一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法及系统

本发明涉及直升机飞行控制，具体涉及一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法及系统。

背景技术：

1、目前关于共轴双桨构型的直升机控制已有较多研究工作，已发展出了包括基于智能学习的控制、线性控制和非线性控制等方法，其中基于智能学习的方法主要是基于自适应神经网络的智能学习控制[1]；线性控制器包括串级多回路pid[2]、lqr[3]和h∞鲁棒控制[4]；非线性控制方法包括动态逆[5]和模型预测控制[6]。这些方法所研究和应用的对象均为中型及以上的直升机，且均采用变桨距的控制模型，而对于微小型双桨共轴带平衡杆的直升机，其采用机身与传感器融合的结构，通过平衡杆增稳，尺寸小重量轻，其旋翼质量较小可直接调整转速，因此其操纵方式不采用斜盘变距，而是通过两个主旋翼的差速实现偏航控制，通过旋翼的转速控制俯仰力矩进而控制俯仰角。

技术实现思路

1、为此，本发明提出一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法及系统，用以解决双桨共轴带平衡杆构型的微小型直升机姿态稳定控制问题。

2、根据本发明的一方面，提供一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，所述微小型直升机的结构包括转向相反的两个主旋翼、旋翼面与主旋翼平面平行的一个尾旋翼，所述控制方法包括以下步骤：

3、步骤一、获取外部输入的飞行指令，将所述飞行指令转化为姿态角速率指令；

4、步骤二、根据所述姿态角速率指令和姿态角速率真实值，计算获取直升机的控制力矩；

5、步骤三、将所述控制力矩转化分配为主旋翼双桨电机和尾旋翼尾桨电机的控制信号，实现飞行控制。

6、进一步地，步骤一的具体步骤包括：

7、步骤一一、根据前后飞指令和左右转向指令计算俯仰角指令和偏航角速率指令：

8、θd＝kθ·xcmd

9、rd＝kr·rcmd

10、式中，kθ和kr分别表示俯仰角比例系数和偏航角速率比例系数；θd表示俯仰角指令；rd表示偏航角速率指令；

11、步骤一二、对俯仰角指令和偏航角速率指令进行限幅；

12、步骤一三、将限幅后的俯仰角指令与俯仰角真实值作差并乘以比例系数，获取俯仰角速率指令。

13、进一步地，步骤一二中对俯仰角指令和偏航角速率指令进行限幅的计算公式为：

14、

15、

16、式中，θmax和rmax分别表示俯仰角绝对值的上限和偏航角速率绝对值的上限。

17、进一步地，所述控制力矩包含俯仰力矩和偏航力矩，其中，俯仰力矩通过尾电机转动的升力提供；偏航力矩由共轴反转的两个主旋翼差速提供。

18、进一步地，步骤二中所述控制力矩的计算获取过程包括：

19、步骤二一、计算俯仰角速率偏差和偏航角速率偏差；

20、步骤二二、按照下述公式计算俯仰力矩tq和偏航力矩tr：

21、

22、

23、式中，分别表示俯仰角速率通道的比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数；分别表示偏航角速率通道的比例控制系数和积分控制系数；表示俯仰角速率偏差qe的导数；re表示偏航角速率偏差。

24、进一步地，步骤三中按照下述公式将所述控制力矩转化分配为主旋翼双桨电机和尾旋翼尾桨电机的控制信号：

25、

26、

27、

28、式中，和表示共轴反转的两个主旋翼双桨电机对应的控制信号；pwmtail表示尾桨电机的控制信号；kpwm表示控制力矩到电机转速控制的脉冲宽度调制信号比例系数；表示尾桨电机脉冲宽度调制信号的配平值；zcmd表示主旋翼油门指令。

29、根据本发明的另一方面，提供一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制系统，所述微小型直升机的结构包括转向相反的两个主旋翼、旋翼面与主旋翼平面平行的一个尾旋翼，该系统包括：

30、姿态角速率指令计算模块，其配置成获取外部输入的飞行指令，将所述飞行指令转化为姿态角速率指令；其中，所述外部输入的飞行指令包括前后飞指令、主旋翼油门指令、左右转向指令；所述姿态角速率指令包括俯仰角速率指令和偏航角速率指令；

31、控制力矩计算模块，其配置成根据所述姿态角速率指令和姿态角速率真实值，计算获取直升机的控制力矩；其中，所述控制力矩包含俯仰力矩和偏航力矩；所述控制力矩的计算获取过程包括：计算俯仰角速率偏差和偏航角速率偏差；按照下述公式计算俯仰力矩tq和偏航力矩tr：

32、

33、

34、式中，分别表示俯仰角速率通道的比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数；分别表示偏航角速率通道的比例控制系数和积分控制系数；表示俯仰角速率偏差qe的导数；re表示偏航角速率偏差；

35、飞行控制模块，其配置成将所述控制力矩转化分配为主旋翼双桨电机和尾桨电机的控制信号，实现飞行控制。

36、进一步地，所述姿态角速率指令计算模块中将所述飞行指令转化为姿态角速率指令的具体步骤包括：

37、步骤一一、根据前后飞指令和左右转向指令计算俯仰角指令和偏航角速率指令：

38、θd＝kθ·xcmd

39、rd＝kr·rcmd

40、式中，kθ和kr分别表示俯仰角比例系数和偏航角速率比例系数；θd表示俯仰角指令；rd表示偏航角速率指令；

41、步骤一二、对俯仰角指令和偏航角速率指令进行限幅；

42、步骤一三、将限幅后的俯仰角指令与俯仰角真实值作差并乘以比例系数，获取俯仰角速率指令。

43、进一步地，所述飞行控制模块中按照下述公式将所述控制力矩转化分配为主旋翼双桨电机和尾旋翼尾桨电机的控制信号：

44、

45、

46、

47、式中，和表示共轴反转的两个主旋翼双桨电机对应的控制信号；pwmtail表示尾桨电机的控制信号；kpwm表示控制力矩到电机转速控制的脉冲宽度调制信号比例系数；表示尾桨电机脉冲宽度调制信号的配平值；zcmd表示主旋翼油门指令。

48、本发明的有益技术效果是：

49、本发明针对双桨共轴带平衡杆这种特殊构型的微小型直升机飞行控制问题，设计了一种飞行控制方法及系统，可以实现双桨共轴带平衡杆的微小型直升机按外界输入的前后飞指令、主旋翼油门指令、左右转向指令，根据控制指令实现上下、前后和左右转向等飞行动作。本发明相比于传统方法，考虑了微小型直升机旋翼重量轻、旋翼转速响应快的特点，通过主桨旋翼转速差来控制偏航，可降低直升机重量。

技术特征：

1.一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，所述微小型直升机的结构包括转向相反的两个主旋翼、旋翼面与主旋翼平面平行的一个尾旋翼，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，其特征在于，步骤一中所述外部输入的飞行指令包括前后飞指令、主旋翼油门指令、左右转向指令；所述姿态角速率指令包括俯仰角速率指令和偏航角速率指令。

3.根据权利要求2所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，其特征在于，步骤一中将所述飞行指令转化为姿态角速率指令的具体过程包括：

4.根据权利要求3所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，其特征在于，步骤一二中对俯仰角指令和偏航角速率指令进行限幅的计算公式为：

5.根据权利要求4所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，其特征在于，所述控制力矩包含俯仰力矩和偏航力矩，其中，俯仰力矩通过尾旋翼尾桨电机转动的升力提供；偏航力矩由共轴反转的两个主旋翼差速提供。

6.根据权利要求5所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，其特征在于，步骤二中所述控制力矩的计算获取过程包括：

7.根据权利要求6所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法，其特征在于，步骤三中按照下述公式将所述控制力矩转化分配为主旋翼双桨电机和尾旋翼尾桨电机的控制信号：

8.一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制系统，所述微小型直升机的结构包括转向相反的两个主旋翼、旋翼面与主旋翼平面平行的一个尾旋翼，其特征在于，所述控制系统包括：

9.根据权利要求8所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制系统，其特征在于，所述姿态角速率指令计算模块中将所述飞行指令转化为姿态角速率指令的具体步骤包括：

10.根据权利要求9所述的一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制模块中按照下述公式将所述控制力矩转化分配为主旋翼双桨电机和尾旋翼尾桨电机的控制信号：

技术总结
本发明公开了一种双桨共轴带平衡杆的微小型直升机飞行控制方法及系统，涉及直升机飞行控制技术领域。本发明的技术要点包括：获取外部输入的飞行指令，将所述飞行指令转化为姿态角速率指令；根据所述姿态角速率指令和姿态角速率真实值，计算获取直升机的控制力矩；将所述控制力矩转化分配为主旋翼双桨电机和尾旋翼尾桨电机的控制信号，实现飞行控制。本发明可实现双桨共轴带平衡杆的微小型直升机按外界输入的控制指令实现上下、前后和左右转向等飞行动作。本发明相比于传统方法，考虑了微小型直升机旋翼重量轻、旋翼转速响应快的特点，通过主桨旋翼转速差来控制偏航，可降低直升机重量。

技术研发人员：白成超,陈宇燊,郭继峰,郑红星,颜鹏,刘天航
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13