基于INDI的倾转旋翼无人机过渡模式控制方案

doi:10.7527/S1000-6893.2024.29685

论文

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

基于INDI的倾转旋翼无人机过渡模式控制方案

刘双喜¹^,², 林泽淮³, 刘伟⁴, 闫斌斌³, 黄伟¹^,²()

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.国防科技大学高超声速技术实验室，长沙 410073
^3.西北工业大学航天学院，西安 710072
^4.上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245

收稿日期:2023-10-08 修回日期:2023-12-20 接受日期:2024-02-07 出版日期:2024-02-26 发布日期:2024-02-23
通讯作者: 黄伟 E-mail:gladrain2001@163.com
基金资助:
湖南省杰出青年基金(2021JJ10045);西北工业大学硕士研究生实践创新能力培育基金(PF2023046)

Transition mode control scheme of tilt rotor UAV based on INDI

Shuangxi LIU¹^,², Zehuai LIN³, Wei LIU⁴, Binbin YAN³, Wei HUANG¹^,²()

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 　410073，China
^2.Hypersonic Technology Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 　410073，China
^3.School of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China
^4.Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer Co. ，Ltd，Shanghai 　200245，China

Received:2023-10-08 Revised:2023-12-20 Accepted:2024-02-07 Online:2024-02-26 Published:2024-02-23
Contact: Wei HUANG E-mail:gladrain2001@163.com
Supported by:
Natural Science Foundation of Hunan Province of China(2021JJ10045);The Practice and Innovation Funds for Graduate Students of Northwestern Polytechnical University(PF2023046)

摘要/Abstract

摘要：

针对倾转旋翼无人机（TRUAV）过渡模式控制问题，提出了一种基于增量非线性动态逆（INDI）的控制方案。首先，基于四轴倾转旋翼无人机动力学特性，建立了面向控制的纵向运动模型；随后，研究了虚拟控制量与控制量分配方法，在此基础上设计了倾转旋翼无人机过渡模式自适应倾转方案；然后，基于增量非线性动态逆控制理论，分别设计了高度、速度和姿态回路过渡模式下内/外环控制器，以及旋翼和舵面控制量混合策略。最后，仿真实验验证了基于虚拟控制量分配的自适应倾转方案的有效性，以及高度、速度和姿态回路控制器的鲁棒性。

关键词: 倾转旋翼无人机, 增量非线性动态逆, 过渡模式, 自适应, 动力学建模

Abstract:

This paper proposes an Incremental Nonlinear Dynamic Inverse （INDI） control scheme for the problem of transition mode control of Tilt Rotor Unmanned Aerial Vehicle （TRUAV）. Firstly， based on the dynamic characteristics of the quadrotor TRUAV， a longitudinal motion model suitable for control is established. Then， the virtual control command and control allocation methods are studied， and an adaptive tilt scheme for the transition mode of the TRUAV is designed based on these methods. Subsequently， based on the incremental nonlinear dynamic inverse control theory， the inner/outer loop controllers for the altitude， velocity and attitude transition modes are designed， as well as a mixed control method for rotor and rudder deflection control quantities. Finally， simulation experiments validate the effectiveness of the adaptive tilt scheme based on virtual control command allocation， as well as the robustness of the altitude， velocity， and attitude controllers.

Key words: tilt rotor unmanned aerial vehicle, incremental nonlinear dynamic inverse, transition mode, adaptive, dynamic modeling

中图分类号:

V249.12

刘双喜, 林泽淮, 刘伟, 闫斌斌, 黄伟. 基于INDI的倾转旋翼无人机过渡模式控制方案[J]. 航空学报, 2024, 45(17): 529685-529685.

Shuangxi LIU, Zehuai LIN, Wei LIU, Binbin YAN, Wei HUANG. Transition mode control scheme of tilt rotor UAV based on INDI[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(17): 529685-529685.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

表 1

倾转旋翼无人机性能指标

参数	数值
质量 $m / k g$	2.0
翼展 $/ m$	1.2
机身长度 $/ m$	0.876
螺旋桨型号	8 060
电机型号	X2216
$J z / k g ⋅ m 2$	0.1

表 1

表 2

初始仿真参数

状态量	数值
高度 $H 0 / m$	100
速度 $V 0 / m ⋅ s - 1$	0
俯仰角 $θ 0 / (°)$	0
舵偏角 $δ Z 0 / (°)$	0

表 2

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表 3

参数拉偏范围

参数类别	参数	拉偏范围/%
机体参数	m	10
	J_z	10
	S	10
	L	10
	$k t$	10
气动参数	C_x	25
	C_y	25
	m_z	25
大气环境	ρ	10

表 3

图 13

参考文献 22

1	刘佳豪，李高华，王福新. 倾转过渡状态旋翼-机翼气动干扰特性［J］. 航空学报， 2022， 43（12）： 126097.
	LIU J H， LI G H， WANG F X. Rotor-wing aerodynamic interference characteristics in conversion mode［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（12）： 126097 （in Chinese）.
2	LIU Z， HE Y Q， YANG L Y， et al. Control techniques of tilt rotor unmanned aerial vehicle systems： A review［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2017， 30（1）： 135-148.
3	DING C W， LU L. A tilting-rotor unmanned aerial vehicle for enhanced aerial locomotion and manipulation capabilities： design， control， and applications［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2021， 26（4）： 2237-2248.
4	LIU Z， THEILLIOL D， HE Y Q， et al. Active model-based nonlinear system identification of quad tilt-rotor UAV with flight experiments［J］. Science China Information Sciences， 2022， 65（8）： 182202.
5	CARDOSO D N， ESTEBAN S， RAFFO G V. A new robust adaptive mixing control for trajectory tracking with improved forward flight of a tilt-rotor UAV［J］. ISA Transactions， 2021， 110： 86-104.
6	SHENG H L， ZHANG C， XIANG Y L. Mathematical modeling and stability analysis of tiltrotor aircraft［J］. Drones， 2022， 6（4）： 92.
7	左卓. 无人倾转旋翼机过渡段纵向控制策略研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2020.
	ZUO Z. Research on longitudinal control strategy of unmanned tilting rotor conversion mode［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2020 （in Chinese）.
8	陈在斌. 倾转旋翼无人机控制系统关键技术研究［D］. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 2020.
	CHEN Z B. Research on key technologies of flight control system of A tilt rotor UAV［D］.Changchun： Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， 2020 （in Chinese）.
9	LI S M， LV Z Y， FENG L， et al. Nonlinear cascade control for a new coaxial tilt-rotor UAV［J］. International Journal of Control， Automation and Systems， 2022， 20（9）： 2948-2958.
10	ALLENSPACH M， DUCARD G J J. Model predictive control of a convertible tiltrotor unmanned aerial vehicle［C］∥2020 28th Mediterranean Conference on Control and Automation （MED）. Piscataway： IEEE Press， 2020： 715-720.
11	韩丽敏. 倾转旋翼机过渡段纵向控制技术研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2011.
	HAN L M. Research on longitudinal control technology of tiltrotor aircraft in transition flight phase［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2011 （in Chinese）.
12	刘海波. 菱形翼布局倾转旋翼无人机滑模非线性飞行控制研究［D］. 西安：西北工业大学， 2019.
	LIU H B. Research on sliding mode nonlinear flight control for diamond wing tilt rotor UAV［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2019 （in Chinese）.
13	凡永华，杨军，赖水清，等. 倾转旋翼机过渡段最优飞行控制系统设计［J］. 飞行力学， 2007， 25（1）： 47-50.
	FAN Y H， YANG J， LAI S Q， et al. Design of an optimal flight control system for tiltrotor conversion［J］. Flight Dynamics， 2007， 25（1）： 47-50 （in Chinese）.
14	陈嘉先，梁波. 倾转旋翼无人机模态转换控制［J］. 战术导弹技术， 2015（2）： 70-76.
	CHEN J X， LIANG B. Control of tilt rotor unmanned aerial vehicle during mode transition［J］. Tactical Missile Technology， 2015（2）： 70-76 （in Chinese）.
15	严旭飞，陈仁良. 倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化［J］. 航空学报， 2017， 38（7）： 520865.
	YAN X F， CHEN R L. Control strategy optimization of dynamic conversion procedure of tilt-rotor aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（7）： 520865 （in Chinese）.
16	肖斯奇，余帆，施啸宇. 倾转旋翼无人机过渡段纵向控制策略设计研究［J］. 导航定位与授时， 2021， 8（6）： 88-95.
	XIAO S Q， YU F， SHI X Y. Research on longitudinal control strategy design in transition section of tilt-rotor UAV［J］. Navigation Positioning and Timing， 2021， 8（6）： 88-95 （in Chinese）.
17	刘安，余宗金，廖保全，等. 四旋翼式飞行潜航器非线性增量动态逆控制［J］. 飞行力学， 2022， 40（2）： 67-73.
	LIU A， YU Z J， LIAO B Q， et al. Incremental nonlinear dynamic inversion control for a quad-rotor aerial underwater vehicle［J］. Flight Dynamics， 2022， 40（2）： 67-73 （in Chinese）.
18	STEFFENSEN R， STEINERT A， SMEUR E J J. Nonlinear dynamic inversion with actuator dynamics： an incremental control perspective［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2022， 46（4）： 709-717.
19	LIU Z， ZHANG Y， LIANG J J， et al. Application of the improved incremental nonlinear dynamic inversion in fixed-wing UAV flight tests［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2022， 35（6）： 04022091.
20	AHMADI K， ASADI D， NABAVI-CHASHMI S Y， et al. Modified adaptive discrete-time incremental nonlinear dynamic inversion control for quad-rotors in the presence of motor faults［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2023， 188： 109989.
21	翟友鸿，李春涛，苏子康等. 基于神经网络增量动态逆的高速靶机筋斗机动控制［J/OL］. 北京航空航天大学学报，（2024-01-12）［2024-01-16］. .
	ZHAI Y H， LI C T， SU Z K， et al. Neural network incremental dynamic inversion target drone somersault maneuver control［J/OL］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，（2024-01-12）［2024-01-16］. （in Chinese）.
22	LI Y， LIU X X， LU P， et al. Angular acceleration estimation-based incremental nonlinear dynamic inversion for robust flight control［J］. Control Engineering Practice， 2021， 117： 104938.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	郑峰婴, 沈志敏, 李雅琴, 徐楷钊, 王新华. 共轴高速直升机增益自适应多模式切换控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529088-529088.
[2]	仇钰清, 李俨, 郎金溪, 刘育衔, 王重. 高速直升机过渡模态鲁棒自适应姿态控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529927-529927.
[3]	龚煜廉, 张建国, 吴志刚, 褚光远, 范晓铎, 黄赢. 主动学习基自适应PC⁃Kriging模型的复合材料结构可靠度算法[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 228982-228982.
[4]	蔡章博, 张征宇, 余皓, 占书恒. 荧光油膜速度场的自适应快速光流解法[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 128047-128047.
[5]	王一凡, 陈浩颖, 张海波. 面向巡航任务的自适应循环发动机进/发匹配[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128637-128637.
[6]	李恒伟, 罗启章, 顾轶, 范才智, 伍国华. 基于滚动时域策略的中继卫星多目标动态调度优化方法[J]. 航空学报, 2024, 45(16): 329706-329706.
[7]	窦振华, 国凯, 黄晓明, 孙杰, 左哲清, 赵守军. 航天电静液伺服系统复合自适应跟踪控制[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 630160-630160.
[8]	和阳, 李旺旺, 吉敬华, 赵文祥, 朱纪洪. 基于幅相自适应注入的伺服电机无传感器控制[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 630211-630211.
[9]	张召悦, 阳颖. 基于聚类和AdaBoost的ADS⁃B数据质量综合评估方法[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 329584-329584.
[10]	李晖, 谷建霏, 李济楠, 孙占彬, 孙凯华, 刘小川, 王鑫, 张丙杰, 王相平, 马辉. 多源激励下航空发动机L型管路动力学建模与验证[J]. 航空学报, 2024, 45(12): 229375-229375.
[11]	李海, 李勇军, 刘元皓, 赵卫虎, 李信, 赵尚弘. 基于ESWO的敏捷对地观测卫星任务调度算法[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 329370-329370.
[12]	赵清风, 周洲, 李明浩, 徐德. 分布式动力翼-诱导翼面推进-气动耦合模型[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 129252-129252.
[13]	宁铠, 吴宝林. 基于事件驱动的航天器星下点轨迹维持控制[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 329412-329412.
[14]	肖冰, 张海朝. 航天器姿态稳定强化学习鲁棒最优控制方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628890-628890.
[15]	方乐言, 蒙晗, 侯明哲. 带有参数精确估计的迭代学习滑模控制及应用[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628889-628889.

基于INDI的倾转旋翼无人机过渡模式控制方案

Transition mode control scheme of tilt rotor UAV based on INDI

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 22

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价