CN114248934A - 用于运行飞行器的方法、飞行控制装置和飞行器 - Google Patents

用于运行飞行器的方法、飞行控制装置和飞行器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种用于运行飞行器的方法，包括：a)当第一飞行控制单元(CTRL‑1)有效时，根据第一控制实施方案控制驱动单元；b)当第二飞行控制单元(CTRL‑2)有效时，根据第二控制实施方案控制驱动单元；c)持续监控当前有效的飞行控制单元(CTRL‑1)的功能；d)将有效的飞行控制单元从当前有效的飞行控制单元(CTRL‑1)转换为新的有效的飞行控制单元(CTRL‑2)；步骤d)包括：对飞行控制单元(CTRL‑2)中实施的飞行器的运动方程的起始值进行初始化；用来自飞行控制单元(CTRL‑1)的驱动单元的控制指令对飞行控制单元(CTRL‑2)的积分器进行初始化；在来自飞行控制单元(CTRL‑2)的驱动单元的控制指令(u1)与来自飞行控制单元(CTRL‑2)的驱动单元的控制指令(u2)之间进行差异调整。

Description

用于运行飞行器的方法、飞行控制装置和飞行器
技术领域
本申请涉及一种根据方案1所述的一种用于运行具有多个驱动单元的飞行器的方法。
此外，本申请还涉及根据方案13所述的一种具有多个驱动单元的飞行器的飞行控制装置以及根据方案15或方案16所述的一种具有多个驱动单元的飞行器。
背景技术
申请人是电动多旋翼VTOL飞行器的制造商，这里，缩写VTOL表示垂直起降。但原则上本发明的适用性不仅限于具有多个驱动单元的飞行器，还可以涉及其他系统，例如，具有多个致动器的设备或机器人。最后，所述飞行器中的驱动单元只是这种致动器的一个具体的设计方案。
这种类型的飞行器具有飞行控制单元，所述飞行控制单元根据控制实施方案来控制驱动单元，所述控制实施方案包含飞行控制规则的具体的软件技术或电路技术的实现，这里最终涉及物理动机的复杂公式或者说方程或方程组，借助于所述复杂公式可以将人类飞行员或自动驾驶仪的控制命令转化或变换为飞行器的预期的物理状态。所述飞行控制规则为飞行器的驱动单元计算相应的所谓伪控制指令，然后通过所谓的分配算法将其转换为驱动单元的实际控制指令。所有这些内容在下面还将进行详细说明，但本身是本领域技术人员已知的。
所述实际控制指令接下来用于这样操控驱动单元，使得实现飞行器的一种状态，这个状态在允许的规定参数值之内，尽可能地与人类飞行员或自动驾驶仪的控制指令相吻合。
在实践中，可能有必要针对特定的控制实施，即从特定的飞行控制规则过渡到另一个控制实施方案，就是说过渡到另一种飞行控制规则。例如，如果监控飞行器的飞行性能得出，目前、即当前使用的飞行控制规则，不能提供预期的结果。在这种情况下，已知在同一飞行器中具有多个不同的飞行控制规则或相应的实施方案，以避免出现失效并且提高整个系统的安全度。如果飞行控制规则在这种设计方案下不能正常工作，则可以转换到另一个飞行控制规则。这里通常必要的是，确保平稳地从一个飞行控制规则过渡到另一个飞行控制规则，但这不是轻而易举的。
现有技术中已知的实践方式是使现有的飞行控制规则与其内部的状态持续同步，例如，在相应的控制系统中通常存在的积分器的状态。这里，尤其视为不利的是，两个飞行控制规则或实施所述规则的飞行控制单元之间的持续同步，隐含着存在发生误差传播的可能性。例如，如果飞行控制单元1与飞行控制单元2持续同步，然后从飞行控制单元1切换到飞行控制单元2，则可能存在的情况是，飞行控制单元2由于持续的同步而受到在飞行控制单元1中出现的误差的“感染”，所述误差最终可能导致，将对飞行器的控制转交给飞行控制单元2。这可能导致，接下来飞行器的运行在飞行控制单元2的主导下不能实现期望的飞行性能，这可能带来灾难性的后果。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于运行具有多个驱动单元的飞行器的方法，其中，能够实现稳定且平缓地从一个控制实施方案过渡到另一个控制实施方案，而不会出现误差传播。
本发明的目的还在于，提出一种相应的飞行控制装置和一种相应配置或运行的飞行器。
根据本发明，通过具有方案1的特征的方法、通过具有方案13的特征的飞行控制装置以及通过具有方案15或16的特征的飞行器来实现所述目的。有利的改进方案在相应的从属方案中限定。
根据本发明的用于运行具有多个驱动单元的飞行器的方法，包括：a)提供至少一个第一飞行控制单元，当第一飞行控制单元有效时，第一飞行控制单元根据第一控制实施方案控制驱动单元；b)提供至少一个第二飞行控制单元，当第二飞行控制单元有效时，第二飞行控制单元根据第二控制实施方案控制驱动单元；c)持续监控当前有效的飞行控制单元的功能；d)根据步骤c)中的监控结果，将有效的飞行控制单元从当前有效的飞行控制单元转换为新的有效的飞行控制单元；其中，步骤d)中对于新的飞行控制单元的转换包括：d1)用飞行器当前已知的状态值，对在新的有效的飞行控制单元中实施的运动方程的起始值进行初始化，优选在转换的时刻进行一次初始化；d2)利用来自当前有效的飞行控制单元的驱动单元的控制指令，对新的有效的飞行控制单元的积分器进行初始化，优选在转换的时刻进行一次初始化；d3)在来自当前有效的飞行控制单元的驱动单元的控制指令与来自新的有效的飞行控制单元的驱动单元的控制指令之间进行差异调整，优选从转换的时刻起连续地进行，最优选地以随时间降低的权重进行。
根据本发明的用于具有多个驱动单元的飞行器的飞行控制装置，包括：a)至少一个第一飞行控制单元，用于当第一飞行控制单元有效时，根据第一控制实施方案控制驱动单元；b)至少一个第二飞行控制单元，用于当第二飞行控制单元有效时，根据第二控制实施方案控制驱动单元；c)监控装置，用于持续监控当前有效的第一飞行控制单元或第二飞行控制单元的功能；d)至少一个控制技术的实施方案，用于根据监控装置的监控结果，将有效的飞行控制单元从当前有效的飞行控制单元转换为新的有效的飞行控制单元；其中，所述控制技术的实施方案包括：d1)第一实施块，用于用飞行器当前已知的状态值，对在新的有效的飞行控制单元中实施的飞行器的运动方程的起始值进行初始化，优选在转换的时刻进行一次初始化；d2)第二实施块，用于利用来自当前有效的飞行控制单元的驱动单元的控制指令，对新的有效的飞行控制单元的积分器进行初始化，优选在转换的时刻进行一次初始化；d3)第三实施块，用于在来自当前有效的飞行控制单元的驱动单元的控制指令与来自新的有效的飞行控制单元的驱动单元的控制指令之间进行差异调整，优选从转换的时刻起连续地进行，最优选地以随时间降低的权重进行。
根据本发明的具有多个驱动单元的飞行器，具有根据本发明的飞行控制装置或根据本发明的方法运行。
与现有技术相比，根据本发明所提出的方法不包括至少两个飞行控制单元的持续同步，而是与现有技术相比提出了步骤d1)至d3)，以实现从一个控制实施方案到另一个控制实施方案稳定且平缓的过渡，即对第二控制器或第二飞行控制单元，即应激活或应切换到达的飞行控制单元的基准值或起始值以及积分器值进行初始化，优选在转换的时刻进行一次初始化。此外，通过所提出的差异调整确保控制指令(马达指令)的平滑过渡，特别是当不同的控制规则(控制实施方案)采用不同的配置算法时，这对于超定的多旋翼飞行器、特别是由申请人生产的飞行器是特别重要的。
以这种方式可以实现从一个飞行控制规则(一个控制实施方案)向另一个控制规则(另一个控制实施方案)的平稳过渡，例如从主飞行控制单元向次飞行控制单元的平稳过渡，而不需要在两个飞行控制规则之间进行同步。
为了便于理解本发明，现在首先对可以使用这种(飞行)控制规则的系统，特别是飞行器的物理背景进行详细解释。
这种系统的运动方程可以借助于牛顿欧拉定理或拉格朗日法导出：
Figure BDA0003277718250000041
其中，
Figure BDA0003277718250000042
给出系统的n维配置向量，例如在3D中的位置和旋转，
Figure BDA0003277718250000043
给出与状态相关的一般性惯性矩，
Figure BDA0003277718250000044
表示与状态相关的科里奥利力(或其他内部的速度相关的力)，
Figure BDA0003277718250000045
表示重力，而
Figure BDA0003277718250000046
表示例如由于空气动力学、接触等导致的外部的力或力矩，所述力或力矩作用于通过所选择的一般性坐标定义的状态。这里还定义了用于控制系统的伪控制输入
Figure BDA0003277718250000051
所述伪控制输入(在VTOL多驱动器飞行器(MAV)中，伪控制输入包括由于致动器作用于飞行器的全部力和力矩)以控制输入矩阵
Figure BDA0003277718250000052
代入式1中给出系统动态。例如，所述矩阵包含驱动不足的信息，当rank(G(x))<n，则系统符合驱动不足的条件。
通过下式建立实际控制输入
Figure BDA0003277718250000053
与伪控制输入
Figure BDA0003277718250000054
的对应关系：
up＝Du 式(2)
其中，对于rank(D)＝m，
Figure BDA0003277718250000055
定义为系统有效性矩阵(或简称为系统矩阵)。
在使用状态调节规则(对于VTOL-MAV，例如是姿态、高度、位置/速度控制、线路/轨迹跟踪等)时，也以在式1中，以描述的系统动态为基础计算出期望的伪控制输入
Figure BDA0003277718250000056
这个伪控制输入必须通过实际控制输入
Figure BDA0003277718250000057
u＝[u1...uk]T计算出。因此，需要进行逆矩阵计算，以便从期望的up计算出u。这表示为：
u＝D-1(W)up, 式(3)
其中，W是权重矩阵。运算D-1＝D-1(W)称为配置矩阵或分配矩阵。
对于驱动不足的MAV，通常m＝4，即
Figure BDA0003277718250000058
其中ut是总控制推力，并且
Figure BDA0003277718250000059
表示作用于相对于机体固定的框架或绕主机体轴作用的三个控制力矩。对于申请人的工厂制造的
Figure BDA00032777182500000510
MAV，k＝18，即存在18个致动器。
这个控制或调节问题定义为，通过计算控制输入u，使得调节得到的状态x渐近式地逼近期望的状态xd，所述期望的状态基于飞行员输入(根据飞行员输入图或参考动态)或者基于自动驾驶仪产生。
为了提高飞机的飞行控制系统的安全度，可以使用多个飞行控制计算机(冗余)，其中，可以在不同的飞行控制器中使用不同的控制规则(用于避免共模故障)。
在当前情况下，如已经说明的那样，描述了从一个控制器到另一个控制器的平缓过渡，而不必使一个控制器持续地与另一个控制器同步。这里所使用的飞行控制单元可以使用不同或相同的飞行控制规则；本发明涵盖这两种可能性。
在根据本发明的方法的第一改进方法中可以设定，步骤d1)包括：优选通过相应的传感器测量飞行器的状态值，并发送测量结果以便对在新的有效的飞行控制单元中实施的运动方程的起始值进行初始化。相应的运动方程已经一般性地在上面作为式1给出。
所述所实施的运动方程是上述控制实施方案的一部分，并且用于确保人类飞行员或自动驾驶仪的命令与飞行器的物理状态相关联。为了进行相应的计算，有必要预先规定适当的起始值或基准值，这根据本发明的所述改进方案这样来实现，即，测量飞行器的相应状态值(或简称为状态)，为此目的，飞行器优选具有相应的传感器，例如姿态传感器、加速度传感器、速度传感器、距离传感器、位置传感器或类似物。根据本发明的另一个改进方案可以设定，步骤d1)在将人类飞行员或自动驾驶仪的控制命令向新的有效的飞行控制单元的控制实施方案中映射/传输(所谓的图(Mapping))时进行。换而言之：当(自动驾驶仪)飞行员的控制命令输入或读入新的有效的飞行控制单元中时，步骤d1)开始进行。
在根据本发明的方法的又一个改进方案的范围内可以设定，对于在步骤d1)中的初始化适用的是：
Figure BDA0003277718250000061
其中，
Figure BDA0003277718250000062
表示对应于控制命令的状态值，并且x2(ts)表示飞行器(1)在转换的时刻ts的当前已知状态值。飞行器在转换时刻的当前已知状态值可以对应于上面所述的传感器测量结果。
根据本发明的方法的另一个改进方案设定，上面所述的步骤d2)包括：通过传输通道将当前有效的飞行控制单元的驱动单元的控制指令传输给新的有效的飞行控制单元。以这种方式，驱动单元的当前的控制指令也可以提供给新的有效的飞行单元，并且可以有利地在步骤d2)中用于对积分器进行初始化。
在控制或调节方法中使用这种积分器是本领域技术人员已知的，例如在所谓PID调节器中，这里“I”表示积分调节器或I(积分)元件，在所述积分调节器中，对控制误差进行时间积分。下面作为调节规则的一般性描述而假定：
up＝K(x)+I
其中，K(x)是调节器的静态部分。根据本发明的方法的一个相应的改进方案设定，对于在步骤d2)中的初始化适用的是：在转换的时刻ts，
Figure BDA0003277718250000071
其中
Figure BDA0003277718250000072
表示控制矩阵，所述控制矩阵根据up＝Du将实际控制指令
Figure BDA0003277718250000073
与伪控制指令
Figure BDA0003277718250000074
相关联，
Figure BDA0003277718250000075
上面已经详细说明了所述的控制矩阵和其物理关系。
为了细化根据本发明的方法的前面所述的设计方案，可以相应地设定，对于在步骤d2)中的初始化适用的是：
Figure BDA0003277718250000076
在转换的时刻ts减小了K(x2(ts))，即
Figure BDA0003277718250000077
其中，K(x2(ts))表示在没有上面所述的积分器的情况下，新的有效的飞行控制单元的伪控制指令。以这种方式，K(x2(ts))表示新的有效飞行控制单元在没有积分项的情况下的控制指令，就是说，静态推力和静态力矩。
为了将期望的过渡设计的尽可能平顺，根据本发明的方法的又一个改进方案设定，在方法步骤d3)中，差异调整的权重随着时间降低，优选指数地降低。以这种方式，飞行器的控制特性随着时间变化不断逼近期望的新的控制实施方案。
具体而言，这意味着，根据本发明的方法的一个相应的改进方案包含使用以下新的有效飞行控制的经改动的实际控制指令u′2：u′2(t)＝u2(t)+Δu,Δu＝(u1(ts)-u2(ts))e-λt,λ>0，其中，u1(ts)给出当前有效的飞行控制单元的实际控制指令，而u2(ts)给出新的有效飞行控制单元的实际控制指令，这些控制指令存在于切换或转换时刻ts。
已经证实特别有利的是，根据步骤d3)中的差异调整还可以确保，不会通过这种差异调整出现不希望的力矩或推力。为此，根据本发明的方法的一个特别优选的改进方案可以设定，使用在零空间上的投影Δu′替代Δu，使得飞行器的状态不发生改变。零空间是指(在超定系统中)运动方程的那些解，其中，运动的整体结果，例如机械人手臂的远端在空间中的姿态和运动不发生改变，尽管系统作为整体(即例如机械手本身)完全可以实施运动。
在前面所述方法的一个具体的实施方案的范围内可以适用的是：Δu′＝N2Δu，其中，
Figure BDA0003277718250000081
D表示控制矩阵
Figure BDA0003277718250000082
所述控制矩阵根据up＝Du将实际控制指令
Figure BDA0003277718250000083
与伪控制指令
Figure BDA0003277718250000084
相关联，
Figure BDA0003277718250000085
已经提及的是，出于运行安全性的原因，可能有利的是，第一飞行控制单元和第二飞行控制单元采用不同的配置u＝D-1up，D，
Figure BDA0003277718250000086
表示控制矩阵，所述控制矩阵根据up＝Du将实际控制指令
Figure BDA0003277718250000087
与伪控制指令
Figure BDA0003277718250000088
相关联，
Figure BDA0003277718250000089
因此，根据本发明的方法的一个相应的改进方案设定，第一飞行控制单元和第二飞行控制单元相应地构成或设置。
出于相同的目的，在根据本发明的方法的一个有利的改进方案也还可以设定，第一控制实施方案与第二控制实施方案是不同的，这可以意味着，对于控制以不同地表述的物理规律性作为基础。
在根据本发明的飞行控制装置的改进方案中可以设定，所述飞行控制装置此外还构造成用于实施根据本发明的方法或其实施方案。
以这种方式，本发明以多种方式实现了从一个飞行控制单元向另一个飞行控制单元的平稳过渡，而在这种情况下不会出现在飞行控制单元之间持续同步的情况下出现的误差传播。
附图说明
本发明的其他特性和优点由下面参考附图对实施例的说明得出。
图1示出用于飞行控制单元的一般性控制回路；此外还示出示例形的飞行器；
图2示意性示出用于具有两个飞行控制单元的飞行器的整体飞行控制的概图，所述飞行控制单元分别实施一个飞行控制规则；
图3参考图2中的框A、B和C，示出在时刻ts与ts+1之间从一个飞行控制单元向另一个飞行控制单元切换的过程；
图4示例性示出根据图3中的框C中的算法，对于具有四个旋翼的飞行器在切换过程中马达控制信号的过渡。
具体实施方式
在图1中示出一般性的控制回路，如可以在具有多个驱动单元的飞行器运行时采用的控制回路。在图1中飞行器用附图标记1表示。在当前情况下，包括但不限于具有多个电动驱动单元(旋翼)的VTOL飞行器，在图1中以附图标记2仅明确示出少数几个驱动单元。根据图1中的虚线，驱动单元2由至少一个飞行控制单元3提供适当的控制信号，在当前情况下，例如提供马达控制指令。此外，在图1中还以附图标记4示例性示出传感器，利用该传感器可以随时通过测量技术，确定飞行器1的物理(实际)状态。如在图1中示出的那样，传感器4将其传感器信号或其测量结果提供给飞行控制单元3。以这种方式，飞行控制单元3在任意时间“获知”飞行器的物理状态或者能够作出相应预测，以便适当地控制驱动单元2。
在图1中示意性示出的是：在步骤S1中，基于飞行员输入PI或基于飞行器1的物理状态或运动方程的自动驾驶仪的相应命令AI，生成期望的状态向量xd，并且在步骤S2中，通过飞行控制单元3确保实现的飞行控制中处理所述状态向量。在图1中，附图标记xc表示飞行控制单元3的内部状态，上面所述的调节积分器也属于该状态。根据步骤2中的飞行控制产生用于飞行器1或其控制单元2的马达控制指令u。在步骤S3中确定飞行器1的实际物理状态，例如，根据传感器4的测量结果，并且将实际物理状态反馈给步骤S2中的飞行控制。在图1中，附图标记x相应地表示飞行器1以此方式确定的状态(状态向量)。
在图1中示出的流程原则上是本领域技术人员已知的并且以这种方式能用在所有类似的飞行器1中。
图2详细示出了，在本发明的范围内如何使用两个飞行控制单元实现总体飞行控制，其中，每个飞行控制单元分别实施自己的控制实施方案。优选以不同的程序技术上的方式和形式来实施自己的飞行控制规则。在图2中，第一飞行控制单元或在第一飞行控制单元上运行的控制方法用CTRL-1表示。相应地，附图标记CTRL-2表示第二飞行控制单元中的相应流程。另外，参考图1，相同的附图标记表示相同或至少具有相同效果的元件或功能。为了区分相应的流程，在图2中，在第二飞行控制单元(CTRL-2)中进行的流程简单地用虚线示出。此外，带有标号“1”的附图标记或变量是与飞行控制单元CTRL-1相关联的值或指令，而带有标号“2”的标记涉及第二飞行控制单元CTRL-2。此外，在图2中示出这样的情况，第一飞行控制单元CTRL-1构成主飞行控制单元，主飞行控制单元在飞行器1的正常运行中使用(见图1)。相反，第二飞行控制单元CTRL-2是次飞行控制单元，如有必要，可以切换到该次飞行控制单元，例如，当第一飞行控制单元CTRL-1明显或可能工作不正常时，则切换到第二飞行控制单元。相应地，用于将运行从第一飞行控制单元CTRL-1切换到第二飞行控制单元CTRL-2的实施块A-C设置在第二飞行控制单元CTRL-2的内部。但本发明不仅限于这种设计方案；相反，相应的块也可以设置在第一飞行控制单元CTRL-1的内部。此外，还可以采用这样的设计方案，其中，两个或全部飞行控制单元都具有相应的块A-C。最后，还存在这样的可能性，即，各块A-C设置在中心，从而在需要时所有的飞行控制单元都能访问所述块。在步骤S5或构成相应设计的选择逻辑中，进行控制指令的选择，最终将所述控制指令发送给驱动单元或一般而言发送给系统的致动器，例如，在监控对主飞行控制单元的功能的过程中，当飞行器具有k个驱动单元时(或者系统具有k个致动器时)，这些驱动单元或致动器在图2中用Act.1至Act.k表示。相应的控制指令用u1至uk表示。
如果CTRL-1是有效的飞行控制单元，则对于控制指令适用的是u＝u1。否则，对于控制指令适用的是u＝u′2，这里，控制指令u1来自第一飞行控制单元CTRL-1，而控制指令u′2来自飞行控制单元CTRL-2或来自包含在第二飞行控制单元中的块C，现在对此进行详细说明。
块A至C的具体设计方案和工作原理在图3中示出。块A在步骤S1'中设置或生效，并且确保在步骤S2'中实现对控制规则2(即飞行控制单元CTRL-2中的飞行控制规则的实施)的期望状态值的初始化。相应地，块A接收飞行器在切换时刻ts(测量的)的实际值，并且相应地使期望值初始化。这在图3中也用公式给出。
块B设置在实际的飞行控制或飞行控制单元CTRL-2之内，它确保在步骤S2'中对用于控制规则2的调节器积分器的初始化。为此，块B与各个驱动单元作用连接，并且从这里获得在切换时刻ts的当前存在的控制指令，该控制指令还是源自第一飞行控制单元CTRL-1。由此，得到第一初始化项Du1(ts)。块B用CTRL-2在切换时刻ts的伪控制指令修正所述第一项，但没有积分器项。这得出修正项K(x2(ts))，就是说该修正项仅包含静态推力和静态力矩。最后，块C通过在转换时刻ts对飞行控制单元CTRL-1和CTRL-2的控制指令进行对齐，确保控制指令的平顺过渡，这通过在图3中给出的实施来进行。因此，用修正项Δu′来修正由CTRL-2计算出的控制指令u2，从而得到修正的控制指令u′2。为了计算项Δu′，首先计算项Δu，这个项由在切换时刻ts的控制指令u1和u2的差异得出。如图中所示的那样，给这个差异乘以随时间指数降低的系数e-λt，以这种方式计算出的项Δu投影到零空间，从而得到项Δu′。
“投影到零空间上”是指，与修正项Δu相关联的控制指令不会导致飞行器全局推力或全局力矩发生变化，即使由此可能个别地带来对驱动单元的控制的变化。例如，可以由机器人技术获知，机械人手臂可以实施其关节的运动，但在此同时机械手的末端执行器(手)保持不动。在图3中，示出这种投影的具体设计方案
Figure BDA0003277718250000121
Figure BDA0003277718250000122
这里I表示单位矩阵。
块A和B中的初始化只需在切换时刻ts进行一次，而在块C中的调整有利地随着时间的推移连续地进行。但这里要考虑的是，由于修正项Δu从确定的时刻起指数地降低，一旦修正项降低到低于确定的阈值，可以不必再进行修正。
图4现在基于具有四个驱动单元的飞行器或具有四个致动器的系统，示例性示出从一个(飞行)控制单元切换到另一个(飞行)控制单元时控制指令的行为。根据图4，在时刻ts＝5(横坐标)进行切换，而在纵坐标上分别给出用于各个驱动单元或致动器的控制指令(在图4中用uAct1–uAct4表示)。直到t＝5之前，控制指令都来自CTRL-1(见图2)，而从t＝5开始控制指令源自CTRL-2。从时刻t＝5开始，控制指令用虚线示出，因为它们由控制单元CTRL-2提供而无需调整。在切换时刻t＝5时，这导致不稳定的表现，这通常是不希望的。来自切换时刻t＝5的实线u′2表示通过块C(见图2和3)改变的马达力矩。这里，实现了从控制指令u1到控制指令u′2的平顺的过渡。如由图4还可以看到的那样，控制指令u2的曲线随时间逼近控制指令u′2的曲线，直至约在t＝8处不再能识别到差异。这是由于修正项Δu根据图3指数地降低，这一点前面已经指出。
也已经指出的是，本发明的使用不仅限于具有四个驱动单元(或者甚至具有预先给定的确定数量的驱动单元)的飞行器或者甚至不仅限于飞行器。相反，本发明可以在所有类型的应彼此协调地操控多个致动器的系统中使用。
下面再次汇总地说明本发明基于具有多个驱动单元(马达)形式的致动器的飞行器的具体设计方案：
如果主飞行控制单元CTRL-1不能正常工作(或者不能控制飞行器)，则CTRL-2应承担CTRL-1的任务。CTRL-1以及CTRL-2被设计用于，控制具有数量为“k”的致动器的飞机
Figure BDA0003277718250000131
见上文。要注意的是：
CTRL-1和CTRL-2可以实施不同的(飞行)控制规则，就是说，控制规则1不同于控制规则2，并且配置-1不同于配置-2，见图2。
CTRL-1产生向量
Figure BDA0003277718250000132
而CTRL-2产生向量
Figure BDA0003277718250000133
为了从CTRL-1切换到CTRL-2，实施选择逻辑(根据例如CTRL-1的健康状态)，就是说，致动器在切换之后接收指令u2，而不是u1。
出于稳定性和良好的操作质量的原因，这种切换应尽可能平稳地进行。此外，出于安全性原因，根据本发明避免了控制器(飞行控制单元)之间的直接同步。
这里假定，两个飞行控制单元已知的飞机状态(x1或x2)是相似的(x1≈x2)。要注意的是，这种假定是合理的，因为飞行器具有“真实”的物理状态，并且可以使用不同的传感器和算法，以便尽可能好地估计/测量这个状态。
每个飞行控制单元可以具有其自己的内部状态，例如对于CTRL-1或CTRL-2是xc1和xc2，这里每个飞行控制单元都可以包含调节积分器。
为了从CTRL-1向CTRL-2平稳地过渡，而不必进行同步，优选考虑以下各点(见图2)：
A：对期望的输入
Figure BDA0003277718250000141
进行初始化，所述输入可以是飞行员的控制输入的映射、参考动态的输出和/或自动驾驶仪的输出。
B：如果存在积分器，对例如用于姿态调节、高度调节和水平位置调节的调节积分器
Figure BDA0003277718250000142
进行初始化，使用所述调节积分器，以便消除系统未知情况，例如外部的干扰、参数的不可靠性(质量、重心偏移惯性矩等)。
C：期望的执行器或致动器指令u2。特别是对于超定的系统(k>m)对应问题的解可能是多值的，就是说，u2的不同的解可能导致相同的up2。本发明避免了从u1向u2过渡时出现的跳跃(如果配置-1不同于配置-2并且系统超定时，则可能出现这种情况)。
如果在时刻ts发生从CTRL-1到CTRL-2的过渡时，则此时在CTRL-2中或在块A至C中应执行以下动作(见图3)：
A：将参考动态的起始值设置为最后已知的飞行器状态。这对于参考动态方面平顺的过渡是重要的。这在飞行员输入映射中(当飞行器由人类飞行员控制时)或在自动驾驶仪部分中发生。
B：用来自CTRL-1的最新马达指令(u1)对积分器进行初始化。所述马达指令(或根据可获得的马达数据实际指示应具有的马达状态)通过通信通道提供给CTRL-2。对于CTRL-1和CTRL-2的控制有效性矩阵D相同，因为两个飞行控制单元试图控制相同的致动器，这种形式的基础的飞行控制规则并不改变其位置和特性。还要注意的是，Du1由CTRL-1计算出伪指令，并且K(x(ts))表示除积分项以外的来自CTRL-2的伪控制指令(即静态的推力和转矩)。
C：计算CTRL-1和CTRL-2的马达指令之间的差异，将该差异乘以随时间指数降低的函数。此外，将该差异投影到CTRL-2配置(分配)的零空间上，以便确保，在这个步骤中进行的计算不会产生不希望的转矩和推力。最后，将所述差异的最终版本(所述差异呈指数地衰减并投射到零空间上)添加到原始由CTRL-2计算出的马达指令中。

Claims (16)

1.一种用于运行具有多个驱动单元(2)的飞行器(1)的方法，包括：
a)提供至少一个第一飞行控制单元(CTRL-1)，当第一飞行控制单元(CTRL-1)有效时，所述第一飞行控制单元根据第一控制实施方案控制驱动单元(2)；
b)提供至少一个第二飞行控制单元(CTRL-2)，当第二飞行控制单元(CTRL-2)有效时，所述第二飞行控制单元根据第二控制实施方案控制驱动单元(2)；
c)持续监控当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)的功能；
d)根据步骤c)中的监控结果，将有效的飞行控制单元从当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)转换为新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)；
其中，步骤d)中对于新的飞行控制单元(CTRL-2)的转换包括：
d1)用飞行器(1)当前已知的状态值(x)，对在新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)中实施的飞行器(1)的运动方程的起始值进行初始化，优选在转换的时刻(ts)进行一次初始化；
d2)利用来自当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)的驱动单元(2)的控制指令，对新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)的积分器进行初始化，优选在转换的时刻(ts)进行一次初始化；
d3)在来自当前有效的飞行控制单元(CTRL-2)的驱动单元(2)的控制指令(u1)与来自新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)的驱动单元(2)的控制指令(u1)之间进行差异调整，优选从转换的时刻(ts)起连续地进行，最优选地以随时间(t)降低的权重进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤d1)包括：优选通过相应的传感器(4)测量飞行器(1)的状态值(x)，并且将测量结果用于对在新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)中实施的运动方程的起始值进行初始化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤d1)在将人类飞行员的控制命令(PI)或自动驾驶仪的控制命令(AI)向新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)的控制实施方案中映射/传输时进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对于在步骤d1)中的初始化适用的是：
Figure FDA0003277718240000021
其中，
Figure FDA0003277718240000022
表示对应于控制命令的状态值，并且x2(ts)表示飞行器(1)在转换的时刻ts的当前已知状态值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤d2)包括：通过传输通道将当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)的驱动单元(2)的控制指令(u1)传输给新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，对于在步骤d2)中的初始化适用的是：在转换的时刻ts，
Figure FDA0003277718240000023
其中D，
Figure FDA00032777182400000210
表示控制矩阵，所述控制矩阵根据up＝Du将实际控制指令
Figure FDA0003277718240000025
与伪控制指令
Figure FDA0003277718240000026
相关联，m，
Figure FDA0003277718240000027
7.根据权利要求6所述的方法，其中，对于在步骤d2)中的初始化适用的是：
Figure FDA0003277718240000028
在转换的时刻ts减小了K(x2(ts))，即
Figure FDA0003277718240000029
其中，K(x2(ts))表示在没有积分器的情况下，新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)的伪控制指令。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述差异调整的权重随着时间(t)降低，优选指数地降低。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，步骤d3)包括：u′2(t)＝u2(t)+Δu′，Δu＝(u1(ts)-u2(ts))e-λt，2＞0，其中，u1表示当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)的实际控制指令，和u′2表示新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)的实际控制指令。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用在零空间上的投影Δu′替代Δu，使得飞行器(1)的状态不发生改变。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，适用的是：Δu′＝N2Δu，其中，
Figure FDA0003277718240000031
D，
Figure FDA0003277718240000032
表示控制矩阵，所述控制矩阵根据up＝Du将实际的控制指令
Figure FDA0003277718240000033
与伪控制指令
Figure FDA0003277718240000034
相关联，m，
Figure FDA0003277718240000035
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，第一飞行控制单元(CTRL-1)和第二飞行控制单元(CTRL-2)采用不同的配置u＝D-1up，D，
Figure FDA0003277718240000036
表示控制矩阵，所述控制矩阵根据up＝Du将实际控制指令
Figure FDA0003277718240000037
与伪控制指令
Figure FDA0003277718240000038
相关联，m，
Figure FDA0003277718240000039
13.一种用于具有多个驱动单元(2)的飞行器(1)的飞行控制装置，包括：
a)至少一个第一飞行控制单元(CTRL-1)，用于当第一飞行控制单元(CTRL-1)有效时，根据第一控制实施方案控制驱动单元(1)；
b)至少一个第二飞行控制单元(CTRL-2)，用于当第二飞行控制单元(CTRL-2)有效时，根据第二控制实施方案控制驱动单元(2)；
c)监控装置，用于持续监控当前有效的第一飞行控制单元(CTRL-1)或第二飞行控制单元(CTRL-2)的功能；
d)至少一个控制技术的实施方案，用于根据监控装置的监控结果，将有效的飞行控制单元从当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)转换为新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)；
其中，所述控制技术的实施方案包括：
d1)第一实施块(A)，用于用飞行器(1)当前已知的状态值(x)，对在新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)中实施的飞行器(1)的运动方程的起始值进行初始化，优选在转换的时刻(ts)进行一次初始化；
d2)第二实施块(B)，用于利用来自当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)的驱动单元(2)的控制指令(u1)，对新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)的积分器进行初始化，优选在转换的时刻(ts)进行一次初始化；
d3)第三实施块(C)，用于在来自当前有效的飞行控制单元(CTRL-1)的驱动单元(2)的控制指令(u1)与来自新的有效的飞行控制单元(CTRL-2)的驱动单元(2)的控制指令(u2)之间进行差异调整，优选从转换的时刻(ts)起连续地进行，最优选以随时间(t)降低的权重进行。
14.根据权利要求13所述的飞行控制装置，进一步被设计用于执行根据权利要求2至12中任一项所述的方法。
15.一种具有多个驱动单元(2)的飞行器(1)，特别是电动的多旋翼VTOL飞行器，所述飞行器具有根据权利要求13或14所述的飞行控制装置。
16.一种具有多个驱动单元(2)的飞行器(1)，特别是电动的多旋翼VTOL飞行器，所述飞行器根据权利要求1至12中任一项所述的方法运行。
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