[发明专利]基于无人机飞行模态的控制系统设计及飞行测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于无人机飞行模态的控制系统设计及飞行试验方法，属于无人机自主飞行控制领域。

背景技术

低成本高适应性小型民用无人机，是一种完全自主型的民用无人机，可以通过无线遥控或程序来操纵执行不同的飞行任务。搭载不同的任务载荷，以自动飞行控制系统、机载传感器和无线通信设备等为基础，民用无人机能够完成有人飞机难以完成的危险任务。在灾害监测、交通管制、广播通信、海上搜救、气象预报、地图测绘等民用方面有着广泛的应用和广阔的发展前景。

近年来，我国无人机呈现蓬勃发展趋势，越来越多的中小型企业开展了民用无人机研制工作，国家的政策也采取积极鼓励的态度。面对市场的激烈竞争和用户的不同需求，民用无人机往低成本、高适应性、小型化、多用途等方向发展。

虽然一些现代非线性控制方法设计的控制系统在鲁棒性有着明显的优势，但对传感器和机载计算机等机载设备提出更高的要求，这势必增加了整套无人机的研制成本。专利申请号201410608597.8名称为“一种基于PID神经网络的无人机控制方法”申请公开了一种无人机的控制方法，其主要优点是控制精度高，抗干扰能力强，鲁棒性好的。该控制方法依赖于无人机精确性建模，而其用到的无人机动力学模型依然是近似的模型，且其仅仅处于MATLAB仿真阶段，并未完全的实现到具体工程应用中。实际上非线性控制结构大多较为复杂，并且设计出来的控制器参数的准确性完全依赖于建立的无人机数学模型，然而无人机模型难以获得十分精确的模型，设计出来的控制器参数也不方便飞行调参，这些都增加了整个控制系统设计难度和周期。因此，为降低研制成本，基于空中飞行模态，设计了一套结构简单且易于实现的控制系统来满足无人机飞行控制性能，以适应不同环境下的复杂飞行任务。

为了检验所设计的无人机飞行模态的控制系统有效性，需要拟定飞行模态具体的测试办法和控制策略。专利申请号200810100893.1名称为“一种无人机多模态控制与切换方法”针对无人机本身及其飞行任务的特点，确定和划分飞行控制系统的控制模态，实现多模态控制管理问题。但其并未涉及飞行模态具体的测试办法和各个飞行模态进行测试时的控制策略问题。

发明内容

本发明为了简化现有控制系统的结构，降低成本和缩短研制周期，提出了一套简单易工程实现的飞行控制系统，并通过控制策略来实现飞行模态的测试，以适应一种低成本高适应性小型化的民用无人机。

基于无人机飞行模态的控制系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一，无人机六自由度数学建模，建立纵向和侧向数学模型；

无人机纵向模型为：