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申请/专利权人：北京航空航天大学杭州创新研究院

摘要：本发明提供一种考虑桨间重叠效应的共轴多旋翼拉力优化分配方法，以解决共轴多旋翼由于桨叶重叠气流耦合造成的升力损失影响，首先根据机械结构对共轴多旋翼的旋翼进行配对划分，然后利用拉力动力测试台对配对的旋翼进行气动效应标定获得总升力和总扭矩与配对旋翼转速之间的映射关系，其次利用二次多项式曲面公式来拟合一对旋翼共同产生的总升力和总扭矩。最后考虑系统实际运行的安全约束，设计以旋翼转速为变量的优化函数，并构造相应的代价函数对旋翼桨叶转速变化率和转速幅值进行约束；最后利用模型预测控制器一体求解出共轴多旋翼各旋翼的实际所需转速。本发明能够显著增加共轴多旋翼的续航能力和机动能力。

主权项：1.一种考虑桨间重叠效应的共轴多旋翼拉力优化分配方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、根据机械结构对共轴多旋翼的旋翼进行配对划分；第二步、利用拉力动力测试台对配对的旋翼进行气动效应标定获得总升力和总扭矩与配对旋翼转速之间的映射关系；第三步、利用二次多项式曲面公式来拟合一对旋翼共同产生的总升力和总扭矩，得到系数估计值；第四步，考虑系统实际运行的安全约束，设计以旋翼转速为变量的优化函数；第五步、构造相应的代价函数对旋翼转速变化率和转速幅值进行约束；第六步、利用模型预测控制器一体求解出共轴多旋翼各旋翼的实际所需转速；所述第一步具体如下：根据共轴多旋翼的结构特性将附着在同一个机臂的上下两个旋翼划分为一组配对旋翼，在转速相同的情况下，上下旋翼产生的实际升力并不相同，均小于各自的理论产生升力，表示如下：式中，表示第组配对旋翼产生的实际升力，表示第组配对旋翼中上旋翼应该产生的理论升力，表示第组配对旋翼中下旋翼应该产生的理论升力；所述第二步具体如下：为了减小由于桨叶气动耦合造成的升力损失影响，将配对旋翼作为一个整体在考虑重叠效应的前提下对其进行拉力标定；记录的测量数据包括电子速度控制器的脉冲宽度调制PWM值，配对旋翼产生的总推力和总扭矩，电压和空气温度；通过电子速度控制器的作用,电机PWM值与电机转速之间的转换关系为线性；直接使用传输给电机的PWM值来代替旋翼桨叶的旋转角速率，从而建立上下桨叶PWM值与产生的总推力和总扭矩的映射关系；根据相同的物理机械结构，每组配对旋翼桨叶之间的重叠效应也相同；在考虑升力损失的情况下进行拉力标定，记上方电机的实际油门指令为，下方电机的实际油门指令为，采用二次多项式曲面公式来表示配对旋翼共同产生的升力与反扭矩： 式中，-，-为推力二次多项式和扭矩二次多项式的系数；二次多项式中的交叉项提供了更丰富的气动耦合信息，可以表示配对旋翼PWM值与升力扭矩之间的映射关系；所述第三步具体如下：为了方便识别未知的二次多项式系数，通过分别给定多组上下旋翼的电机油门指令与，测量对应的总升力与总反扭矩，表示如下：，式中，代表实验数据测量次数，是所有收集到的测量数据组成的矩阵，是多项式系数的回归矩阵，代表推力和扭矩的多项式系数；对上下旋翼的PWM值进行归一化处理，然后通过最小二乘拟合得到-，-的估计值-，-；所述第四步具体如下：在获得估计的二次多项式系数-和-，将共轴多旋翼视为典型的四旋翼无人机，并设计控制分配方式计算每组配对桨叶所需产生的控制输入信号；令和分别代表四组配对旋翼产生的升力和扭矩，分配方式表示如下：式中，表示映射矩阵，表示共轴多旋翼平台飞行所需的总升力，表示共轴多旋翼平台飞行所需的总扭矩；设计模型预测控制器代价函数，同时考虑桨叶转速变化率和转速幅值等多种约束，形式如下：式中，，，，分别代表四组配对旋翼中处于上方的电机转速值，，，，分别代表四组配对旋翼中处于下方的电机转速值；、分别是控制分配误差代价函数和桨叶转速增量代价函数；表示在达到最小值时自变量的取值；所述第五步具体如下：控制分配误差代价函数表示为：式中，表示控制分配误差代价函数的权重矩阵，为可调参数；代表求向量的2范数；桨叶转速变化率代价函数表示为：式中，表示桨叶转速变化率代价函数的权重矩阵，为可调参数；通过添加桨叶转速变化率代价函数平滑桨叶转速，以减小系统状态的剧烈变化；所述第六步具体如下：为保证系统的稳定运行，规划的系统控制输入应不超过电机的极限；构建的模型预测控制器优化函数需满足如下约束条件：式中，和表示桨叶转速的限制；利用模型预测控制器对上述构建的二次型优化函数进行求解得到共轴多旋翼每个旋翼所需的电机转速值，并进行反归一化处理作为实际的系统输入来控制飞行器运动。

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