四旋翼固定翼复合无人机是一种将四旋翼无人机和固定翼无人机从结构和功能上进行复合的垂直起降无人机，这种无人机的出现，在一定程度上解决了固定翼无人机对起飞场地的苛刻要求的问题，以及四旋翼无人机续航能力差、负载小以及飞行效率低的问题，同时具有四旋翼无人机的可垂直起降、空中悬停以及固定翼无人机的飞行时间长、距离远、速度快的优点，近年来在航测、巡检以及军事方面得到了越来越多的关注与应用。
图 1 四旋翼-固定翼复合式无人机
对于这类较为复杂的系统，传统的控制系统开发流程存在着bug在最终阶段集中爆发、安全性差等问题。而基于模型的开发方式，则具有着以下优势：各阶段的工作产品均是可执行的；开发流程中的关键步骤层层闭环，层层可验证；在多重的仿真验证过程中解决大多数问题，从而避免在实物实验中出现炸机等严重的事故，安全性高，可靠性好等。我的主要工作，就是采用基于模型的开发方法，完成图 1所示的四旋翼固定翼复合式无人机的飞控开发。主要包括以下工作：模型建立、参数获取、控制器设计以及仿真和实飞实验。
四旋翼固定翼复合式无人机的建模是一个很有趣的问题，一方面它会受到来自四个旋翼产生的力和力矩，另一方面也会受到由固定翼、操纵舵面和推进桨的力，对于四旋翼无人机建模已经有非常成熟的研究，而对固定翼无人机的建模往往采用气动导数乘以动压的形式。实践表明，如果对复合式无人机建模仅仅包括以上四旋翼和固定翼模态的力和力矩，会出现在低速情况下系统阻尼比实际偏小的情况。这是由于在低速情况下，空速很小，动压很小，由此产生的固定翼阻力和阻尼力矩都很小，但是实际上由于机翼和尾翼的存在，该无人机有较大的阻力和阻尼力矩，特别是垂直方向和滚转阻尼。因此我们对经典的四旋翼模型进行了修正，补偿了这些阻力和阻尼力矩项。
图 2 四旋翼-固定翼复合式无人机模型
如何获取模型中的参数，这是另一个比较关键的问题。对于四旋翼无人机的参数，除了可以直接测量出的几何参数和重量，最主要的测试动力系统的参数和转动惯量等。而对于固定翼无人机，则需要获取其气动导数。获取气动导数，最为精确的莫过于风洞实验，但是这无疑是非常昂贵的，据调研，一架翼展约为1米的固定翼无人机，在天津某风洞公司进行实验需要10万元。而对于微小型无人机飞控开发，这么高的成本往往是不可接受的。另一种方式是使用Datcom软件或者xflr5软件进行计算，这种方法可以获取到各种平衡状态下的气动导数，但是对于低速情况下的阻尼力矩和阻力系数无法获取。因此我们采用了xflr5计算和参数辨识相结合的方法，获取需要的模型参数。参数辨识是以类偶极方波信号作为输入信号，激励处于配平状态的无人机的各个通道，观察之后一段时间的系统响应，根据飞控导出的飞行状态数据，使用最小二乘估计和逐步回归法，获取系统参数的方法。使用xflr5软件，我们得到了无人机固定翼模态的气动导数，并与参数辨识实验结果对比，两者非常相近，相互印证。低速状态下的阻力和阻尼力矩系数我们也是通过参数辨识实验获取。
图 3 固定翼偏航力矩气动导数辨识结果
获取模型参数之后，方可进行控制器设计。在Simulink环境下搭建好无人机模型，并设计控制器。四旋翼固定翼复合式无人机控制器的整体结构包括三个部分：四旋翼模态控制器，即垂直起降模式控制器；固定翼模态控制器，即巡航模态控制器；以及过渡模态控制器，完成前两种模态之间的平滑过渡和切换。在整个控制器的作用下，可以控制四旋翼固定翼复合式无人机从垂直起飞，过渡到固定翼巡航，完成一系列飞行任务后再垂直降落的全飞行过程控制。对于四旋翼模态控制器和垂直起降控制器，本文主要采用的是PID控制方法，而过渡模态控制器则是依据空速进行对四旋翼控制器和垂直起降控制器控制量的分配。
图 4 飞行全过程控制仿真实验效果
通过仿真实验，我们排除了许多系统问题，将经过仿真实验测试的控制器通过自动代码生成，烧录到PX4飞控板中，进行了实际飞行实验，实际飞行试验中没有出现炸机等严重的安全问题，进行了控制参数的些许调整，完成了实飞验证。
图 5 实际飞行实验效果
总结起来，创新点包括：第一，在完整的基于模型开发与设计的流程的基础上，针对微小型无人机飞控系统开发，形成了一种精简后的基于模型的快速开发和验证方法，适用于包括固定翼、多旋翼和复合式无人机在内的各种微小型无人机飞控的开发。第二，针对四旋翼固定翼复合式无人机建模，提出了对传统四旋翼模态建模方式的修正，用来补偿引入机翼和尾翼造成的阻力和阻尼力矩。第三，对于微小型无人机气动参数的获取问题，采用了xlfr5软件计算和参数辨识实验相结合的方式，相比于成本极高的风洞实验，本文的方法在微小型无人机飞控开发中具有低成本的优势。第四，设计了基于空速的状态切换权重分配控制算法，建立了过渡模式的控制器，经仿真实验和实飞实验验证，可以控制四旋翼固定翼复合式无人机快速平滑地完成过渡过程，有效避免掉高等安全问题。
本人在北航可靠飞行控制研究组完成本科毕业设计，并将继续在本实验室直接攻读博士。本文节选于“刘润潇. 四旋翼固定翼复合式无人机基于模型设计和开发实践[D] 北京航空航天大学本科学位论文，北京。”
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