面向混合双轴倾转旋翼四旋翼飞行器过渡控制的统一增量非线性控制器

《IEEE Transactions on Robotics》：Unified Incremental Nonlinear Controller for the Transition Control of a Hybrid Dual-Axis Tilting Rotor Quad-Plane

本文针对混合过驱动倾转旋翼无人机(TRUAV)在过渡飞行中面临的非仿射动力学和控制分配难题，提出了一种创新的统一增量非线性控制框架。研究团队通过引入增量非线性控制分配算法，结合序列二次规划(SQP)优化方法，实现了对双轴倾转旋翼四旋翼飞行器全飞行包线的无缝控制。该控制器能够根据空速变化自动调整控制策略，在低速时保持六自由度(6-DOF)控制，在高速时平滑过渡到利用气动升力进行姿态控制。飞行试验验证了控制器在过渡飞行、垂直/横向加速度控制及返航悬停等方面的优异性能，为复杂飞行器控制提供了新思路。

　　

在无人机技术快速发展的今天，混合动力倾转旋翼无人机(TRUAV)因其独特的垂直起降(VTOL)能力和卓越的抗风性能而备受关注。这类飞行器能够通过快速调整旋翼方向来应对风扰，同时具备独立控制位置和姿态的能力，大大增强了其环境适应性。然而，这种优势背后隐藏着复杂的控制挑战——由于推力矢量能力导致系统动力学呈现非仿射特性，传统基于线性化控制效果的算法难以有效处理过渡飞行中的控制分配问题。

以往的研究多采用具有多个中间状态的切换逻辑控制器来管理过渡过程，这种方法不仅控制逻辑复杂，而且难以实现飞行模式间的平滑过渡。特别是在从低速飞行向高速飞行过渡时，飞行器的控制自由度会从6-DOF减少到4-DOF，如何在这种动态变化中保持稳定控制成为技术瓶颈。现有的解决方案或局限于悬停状态控制，或无法充分利用快速倾转执行器的潜力，严重限制了这类飞行器的实际应用价值。

针对这些挑战，代尔夫特理工大学的研究团队在《IEEE Transactions on Robotics》上发表了创新性研究成果，提出了一种统一增量非线性控制框架。该研究通过将滚转和俯仰角作为虚拟控制命令纳入优化过程，实现了在全飞行包线内的无缝控制过渡。

研究团队采用了几个关键技术方法：首先设计了基于序列二次规划(SQP)的非线性控制分配算法，能够实时求解包含物理执行器和虚拟姿态命令的优化问题；其次开发了协调转弯模块，通过空速自适应增益调度实现侧滑角最小化；此外还集成了攻角(AoA)保护逻辑，通过动态约束俯仰角范围防止机翼失速；最后利用增量非线性动态逆(INDI)控制方法，通过加速度增量计算有效补偿模型不确定性。

控制器设计原理

研究团队推导了系统的非线性动力学方程，将控制分配问题转化为带约束的优化问题。控制输入向量创新性地包含了物理执行器命令和虚拟姿态命令，通过调整权重矩阵_ν和_u，优化算法能够根据空速自动选择最有效的控制策略。在低速时，控制器优先使用旋翼推力和倾转机构直接产生加速度；在高速时，则通过姿态变化利用气动升力实现控制目标。

协调转弯与侧滑控制

通过引入空速自适应增益_Ψair，控制器能够在不同飞行阶段智能调整偏航率参考生成策略。侧滑校正项通过补偿旋翼侧向倾转产生的加速度分量，有效减少了高速飞行时的侧滑现象。实验数据显示，在高速飞行阶段侧滑角始终控制在10°以内。

攻角保护机制

基于俯仰角与飞行路径角的关系，研究团队设计了动态俯仰角约束算法。当空速超过6 m/s时，保护逻辑自动激活，将攻角限制在2°-15°的安全范围内，既防止了失速风险，又确保了控制效率。

控制分配优化

采用序列二次规划(SQP)算法求解归一化控制输入，通过实时调整控制效果矩阵，解决了执行器单位不一致和行程差异带来的优化难题。实验表明，即使在资源受限的树莓派4B平台上，优化器也能在5ms内完成计算，满足实时控制要求。

研究结论表明，这种统一控制框架成功解决了倾转旋翼飞行器在过渡飞行中的核心挑战。通过飞行测试验证，控制器能够平滑管理控制自由度的变化，在悬停与高速飞行间实现自然过渡。攻角保护机制有效防止了机翼失速，而协调转弯算法则显著改善了高速机动性能。

这项研究的重要意义在于首次实现了对双轴倾转旋翼飞行器的全包线统一控制，突破了传统切换控制器的局限性。所提出的非线性控制分配方法为处理复杂多执行器系统的控制问题提供了新思路，特别是对需要在不同飞行模式下保持高性能的混合飞行器具有重要参考价值。开源代码的发布更为社区研究提供了宝贵资源，将推动倾转旋翼无人机在物流、测绘等领域的实际应用。

尽管当前控制器在执行器带宽差异处理方面还存在改进空间，但这项工作无疑为未来智能飞行控制系统的开发奠定了坚实基础。随着模型精化算法的进一步优化，这种控制方法有望在更复杂的飞行场景中发挥更大价值。