[发明专利]一种复合翼无人机起降阶段航向控制方法

权利要求书

1.一种复合翼无人机起降阶段航向控制方法，其特征在于，所述航向控制方法由通用航向角控制方法和起飞降落各个阶段相应的航向角控制策略组成；

通用航向角控制方法：通用航向角控制方法是根据期望的航向角ψ_g以及当前偏航角ψ和偏航角速率w_y计算期望的偏航角速率w_yg；再根据期望的偏航角速率w_yg和当前角速率w_y和当前的角加速度ε_y计算航向通道旋翼电机油门信号dth_y，进而控制无人机的航向偏转；

起飞降落各个阶段相应的航向角控制策略：是根据飞机的使用需求，分别确定起飞降落每个阶段期望的航向角ψ_g指令或者偏航角速率w_yg指令、航向角内环的积分环节限幅d_{yawi_max}，既保证飞机按期望的飞行路径飞行，又确保飞行安全；

所述通用航向角控制方法的实现步骤如下：

步骤一：航向角外环采用PD控制，根据航向角控制策略得到的期望航向角ψ_g以及当前偏航角ψ和偏航角速率w_y计算期望的偏航角速率w_ygz，如公式(1)，其中k_p1为比例系数，k_d1为微分控制系数；

w_ygz＝k_p1(ψ_g-ψ)-k_d1×w_y

(1)

步骤二：并根据飞机性能要求，设定偏航角速率限幅值w_ymax，并对步骤一计算的w_ygz限幅，得到航向角速率期望值w_yg，如公式(2)；

步骤三：航向角内环采用PID控制，再根据期望的偏航角速率w_yg和当前角速率w_y和当前的角加速度ε_y计算航向通道旋翼电机油门信号dth_y；根据飞机的使用要求，需要对航向角内环的积分环节进行限幅，设定的幅值为d_{yawi_max}，限幅公式(3)，其中k_i2为积分控制系数；

步骤四：在步骤三的基础上，计算航向控制信号值d_yawz，如公式(4)，其中k_p2为比例系数，k_d2为微分控制系数；

d_yawz＝k_p2(w_yg-w_y)-k_d2×ε_y+d_yawi(4)

步骤五：根据飞机的使用要求，需要对航向角内环的总控制信号进行限幅，设定的幅值为d_{yaw_max}，限幅公式(5)，幅值为100；

步骤六：需要根据飞机使用要求，将航向角内环的总控制信号d_yaw转换为航向通道旋翼电机油门信号dth_y，通过如下dth_y＝ζ×d_yaw；ζ为航向通道控制分配系数，为0.2～0.3；

起飞降落各个阶段相应的航向角控制策略的实现步骤如下：

步骤一：采用逆风起飞，起飞时的垂直爬升阶段，航向控制采用锁定航向的策略，本策略期望的航向角ψ_g为起飞离地时刻的航向角，航向角内环的积分环节限幅d_{yawi_max}为30；这样可以保证起飞时飞机保持起飞时刻的逆风状态，同时能有效抵抗突风对航向角的干扰；

步骤二：起飞悬停阶段的策略与垂直爬升阶段相同；这样可以保证起飞悬停时飞机保持逆风状态，同时能有效抵抗突风对航向角的干扰；

步骤三：起飞过渡飞行阶段的策略与垂直爬升阶段相同；这样可以保证起飞过渡飞行中飞机保持逆风状态，同时能有效抵抗突风对航向角的干扰，并且确保飞机按预设的安全路径完成旋翼到固定翼模式的转换，保证飞行安全；

步骤四：降落过渡飞行阶段，航向控制采用自由跟风的策略，本策略期望的偏航角速率w_yg为0，航向角内环的积分环节限幅d_{yawi_max}为0；这样飞机能自由跟风，使飞机处于逆风状态，可以确保旋翼有更多的控制能力用于俯仰和滚转姿态控制；

步骤五：旋翼移动飞行阶段，航向控制策略与降落过渡飞行阶段相同，采用自由跟风的策略；

步骤六：降落悬停飞行阶段，航向控制策略与降落过渡飞行阶段相同，采用自由跟风的策略；

步骤七：垂直下降飞行阶段，航向控制采用锁定航向的策略，本策略期望的航向角ψ_g为降落悬停结束时刻的航向角，航向角内环的积分环节限幅d_{yawi_max}为30；这样可以保证降落时飞机保持逆风状态，同时能有效抵抗突风对航向角的干扰，并实现飞机降落接地时刻，航向角速率接近0，有效保护了起落架折损。