本发明公开了一种基于矢量控制的高抗风性控制系统及方法，属于飞行控制系统领域，包括抗风控制系统以及具有该抗风控制系统的垂直起降固定翼无人机，垂直起降固定翼无人机包括碳纤维骨架以及设置在碳纤维骨架上的执行机构、传感器元件、抗风控制器；抗风控制器包括相互独立的位置控制器和姿态控制器，及对应的混合控制器，且位置控制器与姿态控制器之间并联，位置控制器用以将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号Asp输送给混合控制器。本发明，将姿态控制器与位置控制器并联，实现飞行时姿态与位置的独立控制，大幅提升悬停状态的抗风性能，从而拓展垂直起降固定翼无人机的应用范围。
1.一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，其特征在于，包括抗风控制系统以及具有该抗风控制系统的垂直起降固定翼无人机，所述垂直起降固定翼无人机包括碳纤维骨架以及设置在碳纤维骨架上的执行机构、传感器元件、抗风控制器，且抗风控制系统集成在抗风控制器上；
所述抗风控制器包括相互独立的位置控制器和姿态控制器，及对应的混合控制器，且位置控制器与姿态控制器之间并联，所述位置控制器用以将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号Asp输送给混合控制器，所述姿态控制器用以将垂直起降固定翼无人机的飞行姿态输出信号与预定飞行姿态信号处理后形成姿态控制信号δsp输送给混合控制器，且混合控制器将位置控制信号Asp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的位置，并将姿态控制信号δsp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的姿态；
所述执行机构根据混合控制器传来的输入信号对垂直起降固定翼无人机进行调整；
所述传感器元件用以测量垂直起降固定翼无人机的飞行状态信息，并将飞行状态信息转换成可用输出信号，所述可用输出信号包括飞行位置输出信号与飞行姿态输出信号；
所述位置控制器包括位置外环控制器以及与位置外环控制器串联的位置内环控制器，二者配合用以产生垂直起降固定翼无人机的位置控制信号；
产生位置误差信号Xe，Xe＝Xsp‑X，其中，Xsp为输入的目标位置，X为来自传感器元件的实际位置信号；
将Xe经过位置外环控制器的比例控制器P、限幅器处理后成为位置内环控制器的目标速度输入信号Vsp，Vsp＝P·Xe，其中，P为比例控制器的比例增益；
将Vsp与来自传感器元件的实际速度信号V比对后得到一个位置误差信号Ve，Ve＝Vsp‑V；
将Ve经过位置内环控制器的比例‑积分控制器PI处理后产生的信号与V经过低通滤波器LPF、微分控制器D处理后产生的信号相减，再经过限幅器处理后产生无人机的位置控制信号Asp。
2.根据权利要求1所述的一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，其特征在于，所述姿态控制器包括姿态外环控制器以及与姿态外环控制器串联的姿态内环控制器，二者配合用以产生垂直起降固定翼无人机的姿态控制信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，其特征在于，所述姿态控制信号的具体产生过程如下：产生姿态误差信号θe，θe＝θsp‑θ，其中，θsp为输入的目标姿态，θ为来自传感器元件的实际姿态信号；
将θe该信号经过姿态外环控制器的比例控制器P、限幅器处理后成为姿态内环控制器的目标姿态角速率输入信号Ωsp，Ωsp＝P·θe，其中，P为比例控制器的比例增益；
将Ωsp与来自传感器元件的实际姿态角速率信号Ω比对后得到一个姿态误差信号Ωe，Ωe＝Ωsp‑Ω；
将Ωe经过姿态内环控制器的增幅器K放大、比例‑积分控制器PI处理后产生的信号，与Ω经过姿态内环控制器的增幅器K放大、低通滤波器LPF、微分控制器D处理后产生的信号相减，再经过限幅器处理后产生姿态控制信号δsp。
4.根据权利要求1所述的一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，其特征在于，所述执行机构，具体包括：第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机、第一电机、第二电机、第三电机、第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨，其中，所述第一电机运行可驱动第一螺旋桨产生推力，所述第二电机运行可驱动第二螺旋桨产生推力，所述第三电机运行可驱动第三螺旋桨产生推力，所述第一螺旋桨与第二螺旋桨朝上，所述第三螺旋桨朝下，所述第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机用以改变推力的方向，在垂直起降固定翼无人机悬停时，令所述第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨产生的推力分别为f1，f2，f3，令所述第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机旋转后与垂直起降固定翼无人机坐标系中的y轴产生的夹角分别为θ1，θ2，θ3，令垂直起降固定翼无人机坐标系与地面坐标系之间的夹角为α，则沿x，y方向上分解的力和力矩，得到系统的数学模型如下：fx＝f1sinθ1+f2sinθ2+f3sinθ3‑mgsinα＝0 (1a)fy＝0 (1b)fz＝‑f1cosθ1‑f2cosθ2‑f3cosθ3+mgcosα＝0 (1c)τx＝L3(f2cosθ2‑f1cosθ1)＝0 (1d)τy＝L1(f1cosθ1+f2cosθ2)‑L2f3cosθ3＝0 (1e)τz＝L3(f2sinθ2‑f1sinθ1)＝0 (1f)其中，m为垂直起降固定翼无人机的质量，g为引力常量，L1为第一螺旋桨、第二螺旋桨到抗风控制器的横向距离，L2为第三螺旋桨到抗风控制器的横向距离，L3为第一螺旋桨到第二螺旋桨的横向距离的1/2，等式(1a‑1f)中的式子为非线性方程，需要进行线性化，因此分别对上面的式子进行微分，得到关于由控制量的无穷小变化引起力和力矩的线性等式，即为系统的控制方程：通过高斯消去，可以得到方程的通解：
由此方程，可以得到给定力和力矩变化所需要的电机和舵机的输出量。
5.根据权利要求4所述的一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，其特征在于，所述混合控制器形成执行机构的输入信号的具体过程为：将实时的f1，f2，f3，θ1，θ2，θ3带入到等式(1a‑1f)中，计算出fx，fz，τx，τy，τz；
根据dfx＝fx/Asp，dfz＝fz/Asp，dτx＝τx/δsp，dτy＝τy/δsp，dτz＝τz/δsp，计算出dfx，dfz，dτx，dτy，dτz；
根据等式，将姿态控制器和位置控制器传递来的信号进行处理，计算出dθ1，dθ2，dθ3，df1，df2，df3，通过对时间进行积分，产生分别分配给第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机的PWM信号θ1，θ2，θ3，以及分配给第一电机、第二电机、第三电机的PWM信号f1，f2，f3。
6.根据权利要求1所述的一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，其特征在于，所述传感器元件包括但不局限于加速度计、陀螺仪、气压计、测距传感器。
7.一种基于矢量控制的高抗风性控制方法，应用于如权利要求1‑6任一项所述的基于矢量控制的高抗风性控制系统，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号；
将垂直起降固定翼无人机的飞行姿态输出信号与预定飞行姿态信号处理后形成姿态控制信号；
将位置控制信号与姿态控制信号进行处理形成执行机构的输入信号；
执行机构根据输入信号对垂直起降固定翼无人机进行调整。
一种基于矢量控制的高抗风性控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种飞行控制系统，具体是一种基于矢量控制的高抗风性控制系统及方法。
背景技术
[0002] 垂直起降固定翼无人机继承了多旋翼无人机和传统固定翼无人机的优势，既能够在狭小空间内垂直期间，不受场地限制，又能够实现长续航。因此，其在河道巡检，环境监测，海上大范围巡查方面的应用越来越广泛。控制系统在垂直起降固定翼无人机的稳定飞行中起到至关重要的作用。控制系统包含了稳定性控制系统，位置控制系统，导航控制系统以及路径规划控制系统。悬停状态的抗风性能是垂直起降固定翼无人机在实际应用当中的核心技术指标，其直接决定了无人机的环境应用范围。控制系统是提高无人机悬停抗风性的关键技术之一。
[0003] 传统垂直起降固定翼无人机悬停状态的位置和姿态控制采用串联的控制方法，即通过姿态角度的变化，实现位置的移动。在迎风工况下，这种控制系统会通过改变俯仰角度实现固定位置的悬停。当风力增大，俯仰角度也会改变的更多，这样会导致机翼产生负升力。随着风力的继续增大，负升力持续增大。当负升力和无人机重力的合力大于无人机能够提供的垂直方向的推力时，会导致坠机，给使用者带来不便。
[0004] 因此，本领域技术人员提供了一种基于矢量控制的高抗风性控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于矢量控制的高抗风性控制系统及方法，将姿态控制器与位置控制器并联，大幅提升悬停状态的抗风性能，从而拓展垂直起降固定翼无人机的应用范围，便于使用，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，包括抗风控制系统以及具有该抗风控制系统的垂直起降固定翼无人机，所述垂直起降固定翼无人机包括碳纤维骨架以及设置在碳纤维骨架上的执行机构、传感器元件、抗风控制器，且抗风控制系统集成在抗风控制器上；所述抗风控制器包括相互独立的位置控制器和姿态控制器，及对应的混合控制器，且位置控制器与姿态控制器之间并联，所述位置控制器用以将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号Asp输送给混合控制器，所述姿态控制器用以将垂直起降固定翼无人机的飞行姿态输出信号与预定飞行姿态信号处理后形成
姿态控制信号δsp输送给混合控制器，且混合控制器将位置控制信号Asp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的位置，并将姿态控制信号δsp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的姿态；所述执行机构根据混合控制器传来的输入信号对垂直起降固定翼无人机进行调整；所述传感器元件用以测量垂直起降固定翼无人机的飞行状态信息，并将飞行状态信息转换成可用输出信号，所述可用输出信号包括飞行位置输出信号与飞行姿态输出信号。
[0008] 作为本发明进一步的方案：所述位置控制器包括位置外环控制器以及与位置外环控制器串联的位置内环控制器，二者配合用以产生垂直起降固定翼无人机的位置控制信号。
[0009] 作为本发明再进一步的方案：所述位置控制信号的具体产生过程如下：
[0010] 产生位置误差信号Xe，Xe＝Xsp‑X，其中，Xsp为输入的目标位置，X为来自传感器元件的实际位置信号；
[0011] 将Xe经过位置外环控制器的比例控制器P、限幅器处理后成为位置内环控制器的目标速度输入信号Vsp，Vsp＝P·Xe，其中，P为比例控制器的比例增益；
[0012] 将Vsp与来自传感器元件的实际速度信号V比对后得到一个位置误差信号Ve，Ve＝Vsp‑V；
[0013] 将Ve经过位置内环控制器的比例‑积分控制器PI处理后产生的信号与V经过低通滤波器LPF、微分控制器D处理后产生的信号相减，再经过限幅器处理后产生无人机的位置控制信号Asp， 其中，P为比例‑积分控制器的比例增益，I
为比例‑积分控制器的积分增益，D为微分控制器D的微分增益，R为低通滤波器的电阻，C为低通滤波器的电容。
[0014] 作为本发明再进一步的方案：所述姿态控制器包括姿态外环控制器以及与姿态外环控制器串联的姿态内环控制器，二者配合用以产生垂直起降固定翼无人机的姿态控制信号。
[0015] 作为本发明再进一步的方案：所述姿态控制信号的具体产生过程如下：
[0016] 产生姿态误差信号θe，θe＝θsp‑θ，其中，θsp为输入的目标姿态，θ为来自传感器元件的实际姿态信号；
[0017] 将θe该信号经过姿态外环控制器的比例控制器P、限幅器处理后成为姿态内环控制器的目标姿态角速率输入信号Ωsp，Ωsp＝P·θe，其中，P为比例控制器的比例增益；
[0018] 将Ωsp与来自传感器元件的实际姿态角速率信号Ω比对后得到一个姿态误差信号Ωe，Ωe＝Ωsp‑Ω；
[0019] 将Ωe经过姿态内环控制器的增幅器K放大、比例‑积分控制器PI处理后产生的信号，与Ω经过姿态内环控制器的增幅器K放大、低通滤波器LPF、微分控制器D处理后产生的信号相减，再经过限幅器处理后产生姿态控制信号δsp，其中，K为增幅器的放大系数，P为比例‑积分控
制器的比例增益，I为比例‑积分控制器的积分增益，D为微分控制器D的微分增益，R为低通滤波器的电阻，C为低通滤波器的电容。
[0020] 作为本发明再进一步的方案：所述执行机构，具体包括：第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机、第一电机、第二电机、第三电机、第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨，其中，所述第一电机运行可驱动第一螺旋桨产生推力，所述第二电机运行可驱动第二螺旋桨产生推力，所述第三电机运行可驱动第三螺旋桨产生推力，所述第一螺旋桨与第二螺旋桨朝上，所述第三螺旋桨朝下，所述第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机用以改变推力的方向，在垂直起降固定翼无人机悬停时，令所述第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨产生的推力分别为f1，f2，f3，令所述第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机旋转后与垂直起降固定翼无人机坐标系中的y轴产生的夹角分别为θ1，θ2，θ3，令垂直起降固定翼无人机坐标系与地面坐标系之间的夹角为α，则沿x，y方向上分解的力和力矩，得到系统的数学模型如下：
[0021] fx＝f1sinθ1+f2sinθ2+f3sinθ3‑mgsinα＝0(1a)
[0022] fy＝0(1b)
[0023] fz＝‑f1cosθ1‑f2cosθ2‑f3cosθ3+mgcosα＝0(1c)
[0024] τx＝L3(f2cosθ2‑f1cosθ1)＝0(1d)
[0025] τy＝L1(f1cosθ1+f2cosθ2)‑L2f3cosθ3＝0(1e)
[0026] τz＝L3(f2sinθ2‑f1sinθ1)＝0(1f)
[0027] 其中，m为垂直起降固定翼无人机的质量，g为引力常量，L1为第一螺旋桨、第二螺旋桨到抗风控制器的横向距离，L2为第三螺旋桨到抗风控制器的横向距离，L3为第一螺旋桨到第二螺旋桨的横向距离的1/2，等式(1a‑1f)中的式子为非线性方程，需要进行线性化，因此分别对上面的式子进行微分，得到关于由控制量的无穷小变化引起力和力矩的线性等式，即为系统的控制方程：
[0028]
[0029] 通过高斯消去，可以得到方程的通解：
[0030]
[0031] 由此方程，可以得到给定力和力矩变化所需要的电机和舵机的输出量。
[0032] 作为本发明再进一步的方案：所述混合控制器形成执行机构的输入信号的具体过程为：
[0033] 将实时的f1，f2，f3，θ1，θ2，θ3带入到等式(1a‑1f)中，计算出fx，fz，τx，τy，τz；
[0034] 根据dfx＝fx/Asp，dfz＝fz/Asp，dτx＝τx/δsp，dτy＝τy/δsp，dτz＝τz/δsp，计算出dfx，dfz，dτx，dτy，dτz；
[0035] 根据等式，将姿态控制器和位置控制器传递来的信号进行处理，计算出dθ1，dθ2，dθ3，df1，df2，df3，通过对时间进行积分，产生分别分配给第一矢量舵机、第二矢量舵机、第三矢量舵机的PWM信号θ1，θ2，θ3，以及分配给第一电机、第二电机、第三电机的PWM信号f1，f2，f3。
[0036] 作为本发明再进一步的方案：所述传感器元件包括但不局限于加速度计、陀螺仪、气压计、测距传感器。
[0037] 一种基于矢量控制的高抗风性控制方法，应用于基于矢量控制的高抗风性控制系统，该控制方法包括以下步骤：
[0038] 将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号；
[0039] 将垂直起降固定翼无人机的飞行姿态输出信号与预定飞行姿态信号处理后形成姿态控制信号；
[0040] 将位置控制信号与姿态控制信号进行处理形成执行机构的输入信号；
[0041] 执行机构根据输入信号对垂直起降固定翼无人机进行调整。
[0042] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043] 本申请通过将位置控制器和姿态控制器并联，其中，位置控制器将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号Asp输送给混合控制器，混合控制器将位置控制信号Asp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的位置；姿态控制器将垂直起降固定翼无人机的飞行姿态输出信号与预定飞行姿态信号处理后形成姿态控制信号δsp输送给混合控制器，混合控制器将姿态控制信号δsp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的姿态；相较于传统无人机通过改变俯仰角度实现固定位置的悬停，本申请能够实现对无人机位置和姿态的独立控制，降低垂直起降固定翼的机翼对悬停时稳定性的影响，从而大幅提升了无人机在悬停时的抗风性和稳定性，进而大幅提升了无人机在悬停时的位置和姿态的稳定性。
附图说明
[0044] 图1为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中垂直起降固定翼无人机的结构图；
[0045] 图2为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中抗风控制系统的结构框图；
[0046] 图3为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中垂直起降固定翼无人机的受力图；
[0047] 图4为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中位置控制器的结构框图；
[0048] 图5为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中姿态控制器的结构框图；
[0049] 图6为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中垂直起降固定翼无人机的悬停工作示意图；
[0050] 图7为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中位置控制信号的具体产生流程图；
[0051] 图8为一种基于矢量控制的高抗风性控制系统中姿态控制信号的具体产生流程图；
[0052] 图9为一种基于矢量控制的高抗风性控制方法的流程图。
[0053] 图中：1、第一矢量舵机；2、第二矢量舵机；3、第三矢量舵机；4、第一电机；5、第二电机；6、第三电机；7、第一螺旋桨；8、第二螺旋桨；9、第三螺旋桨；10、碳纤维骨架；11、抗风控制器；12、第一干扰风；13、第二干扰风。
具体实施方式
[0054] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0055] 请参阅图1～8，本发明实施例中，一种基于矢量控制的高抗风性控制系统，包括抗风控制系统以及具有该抗风控制系统的垂直起降固定翼无人机，垂直起降固定翼无人机包括碳纤维骨架10以及设置在碳纤维骨架10上的执行机构、传感器元件、抗风控制器11，且抗风控制系统集成在抗风控制器11上；抗风控制器11包括相互独立的位置控制器和姿态控制器，及对应的混合控制器，且位置控制器与姿态控制器之间并联，位置控制器用以将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号Asp输送给混合控制器，姿态控制器用以将垂直起降固定翼无人机的飞行姿态输出信号与预定飞行姿态信号处理后形成姿态控制信号δsp输送给混合控制器，且混合控制器将位置控制信号Asp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的位置，并将姿态控制信号δsp处理后作为执行机构的输入信号用以控制垂直起降固定翼无人机悬停时的姿态；执行机构根据混合控制器传来的输入信号对垂直起降固定翼无人机进行调整；传感器元件用以测量垂直起降固定翼无人机的飞行状态信息，并将飞行状态信息转换成可用输出信号，可用输出信号包括飞行位置输出信号与飞行姿态输出信号。本申请将姿态控制器与位置控制器并联，大幅提升抗风性能，从而拓展垂直起降固定翼无人机的应用范围，便于使用。
[0056] 在本实施例中：位置控制器包括位置外环控制器以及与位置外环控制器串联的位置内环控制器，二者配合用以产生垂直起降固定翼无人机的位置控制信号。位置外环控制器包括比例控制器P与限幅器，位置内环控制器包括比例‑积分控制器PI、低通滤波器LPF、微分控制器D、限幅器。
[0057] 在本实施例中：如图7所示，位置控制信号的具体产生过程如下：
[0058] 产生位置误差信号Xe，Xe＝Xsp‑X，其中，Xsp为输入的目标位置，X为来自传感器元件的实际位置信号；
[0059] 将Xe经过位置外环控制器的比例控制器P、限幅器处理后成为位置内环控制器的目标速度输入信号Vsp，Vsp＝P·Xe，其中，P为比例控制器的比例增益；
[0060] 将Vsp与来自传感器元件的实际速度信号V比对后得到一个位置误差信号Ve，Ve＝Vsp‑V；
[0061] 将Ve经过位置内环控制器的比例‑积分控制器PI处理后产生的信号与V经过低通滤波器LPF、微分控制器D处理后产生的信号相减，再经过限幅器处理后产生无人机的位置控制信号Asp， 其中，P为比例‑积分控制器的比例增益，I
为比例‑积分控制器的积分增益，D为微分控制器D的微分增益，R为低通滤波器的电阻，C为低通滤波器的电容。其中，低通滤波器LPF根据需要设定一个截止频率，容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过。本申请基于PID控制器的控制系统，大幅提升飞行可靠性和安全性。
[0062] 在本实施例中：姿态控制器包括姿态外环控制器以及与姿态外环控制器串联的姿态内环控制器，二者配合用以产生垂直起降固定翼无人机的姿态控制信号。姿态外环控制器包括比例控制器与限幅器，姿态内环控制器包括增幅器、比例‑积分控制器、低通滤波器、微分控制器以及限幅器。
[0063] 在本实施例中：如图8所示，姿态控制信号的具体产生过程如下：
[0064] 产生姿态误差信号θe，θe＝θsp‑θ，其中，θsp为输入的目标姿态，θ为来自传感器元件的实际姿态信号；
[0065] 将θe该信号经过姿态外环控制器的比例控制器P、限幅器处理后成为姿态内环控制器的目标姿态角速率输入信号Ωsp，Ωsp＝P·θe，其中，P为比例控制器的比例增益；
[0066] 将Ωsp与来自传感器元件的实际姿态角速率信号Ω比对后得到一个姿态误差信号Ωe，Ωe＝Ωsp‑Ω；
[0067] 将Ωe经过姿态内环控制器的增幅器K放大、比例‑积分控制器PI处理后产生的信号，与Ω经过姿态内环控制器的增幅器K放大、低通滤波器LPF、微分控制器D处理后产生的信号相减，再经过限幅器处理后产生姿态控制信号δsp，其中，K为增幅器的放大系数，P为比例‑积分控
制器的比例增益，I为比例‑积分控制器的积分增益，D为微分控制器D的微分增益，R为低通滤波器的电阻，C为低通滤波器的电容。
[0068] 在本实施例中：执行机构，具体包括：第一矢量舵机1、第二矢量舵机2、第三矢量舵机3、第一电机4、第二电机5、第三电机6、第一螺旋桨7、第二螺旋桨8、第三螺旋桨9，其中，第一电机4运行可驱动第一螺旋桨7产生推力，第二电机5运行可驱动第二螺旋桨8产生推力，第三电机6运行可驱动第三螺旋桨9产生推力，第一螺旋桨7与第二螺旋桨8朝上，第三螺旋桨9朝下，第一矢量舵机1、第二矢量舵机2、第三矢量舵机3用以改变推力的方向，在垂直起降固定翼无人机悬停时，令第一螺旋桨7、第二螺旋桨8、第三螺旋桨9产生的推力分别为f1，f2，f3，令第一矢量舵机1、第二矢量舵机2、第三矢量舵机3旋转后与垂直起降固定翼无人机坐标系中的y轴产生的夹角分别为θ1，θ2，θ3，令垂直起降固定翼无人机坐标系与地面坐标系之间的夹角为α，则沿x，y方向上分解的力和力矩，得到系统的数学模型如下：
[0069] fx＝f1sinθ1+f2sinθ2+f3sinθ3‑mgsinα＝0(1a)
[0070] fy＝0(1b)
[0071] fz＝‑f1cosθ1‑f2cosθ2‑f3cosθ3+mgcosα＝0(1c)
[0072] τx＝L3(f2cosθ2‑f1cosθ1)＝0(1d)
[0073] τy＝L1(f1cosθ1+f2cosθ2)‑L2f3cosθ3＝0(1e)
[0074] τz＝L3(f2sinθ2‑f1sinθ1)＝0(1f)
[0075] 其中，m为垂直起降固定翼无人机的质量，g为引力常量，L1为第一螺旋桨7、第二螺旋桨8到抗风控制器11的横向距离，L2为第三螺旋桨9到抗风控制器11的横向距离，L3为第一螺旋桨7到第二螺旋桨8的横向距离的1/2，等式(1a‑1f)中的式子为非线性方程，需要进行线性化，因此分别对上面的式子进行微分，得到关于由控制量的无穷小变化引起力和力矩的线性等式，即为系统的控制方程：
[0076]
[0077] 通过高斯消去，可以得到方程的通解：
[0078]
[0079] 由此方程，可以得到给定力和力矩变化所需要的电机和舵机的输出量。本申请通过控矢量舵机和电机来实现悬停以及巡航过程中的对飞行姿态的有效控制。
[0080] 在本实施例中：混合控制器形成执行机构的输入信号的具体过程为：
[0081] 将实时的f1，f2，f3，θ1，θ2，θ3带入到等式(1a‑1f)中，计算出fx，fz，τx，τy，τz；
[0082] 根据dfx＝fx/Asp，dfz＝fz/Asp，dτx＝τx/δsp，dτy＝τy/δsp，dτz＝τz/δsp，计算出dfx，dfz，dτx，dτy，dτz；
[0083] 根据等式(3)，将姿态控制器和位置控制器传递来的信号进行处理，计算出dθ1，dθ2，dθ3，df1，df2，df3，通过对时间进行积分，产生分别分配给第一矢量舵机1、第二矢量舵机2、第三矢量舵机3的PWM信号θ1，θ2，θ3，以及分配给第一电机4、第二电机5、第三电机6的PWM信号f1，f2，f3。
[0084] 在本实施例中：传感器元件包括但不局限于加速度计、陀螺仪、气压计、测距传感器。其中，加速度计能够测量飞行器的加速度，陀螺仪可作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器(用以形成飞行姿态输出信号)，而气压计能够测量大气的压强，测距传感器能够测量飞行器的离地高度(用以形成飞行位置输出信号)。
[0085] 本申请还公开了一种基于矢量控制的高抗风性控制方法，应用于基于矢量控制的高抗风性控制系统，如图9所示，该控制方法包括以下步骤：
[0086] 将垂直起降固定翼无人机的飞行位置输出信号与预定飞行位置信号处理后形成位置控制信号；
[0087] 将垂直起降固定翼无人机的飞行姿态输出信号与预定飞行姿态信号处理后形成姿态控制信号；
[0088] 将位置控制信号与姿态控制信号进行处理形成执行机构的输入信号；
[0089] 执行机构根据输入信号对垂直起降固定翼无人机进行调整。
[0090] 本发明的工作原理是：使用时，当垂直起降固定翼无人机处于悬停状态，实时检测f1，f2，f3，θ1，θ2，θ3，从而计算出fx，fz，τx，τy，τz，混合控制器根据位置控制器传来的位置控制信号Asp以及姿态控制器传来的姿态控制信号δsp产生分别分配给第一矢量舵机1、第二矢量舵机2、第三矢量舵机3的PWM信号θ1，θ2，θ3，以及分配给第一电机4、第二电机5、第三电机6的PWM信号f1，f2，f3，用以对垂直起降固定翼无人机的姿态和位置进行调整，需要说明的是，由于位置控制器与姿态控制器相互并联，该垂直起降固定翼无人机的姿态和位置分别独立控制，减小了在大风情况下垂直起降固定翼无人机的机翼对悬停稳定性的影响，提升了无人机悬停位置和姿态的稳定性。
[0091] 此外，该垂直起降固定翼无人机在悬停状态下难免遭受外界风力的干扰，如图6所示，针对来自不同方向的第一干扰风12与第二干扰风13，抗风控制器11通过控制第一电机4、第二电机5、第三电机6的转速和第一矢量舵机1、第二矢量舵机2、第三矢量舵机3的角度，在无人机自身姿态不变的情况下实现稳定的悬停。即实现了无人机姿态和位置的独立控
制。对比普通的垂直起降固定翼无人机：在悬停时通过控制电机的转速改变无人机的姿态，实现在风的干扰下的悬停。即姿态控制器和位置控制器的串联控制，无法独立控制飞行的的位置和姿态。
[0092] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0093] 以上的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
