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龍圖騰網獲悉北京航空航天大學申請的專利一種基于切換MPC的垂直起降飛行器模式切換控制方法獲國家發明授權專利權，本發明授權專利權由國家知識產權局授予，授權公告號為：CN119225424B 。

龍圖騰網通過國家知識產權局官網在2025-09-05發布的發明授權授權公告中獲悉：該發明授權的專利申請號/專利號為：202411340242.5，技術領域涉及：G05D1/495；該發明授權一種基于切換MPC的垂直起降飛行器模式切換控制方法是由魏恒來;陶斯友;侯辰飛;張輝設計研發完成，并于2024-09-25向國家知識產權局提交的專利申請。

本一種基于切換MPC的垂直起降飛行器模式切換控制方法在說明書摘要公布了：本發明公開了一種基于切換模型預測控制MPC的垂直起降飛行器模式切換控制方法，該方法利用切換MPC和切換控制障礙函數設計了飛行器模式切換的控制策略。首先建立飛行器在不同飛行模式下的動力學模型，為不同模式添加了飛行極限姿態約束，并且根據螺旋槳以及舵面的動力特性明確了不同模式下的控制輸入約束。通過重復求解優化問題得到最優控制量，從而保證切換模型預測的遞歸可行性，并引入考慮姿態變化速率安全約束的控制障礙函數子控制器來不斷修正控制輸入，以確保模式切換過程的平滑性和穩定性。通過切換模型預測控制設計，所得到的控制量在滿足約束條件的情況下，能夠實現最小的軌跡跟蹤誤差和姿態抖動。

本發明授權一種基于切換MPC的垂直起降飛行器模式切換控制方法在權利要求書中公布了：1.一種基于切換MPC的垂直起降飛行器模式切換控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，設定對于電動垂直起降飛行器eVTOL合理的參考飛行軌跡，包括五個階段：起飛、上升、巡航、下降及著陸；根據不同的飛行模式設計相應的目標點并且規定相鄰航點所需時間，創建飛行路徑；對軌跡進行求導，得到飛行過程eVTOL在每個時間點的位置、速度和加速度，同時在特定位置確定其姿態，生成沿既定軌跡跟蹤時系統狀態的參考值； 步驟二：將eVTOL在飛行過程中于慣性坐標系下的位置和姿態[xyzΦθψ]T作為狀態變量以描述飛行過程中在坐標系下的唯一姿態，同時將在機身坐標系下傳感器組測量到的線速度和角速度[uvwpqr]T同樣作為狀態變量以描述自身姿態；將四旋翼模式下四個螺旋槳的轉速[Ω1Ω2Ω3Ω4]T作為系統輸入，過渡時傾轉前向的1，2號螺旋槳作為固定翼模式下的動力輸出，將兩個螺旋槳的轉速與副翼、升降舵的偏轉[Ω1Ω2δaδe]T作為系統輸入；結合空氣動力學對兩個模式下的eVTOL模態進行分析，建立動力學與運動學方程；進而建立平衡時的軌跡跟蹤狀態空間模型； 步驟三：根據飛行過程中的客觀條件，建立雙模態穩定飛行時的保持模型和模態間過渡過程中的模型，即確定其模態依賴狀態約束集合、輸入約束集合；而在不同模態i∈II，其有相同的狀態約束以保證飛行過程中姿態穩定與不同的輸入約束u；進而根據eVTOL過渡過程中的實際情形，建立雙模式之間的切換條件，確定多模態切換圖； 步驟四：依據旋翼模式下涉及的狀態偏差與螺旋槳輸入能量消耗的代價函數以及固定翼模式下設計的狀態偏差與螺旋槳輸入能量消耗及舵面偏轉幅度的代價函數分別得到兩個模式下所需實現的優化目標；構造目標優化模型 步驟五：基于建立的切換系統模型，計算最大切換正不變集，保證切換模型預測控制的可行性；依據標準控制不變集算法，計算最大切換魯棒控制不變集； 步驟六：求解有限時間最優問題，得到eVTOL過渡控制量；設定eVTOL飛行過程中的參考狀態；獲取傳感器組采集的系統狀態，以及當前的運行模態；確保初始狀態在切換魯棒控制不變集中，滿足可行性條件； 步驟七：根據當前狀態及其運行模態，求解約束有限時間最優控制問題，得到模型預測控制的最優開環輸入序列將最優開環輸入序列的第一項作為控制障礙函數控制器的被修正量，即同時根據eVTOL的系統狀態xk|t，對求解最優控制問題得到的控制量的動作指令urlt進行修正，使其滿足安全性保證，輸出修正后的控制指令ucbft；更新eVTOL運行狀態和模態，若模態不變，則更新目標優化模型狀態量，并縮短終端約束中的剩余駐留時間，直到δ0|t＝0；若模態切換，則更換目標優化模型，并設置當前模態的剩余駐留時間；求解更新后的約束有限時間最優控制問題，通過滾動優化直至狀態進入終端集合中，即停止滾動優化； 其特征在于： 所構造的目標優化模型 其中：x0|t＝xt是系統目前的狀態；σ0|t是系統的當前模態；xk|t是系統在控制輸入uk|t作用下在預測范圍N≥di的預測狀態；終端代價Pσ0|t·和階段代價將會根據優化目標進行選擇； 結合系統動態和約束條件，建立如下約束有限時間最優控制問題： 其中：Jσ0|t為當前模態的成本函數；Qσ0|t為系統狀態矩陣；Pσ0|t為系統控制輸入矩陣；和為當前模態的狀態約束和輸入約束；是當前模態的終端約束；δ0|t為當前模態的剩余駐留時間。

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