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龙图腾网获悉北京航空航天大学申请的专利一种基于切换MPC的垂直起降飞行器模式切换控制方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN119225424B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-09-05发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202411340242.5，技术领域涉及：G05D1/495；该发明授权一种基于切换MPC的垂直起降飞行器模式切换控制方法是由魏恒来;陶斯友;侯辰飞;张辉设计研发完成，并于2024-09-25向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种基于切换MPC的垂直起降飞行器模式切换控制方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种基于切换模型预测控制MPC的垂直起降飞行器模式切换控制方法，该方法利用切换MPC和切换控制障碍函数设计了飞行器模式切换的控制策略。首先建立飞行器在不同飞行模式下的动力学模型，为不同模式添加了飞行极限姿态约束，并且根据螺旋桨以及舵面的动力特性明确了不同模式下的控制输入约束。通过重复求解优化问题得到最优控制量，从而保证切换模型预测的递归可行性，并引入考虑姿态变化速率安全约束的控制障碍函数子控制器来不断修正控制输入，以确保模式切换过程的平滑性和稳定性。通过切换模型预测控制设计，所得到的控制量在满足约束条件的情况下，能够实现最小的轨迹跟踪误差和姿态抖动。

本发明授权一种基于切换MPC的垂直起降飞行器模式切换控制方法在权利要求书中公布了：1.一种基于切换MPC的垂直起降飞行器模式切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，设定对于电动垂直起降飞行器eVTOL合理的参考飞行轨迹，包括五个阶段：起飞、上升、巡航、下降及着陆；根据不同的飞行模式设计相应的目标点并且规定相邻航点所需时间，创建飞行路径；对轨迹进行求导，得到飞行过程eVTOL在每个时间点的位置、速度和加速度，同时在特定位置确定其姿态，生成沿既定轨迹跟踪时系统状态的参考值； 步骤二：将eVTOL在飞行过程中于惯性坐标系下的位置和姿态[xyzΦθψ]T作为状态变量以描述飞行过程中在坐标系下的唯一姿态，同时将在机身坐标系下传感器组测量到的线速度和角速度[uvwpqr]T同样作为状态变量以描述自身姿态；将四旋翼模式下四个螺旋桨的转速[Ω1Ω2Ω3Ω4]T作为系统输入，过渡时倾转前向的1，2号螺旋桨作为固定翼模式下的动力输出，将两个螺旋桨的转速与副翼、升降舵的偏转[Ω1Ω2δaδe]T作为系统输入；结合空气动力学对两个模式下的eVTOL模态进行分析，建立动力学与运动学方程；进而建立平衡时的轨迹跟踪状态空间模型； 步骤三：根据飞行过程中的客观条件，建立双模态稳定飞行时的保持模型和模态间过渡过程中的模型，即确定其模态依赖状态约束集合、输入约束集合；而在不同模态i∈II，其有相同的状态约束以保证飞行过程中姿态稳定与不同的输入约束u；进而根据eVTOL过渡过程中的实际情形，建立双模式之间的切换条件，确定多模态切换图； 步骤四：依据旋翼模式下涉及的状态偏差与螺旋桨输入能量消耗的代价函数以及固定翼模式下设计的状态偏差与螺旋桨输入能量消耗及舵面偏转幅度的代价函数分别得到两个模式下所需实现的优化目标；构造目标优化模型 步骤五：基于建立的切换系统模型，计算最大切换正不变集，保证切换模型预测控制的可行性；依据标准控制不变集算法，计算最大切换鲁棒控制不变集； 步骤六：求解有限时间最优问题，得到eVTOL过渡控制量；设定eVTOL飞行过程中的参考状态；获取传感器组采集的系统状态，以及当前的运行模态；确保初始状态在切换鲁棒控制不变集中，满足可行性条件； 步骤七：根据当前状态及其运行模态，求解约束有限时间最优控制问题，得到模型预测控制的最优开环输入序列将最优开环输入序列的第一项作为控制障碍函数控制器的被修正量，即同时根据eVTOL的系统状态xk|t，对求解最优控制问题得到的控制量的动作指令urlt进行修正，使其满足安全性保证，输出修正后的控制指令ucbft；更新eVTOL运行状态和模态，若模态不变，则更新目标优化模型状态量，并缩短终端约束中的剩余驻留时间，直到δ0|t＝0；若模态切换，则更换目标优化模型，并设置当前模态的剩余驻留时间；求解更新后的约束有限时间最优控制问题，通过滚动优化直至状态进入终端集合中，即停止滚动优化； 其特征在于： 所构造的目标优化模型 其中：x0|t＝xt是系统目前的状态；σ0|t是系统的当前模态；xk|t是系统在控制输入uk|t作用下在预测范围N≥di的预测状态；终端代价Pσ0|t·和阶段代价将会根据优化目标进行选择； 结合系统动态和约束条件，建立如下约束有限时间最优控制问题： 其中：Jσ0|t为当前模态的成本函数；Qσ0|t为系统状态矩阵；Pσ0|t为系统控制输入矩阵；和为当前模态的状态约束和输入约束；是当前模态的终端约束；δ0|t为当前模态的剩余驻留时间。

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