CN112537444B - 一种复合翼无人机悬停自动对风的方法 - Google Patents

一种复合翼无人机悬停自动对风的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，无人机在旋翼模态下垂直起降时，分定点悬停阶段、航向调整阶段两个阶段控制无人机机头方向自动对准风的来流方向，使机头迎风以提高无人机的抗风能力。当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，无人机定点悬停时间t后，即刻进入航向调整阶段，根据滚转角指令判断，结合旋翼拉力的水平分力、旋翼旋转反扭矩差及固定翼方向舵提高无人机偏航角速率的控制能力，调整机头航向，实现自动对风。

Description

一种复合翼无人机悬停自动对风的方法
技术领域
本发明涉及一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，属于复合翼无人机的控制技术领域。
背景技术
复合翼无人机因具有垂直起降以及长航时的优点发展迅速，兼顾了直升机和固定翼飞机的优点应用广泛。但是对于复合翼无人机，其垂直起降阶段抗侧风能力一般较差，因其主要依靠旋翼旋转反扭力矩控制偏航，此控制方式产生的偏航力矩较小，不足以抵消无人机在强侧风下起降时受到的偏航力矩。在侧风环境下由于航向的控制及抗风作用，容易引起姿态控制量饱和，使姿态控制能力不足而引起姿态不稳定，甚至出现大姿态振荡而引发事故。而当无人机机头迎风时，无人机的抗风能力相对较强。
多数复合翼无人机垂直起降或悬停时，往往需要人为干预调整无人机机头航向，因此不能及时根据风向调整机头航向，导致其姿态稳定性变差。在控制航向时，主要使用旋翼旋转反扭力矩控制，而这种单一的控制方式产生的偏航力矩较小，控制效率低、实现效果差。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，通过自动控制调整无人机机头航向，使无人机机头迎风而避免侧面抗风，同时采用多种控制方式实现无人机的航向控制。
本发明解决的技术方案为：一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，步骤如下：
(1)当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，使无人机在设定的悬停固定点上及距离悬停固定点设定的距离内，进行定点悬停；
(2)在设定的无人机定点悬停时间t内，判断是否有人工干预，若有，则重新计时，返回定点悬停阶段；否则即刻进入航向调整阶段，根据无人机定点悬停的悬停固定点位置与无人机当前的位置的水平距离，确定期望达到的滚转角，形成滚转角指令，根据滚转角指令，判断滚转角指令是否达到设定的滚转角阈值；若达到，进行步骤(3)，否则，不需要调整无人机航向；
(3)调整无人机航向，使机头对准来流方向，完成无人机悬停自动对风。
优选的，步骤(1)当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，使无人机在设定的悬停固定点上及距离悬停固定点设定的距离内，进行定点悬停；具体如下：
无人机起飞或降落时，处于旋翼模式控制，无人机切入定点悬停模态，实现无人机定高定点控制，在无人工遥控干预的情况下，通过调整俯仰或滚转姿态实现定点悬停。
优选的，处于旋翼模式控制是指：只有旋翼为无人机提供动力，无其他动力来源，对飞行器进行控制。
优选的，定点悬停模态，是指无人机通过位置控制，以设定的悬停固定点为目标位置，逐渐靠近直至到达悬停固定点后进行悬停的状态。
优选的，在无人工遥控干预的情况下，通过调整俯仰或滚转姿态实现定点悬停，具体如下：
无风或完全顺逆风情况下，无人机长时间定点悬停，只调整俯仰姿态，产生滚转角指令φc为0°，此时无需调整机头航向；
在侧风环境下，无人机控制位置维持定点悬停，不调整俯仰姿态，只产生滚转角指令φc，通过控制滚转角对抗侧风，维持无人机悬停在固定点；
优选的，无人机进入航向调整阶段后，采用以下控制策略：(1)无人机继续维持定点悬停模态；(2)判断当前滚转角指令φc的绝对值|φc|是否大于设定的阈值Φ，若当前滚转角指令φc的绝对值|φc|大于设定的阈值Φ，则产生无人机的偏航角速率控制指令，控制无人机的偏航角速率，以控制调整无人机机头航向，使机头迎风，完成航向调整。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明分两个阶段的控制，有效解决了复合翼无人机在垂直起降阶段或者悬停时抗侧风的问题，避免了因航向控制导致姿态控制余量不足的情况，能有效减少能力损耗，提高续航能力。
(2)本发明将侧风转为迎风，提高无人机的抗风能力，使无人机可在风速更大的环境起降，完成任务需求，节约时间成本。
(3)本发明通过旋翼反扭力矩、升力平面倾斜及方向舵三者共同作用，有利于提高无人机的偏航控制能力，使无人机快速有效响应自动对风的控制。
附图说明
图1本发明复合翼无人机结构示意图。
图2本发明复合翼无人机自动对风控制逻辑框图；
图3本发明复合翼无人机定点控制的侧向控制框图；
图4本发明复合翼无人机对风时偏航控制框图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，无人机在旋翼模态下垂直起降时，分定点悬停阶段、航向调整阶段两个阶段控制无人机机头方向自动对准风的来流方向，使机头迎风以提高无人机的抗风能力。当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，无人机定点悬停时间t后，即刻进入航向调整阶段，根据滚转角指令判断，结合旋翼拉力的水平分力、旋翼旋转反扭矩差及固定翼方向舵提高无人机偏航角速率的控制能力，调整机头航向，实现自动对风。
本发明的方法主要应用于复合翼无人机垂直起降或悬停时，实现自动对风。复合翼无人机在风向不定，风速经常变化的环境下起降或悬停，通过使用本发明方法，时刻自动调整机头航向，使无人机迎风，有效防止旋翼的控制量饱和，可同时提高无人机的飞行稳定性与旋翼动力系统的续航能力；无人机的自动对风亦可减轻操作人员负担，使工作人员能将主要精力集中在任务上，而非无人机的安全上。
优选方案为：应用本发明方法的复合翼无人机，优选方案如图1所示，无人机由机身、机翼、双尾撑杆、倒“V”尾、发动机T及4个旋翼系统(M1、M2、M3、M4)组成，形成“固定翼+四旋翼”的复合翼无人机。倒“V”尾上安装有操纵舵面，舵面可用作方向舵，在有风环境下可提高无人机起降或悬停时的对风能力。旋翼系统安装与双尾撑杆上，用于无人机的起降与悬停，为无人机提供动力并控制无人机姿态，当其控制量饱和后，将会造成无人机飞行稳定性变差，续航降低。旋翼旋转平面向双尾撑之间倾斜安装，与水平面成3～5°的夹角。这样旋翼的拉力可产生一个指向内侧的水平分力，增强无人机航向控制的能力。
本发明一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，如图2所示，优选方案步骤如下：
(1)当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，使无人机在设定的悬停固定点上及距离悬停固定点设定的距离内，进行定点悬停；优选方案步骤如下：
步骤(1)无人机起飞至离地高度2～5m或准备从离地高度30～50m处垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，使无人机在设定的悬停固定点上及距离悬停固定点设定的距离L内，进行定点悬停(取L＝2m，此悬停区域为以悬停固定点为圆心，半径为2m的圆形区域)；具体如下：
无人机起飞或降落时，处于旋翼模式控制，无人机切入定点悬停模态，实现无人机定高定点控制，在无人工遥控干预的情况下，通过调整俯仰或滚转姿态实现定点悬停；
处于旋翼模式控制是指：只有旋翼(M1、M2、M3、M4)为无人机提供动力，无其他动力来源(发动机T不工作)，对飞行器进行控制。
定点悬停模态，是指无人机通过位置控制，以设定的悬停固定点为目标位置，逐渐靠近直至到达悬停固定点后进行悬停的状态。
(2)在设定的无人机定点悬停时间t内，判断是否有人工干预，若有，则重新计时，返回定点悬停阶段；否则即刻进入航向调整阶段，根据无人机定点悬停的悬停固定点位置与无人机当前的位置的水平横向距离，确定期望达到的滚转角，形成滚转角指令，根据滚转角指令，判断滚转角指令是否达到设定的滚转角阈值；若达到，进行步骤(3)，否则，不需要调整无人机航向；优选方案步骤如下：
优选方案为：设定的无人机定点悬停时间t，具体要求为：使无人机有足够的时间悬停，产生稳定的俯仰角或者滚转角，同时不损耗太多的续航，优选5s≤t≤10s。
人工干预，是指：通过遥控器或者其他人为手段，调整无人机姿态或位置，使无人机退出在悬停固定点自动悬停的状态。
优选方案为：根据无人机定点悬停的悬停固定点位置与无人机当前的位置的水平横向距离Y，确定期望达到的滚转角，形成滚转角指令，具体为：如图3所示的控制框图，水平横向距离Y的大小决定无人机的横向运动速度Vc，由Vc计算出此时无人机所需达到的滚转角，即为滚转角指令φc，控制律如下公式所示，其中
Figure BDA0002837337110000051
分别为距离到速度、速度到滚转角的比例增益，优选为：
Figure BDA0002837337110000052
优选方案为：根据滚转角指令φc，判断滚转角指令φc的绝对值|φc|是否达到设定的滚转角阈值Φ，具体为：滚转角阈值Φ的大小体现自动调整航向的敏感度，Φ值越小航向调整越敏感。这里把Φ取为5°，当|φc|>5°时，则需要调整机头航向对风，否则不需要调整。
在无人工遥控干预的情况下，通过调整俯仰或滚转姿态实现定点悬停，优选方案具体如下：
优选方案为：无风或完全顺逆风情况下，无人机长时间定点悬停，只调整俯仰姿态，顺风时增加旋翼M1、M2的转速，降低旋翼M3、M4的转速，控制无人机抬头，对抗顺风；逆风时降低旋翼M1、M2的转速，增加旋翼M3、M4的转速，控制无人机低头，对抗逆风，直至将无人机控制的悬停区域内，不调整滚转姿态，产生滚转角指令φc为0°，此时无需调整机头航向；
优选方案为：在侧风环境下，风向来自机翼两侧，无人机控制位置维持定点悬停，不调整俯仰姿态，只调整滚转角，产生滚转角指令φc。遇左侧风时，降低旋翼M2、M3的转速，增加旋翼M1、M4的转速，使无人机产生左滚转角，此时φc<0°，将无人机控制在悬停区域内；遇右侧风时，增加旋翼M2、M3的转速，降低旋翼M1、M4的转速，使无人机产生右滚转角，此时φc>0°，通过控制滚转角对抗侧风，维持无人机悬停在固定点；
优选方案为：无人机进入航向调整阶段后，采用以下控制策略：(1)无人机继续维持定点悬停模态；(2)判断当前滚转角指令φc的绝对值|φc|是否大于设定的阈值Φ，若当前滚转角指令φc的绝对值|φc|大于设定的阈值Φ，则产生无人机的偏航角速率控制指令，φc<0°时为左滚转，产生逆时针方向的偏航角速率指令，φc>0°时为右滚转，产生顺时针方向的偏航角速率指令，控制无人机的偏航角速率，以控制调整无人机机头航向，使机头迎风，完成航向调整。
(3)调整无人机航向，使机头对准来流方向，完成无人机悬停自动对风。优选方案步骤如下：
控制框图如图4所示，当遇左侧风，且φc<-5°时，根据优选公式
Figure BDA0002837337110000071
计算得到无人机的偏航角速率指令dψc，该指令控制无人机以偏航角速率dψ＝dψc向逆时针旋转做偏航运动，从而使无人机逆时针旋转，实现机头航向的调整，使其对准来流。
Figure BDA0002837337110000072
为滚转角指令到偏航角速率指令的比例增益，体现自动对风的灵敏度，优选取
Figure BDA0002837337110000073
此时，电机M1、M3转速提高，电机M2、M4转速降低，无人机受到逆时针方向的旋转力矩。同时，由于旋翼旋转平面与水平面成3～5°夹角，M1向左的水平分力与M3向右的水平分力增大，M2向右的水平分力与M4向左的水平分力减小，增加无人机逆时针旋转的力矩。且无人机的倒“V”尾有一定的风标效应，使无人机自然地向来流方向旋转，此时配合方向舵左偏转，可增加无人机逆时针旋转的力矩，以最少的能量实现对风，有效提高无人机的续航能力。
本发明无人机受到的总旋转力矩，优选如下：
总旋转力矩＝旋翼旋转的反扭力矩+旋翼拉力的水平分力距+方向舵产生的力矩
当遇右侧风，且φc>5°时，同理得到偏航角速率指令dψc，控制无人机以偏航角速率dψ＝dψc向顺时针旋转做偏航运动，调整无人机机头航向，使其对准来流，调整方式与遇左侧风时相反。
机头对准来流方向，具体为：调整机头航向转向来流方向，此过程中随着机头航向的调整，侧风逐渐转为逆风，所需滚转角指令绝对值|φc|也逐渐减小，当|φc|<5°时，航向调整结束，此时则认为无人机机头航向已对准来流方向。
本发明实现自动对风稳定性提高的方案：
无人机通过俯仰控制量δpitch、滚转控制量δroll、航向控制量δyaw控制无人机的稳定悬停。无人机侧风悬停时，δroll和δyaw将增加，易出现|δroll+δyaw|≥0.2，导致控制量饱和。通过自动对风，可减小δroll和δyaw，但δpitch稍有增大，当满足条件：|δpitch+δroll+δyaw|≤0.1(其中-0.2≤δpitch≤0.2，-0.2≤δroll≤0.2，-0.2≤δyaw≤0.2)，无人机有足够的控制余量，其稳定性得到提高。
本发明实现自动对风效率提高的进一步优选方案：
无人机自动对风时，通过旋翼的航向控制量δyaw与方向舵控制量δrud实现无人机偏航运动，其中航向控制量δyaw能同时产生旋翼旋转反扭力矩和旋翼拉力F水平分力Fy的力矩，方向舵控制量δrud在风速大时有较好的效果。在不影响控制效果的情况下，δyaw越小无人机对风的效率越高，飞行稳定性也越高。所以保证升力FL足够的前提下，增大旋翼拉力的水平分力力矩可提高自动对风的效率，有Fy＝F*sin(τ),FL＝F*cos(τ)，τ为旋翼旋转平面与水平面的夹角。当满足条件：FL/F≥99.5％，且FY/F≥0.2％，即取τ＝3°～5°时，对升力影响小，同时能提高自动对风的效率。
优选方案为：在侧风5m/s的环境下测试飞行，若保持航向悬停，不做自动对风，俯仰控制量为δpitch＝0，滚转控制量为δroll＝0.1，航向控制量为δyaw＝0.15，|δpitch+δroll+δyaw|＝0.25>0.2，控制量饱和，飞行稳定性变差；当实行自动对风，将侧风转为逆风，无人机的稳定悬停控制量如下：δpitch＝0.08，δroll＝0，δyaw＝0，|δpitch+δroll+δyaw|＝0.08<0.1，说明尚留有控制余量，满足无人机稳定悬停条件。通过完成自动对风之后，无人机飞行稳定性提高，续航提高。
本发明分两个阶段的控制，有效解决了复合翼无人机在垂直起降阶段或者悬停时抗侧风的问题，避免了因航向控制导致姿态控制余量不足的情况，能有效减少能力损耗，提高续航能力；本发明将侧风转为迎风，提高无人机的抗风能力，使无人机可在风速更大的环境起降，完成任务需求，节约时间成本。
本发明通过旋翼反扭力矩、升力平面倾斜及方向舵三者共同作用，有利于提高无人机的偏航控制能力，使无人机快速有效响应自动对风的控制。

Claims (4)

1.一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，其特征在于步骤如下：
(1)当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，使无人机在设定的悬停固定点上及距离悬停固定点设定的距离内，进行定点悬停；
(2)在设定的无人机定点悬停时间t内，判断是否有人工干预，若有，则重新计时，返回定点悬停阶段；否则即刻进入航向调整阶段，根据无人机定点悬停的悬停固定点位置与无人机当前的位置的水平距离，确定期望达到的滚转角，形成滚转角指令，根据滚转角指令，判断滚转角指令是否达到设定的滚转角阈值；若达到，进行步骤(3)，否则，不需要调整无人机航向；
(3)调整无人机航向，使机头对准来流方向，完成无人机悬停自动对风。
2.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，其特征在于：步骤(1)当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，使无人机在设定的悬停固定点上及距离悬停固定点设定的距离内，进行定点悬停；具体如下：
无人机起飞或降落时，处于旋翼模式控制，无人机切入定点悬停模态，实现无人机定高定点控制，在无人工遥控干预的情况下，通过调整俯仰或滚转姿态实现定点悬停；
处于旋翼模式控制是指：只有旋翼为无人机提供动力，无其他动力来源，对飞行器进行控制；
定点悬停模态，是指无人机通过位置控制，以设定的悬停固定点为目标位置，逐渐靠近直至到达悬停固定点后进行悬停的状态。
3.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，其特征在于：在无人工遥控干预的情况下，通过调整俯仰或滚转姿态实现定点悬停，具体如下：
无风或完全顺逆风情况下，无人机长时间定点悬停，只调整俯仰姿态，产生滚转角指令φc为0°，此时无需调整机头航向；
在侧风环境下，无人机控制位置维持定点悬停，不调整俯仰姿态，只产生滚转角指令φc，通过控制滚转角对抗侧风，维持无人机悬停在固定点。
4.根据权利要求1所述的一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，其特征在于：无人机进入航向调整阶段后，采用以下控制策略：(1)无人机继续维持定点悬停模态；(2)判断当前滚转角指令φc的绝对值|φc|是否大于设定的阈值φ，若当前滚转角指令φc的绝对值|φc|大于设定的阈值φ，则产生无人机的偏航角速率控制指令，控制无人机的偏航角速率，以控制调整无人机机头航向，使机头迎风，完成航向调整。
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