)计算得θ_tilt＝90°，则以固定翼飞行模式进行飞行；过程4与过程5一样，以固定翼飞行模式进行飞行。对于过程5，如果向前空速v_a为

由公式(11)计算得θ_tilt＝45°，则以中间状态飞行，即旋翼飞行和固定翼飞行两种飞行模式相结合，以平滑的航线飞行。过程6与过程4同理。过程7与过程5类似。

参见图4，以具体航点来判断，对于P₁点，由于在椭球8内，即

假设没有下一个航点，则此时空速逐渐减小，旋翼飞行的比重会变大，此时会逐渐靠近航点P₁；假设有下一个航点P₂，则此刻θ_tilt会接近90°，固定翼飞行模式的比重较大。对于P₃，空速达到

时，θ_tilt＝45°，无人机以混合模式飞行(旋翼飞行模式和固定翼飞行模式结合)，当空速为0时则以多旋翼模式飞行。对于P₄，由于固定翼飞行模式下，有最小转弯半径的限制，传统固定翼控制不可以到达P₄点，因此会以旋翼飞行模式，形成以固定翼飞行的最小转弯半径为半径的圆的轨迹，最终准确到达P₄点。

如果空速较低，不达到最小空速(固定翼飞行无法达到)，计算得θ_tilt接近为0，四旋翼飞行比重较大，能够以旋翼飞行精确到达航点。

上述判断都是对于特别离散的航点，实际的这种航点必须经过插值，得出较连续的航点，这样这种控制方法会使机体平滑过渡，平滑飞行。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种倾转旋翼无人机的混合飞行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立地面坐标系{x y z}和机体坐标系{x_B y_B z_B}；

S2：获取无人机的机体自身状态向量X；并计算无人机当前空速v_a，其中，

X＝[q，p，v，ω]^T (1)

其中，p为地面坐标系下的三维坐标，q为机体对于地面的四元数，v为地面坐标系下的三个方向速度，ω为机体三轴角速度；其中，

p＝[x，y，z]，q＝[qx，qy，qz]，v＝[v_x，v_y，v_z]，w＝[w_x，w_y，w_z] (2)

其中，x，y，z为地面坐标系下的无人机质心的坐标；

通过将机体坐标系上的x_B轴转到地面坐标系即得到无人机机头方向向量x_ahead，

其中q^*表示对四元数q求共轭；

无人机当前空速v_a计算公式如下：

v_a＝v·x_ahead (4)

S3：获取目标航点P，其中，

P＝[x_ref，y_ref，z_ref] (5)

其中，x_ref，y_ref，z_ref为目标航点P在地面坐标下的x轴、y轴以及z轴的坐标；

S4：设定无人机的椭球形的可到达区域指标

并与精度设定值

比较；计算归一化误差航点坐标；其中，可到达区域指标

为：

为设定值，当

越大，无人机到达目标航点P的精度就越高；a、b以及c为设定可到达区域的参数，通过人为调整获取，且a＜b，a＜c；

公式(6)中的x、y以及z由公式(2)中获取，x_ref、y_ref以及z_ref由公式(5)中获取；

归一化误差航点坐标P′为：

当

时，证明目标航点P在无人机的可到达区域内，则逐渐减小空速v_a，并以一定比例减小，使得v_a会收敛为0，即，

当

时，证明目标航点P在无人机的可到达区域外，此时通过位置方向判断公式判断航点是否在无人机的前方，判断公式为：

P′·x_ahead＞C (9)

其中，x_ahead为无人机当前机头的方向向量，可由公式(3)可得；C为常数；具体地，当公式(9)成立时，确认目标航点P在无人机的前方，则逐渐增加空速v_a，并以一定比例增大，使得v_a会收敛为

即，

公式(9)不成立时，按照上述

时处理；

当

时，同时需要取下一个航点，继续进行判断，直到

或者为最后一个航点；

其中

为无人机在固定翼飞行模式下的参考飞行空速；

为常数；初始时的v_a由公式(4)可得；本步骤中的

表示下一个状态时的空速v_a；

S5：计算倾转角θ_tilt，其中，

S6：根据倾转角θ_tilt、旋翼控制器以及固定翼控制器混合得出控制器输出U，其中非线性混合公式如下：

U＝(1-sin(θ_tilt))U_mc+sin(θ_tilt)U_fw (12)

其中，U_mc为旋翼控制输出，

U_mc＝[u₁ u₂ u₃ u₄ ... 0 0 0 0 ...]^T (13)

U_fw为固定翼控制输出，

U_fw＝[u₁ u₂ u₃ u₄ ... u′₁ u′₂ u′₃ u′₄ ...]^T (14)

u₁、u₂、u₃、u₄...为多个旋翼电机的各个输出；u′₁、u′₂、u′₃、u′₄...为多个固定翼电机的各个输出；

S7：将控制器输出U作用到倾转旋翼无人机中；

S8：重复S2-S7。

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