1. 课程导入

垂直起降固定翼飞行器（VTOL Fixed-Wing Aircraft）是一类兼具多旋翼垂直起降能力与固定翼高效巡航能力的复合构型飞行器。它不需要跑道即可起飞和降落，又能在巡航阶段以机翼升力为主进行长航时、远航程飞行。这种“两种飞行模式集于一身”的特性，使它成为当前无人机与通用航空领域的重要发展方向，也带来了一个核心工程难题：如何在两种气动与控制逻辑完全不同的飞行状态之间安全、平滑、可控地切换。这正是本课程要研究的“过渡控制工程”。

一、什么是垂直起降固定翼飞行器

从构型上看，垂直起降固定翼飞行器通常由固定翼机体、机翼、尾翼、动力系统以及垂直起降辅助单元组成。根据垂直起降方式的不同，常见构型包括：

• 倾转旋翼/倾转涵道构型：旋翼或涵道可整体倾转，在垂直起降时朝上，巡航时朝前，典型如倾转旋翼无人机。
• 尾座式构型：整机在起降时呈尾立姿态，巡航时转为水平姿态，结构紧凑但对控制要求高。
• 复合式构型：固定翼提供巡航升力，独立的多旋翼单元负责垂直起降，如“固定翼+四旋翼”复合布局。
• 推力矢量构型：通过喷流或涵道风扇偏转实现垂直推力与巡航推力的分配。

无论哪种构型，其共同点是：飞行器在垂直起降阶段依赖动力系统直接提供升力，在巡航阶段依赖机翼气动升力。两种阶段的动力学特性、操纵方式、能量分配和稳定性要求差异显著，因此必须设计专门的过渡控制策略。

二、过渡控制工程的研究对象

过渡控制工程不是单一的控制算法问题，而是一个涉及气动、动力学、控制、能源和任务管理的系统工程。其研究对象可以概括为以下五个层面：

1. 过渡飞行剖面：从垂直起飞、悬停、加速、俯仰转换、机翼升力建立，到巡航、减速、再悬停、垂直着陆的全过程。
2. 动力学建模：建立包含旋翼拉力、机翼升力、阻力、俯仰力矩、惯量耦合和风扰动的非线性模型。
3. 控制律设计：设计过渡段的姿态控制、速度控制、高度控制和推力分配策略，保证模式切换时状态连续。
4. 状态估计与传感器融合：在低速、大迎角、气流复杂条件下，融合IMU、气压计、GNSS、空速管和视觉信息，提供可靠状态反馈。
5. 安全与容错：处理动力失效、传感器故障、模式切换失败、能量不足等异常，设计保护逻辑和应急返航策略。

这些对象之间不是孤立的，而是通过“飞行状态”这一主线相互耦合。下图展示了垂直起降固定翼飞行器从垂直起飞到巡航再返回的典型过渡飞行剖面与关键控制环节。

三、学习目标与课程框架

本课程面向已具备飞行力学、自动控制基础和嵌入式开发经验的读者，目标是使学习者能够独立完成垂直起降固定翼过渡控制系统的分析、设计、仿真与调试。具体学习目标包括：

• 理解垂直起降固定翼的构型分类与过渡飞行力学原理；
• 掌握过渡段非线性建模、配平与线性化方法；
• 能够设计过渡段姿态、速度、高度控制律与推力分配策略；
• 掌握状态估计、传感器融合与模式切换逻辑的实现方法；
• 具备过渡段仿真、试飞数据分析与故障复盘能力。

课程整体按照“概念—建模—控制—实现—验证”的主线展开，共30章。下表给出了课程框架与各阶段的核心任务。

四、典型场景与常见误区

以一个“固定翼+四旋翼”复合式垂直起降无人机为例：起飞阶段四旋翼垂直拉起，到达安全高度后进入过渡段，前飞速度逐渐增加，机翼升力占比上升，旋翼转速逐步降低；当空速达到巡航转换速度后，完全转入固定翼巡航。返航时则反向执行。整个过程看似简单，但实际试飞中常出现以下问题：

正确的做法是：在过渡段引入增益调度或动态逆控制，使控制参数随空速和迎角连续变化；同时设计模式切换条件，例如当空速大于转换速度且高度稳定时，才允许从旋翼模式切换到固定翼模式。切换过程中还要监控姿态角速率、高度变化率和电流，一旦超限立即回退到安全模式。

过渡段切换条件示例（伪代码）：
if airspeed >= V_transition and altitude_rate > -1.0 and pitch_rate < 20 deg/s:
    mode = FIXED_WING
elif airspeed < V_recovery or fault_detected:
    mode = MULTIROTOR
else:
    mode = TRANSITION
    gain = schedule_gain(airspeed, angle_of_attack)
    thrust = allocate_thrust(mode, throttle, battery_voltage)

通过本课程的学习，读者将逐步建立从“会飞”到“飞得稳、切得顺、故障可恢复”的完整工程能力。过渡控制工程的核心，不是追求某一种控制算法的极致，而是在气动、动力、控制和任务之间找到可验证、可复现、可保护的平衡点。