專利名稱：一種基于gps的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小型四旋翼無人機(jī)建模及飛行控制、數(shù)據(jù)處理、觀測時(shí)滯和信息預(yù)測等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
小型四旋翼無人機(jī)是一種可以實(shí)現(xiàn)垂直起降、懸停等動(dòng)作的飛行器。四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。微型四旋翼無人機(jī)具有好的應(yīng)用前景:在軍事領(lǐng)域能夠執(zhí)行低空的偵察、監(jiān)視等任務(wù)；在民用領(lǐng)域能夠在地震、有輻射的環(huán)境中執(zhí)行搜索任務(wù)等。在巨大的應(yīng)用前景的驅(qū)動(dòng)下，隨著微機(jī)械制造技術(shù)的成熟、微控制器處理能力的增強(qiáng)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，微小型四旋翼無人機(jī)逐漸發(fā)展成為一個(gè)國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。作為可垂直起降旋翼無人機(jī)的一員，微小型四旋翼無人機(jī)具有旋翼式無人機(jī)的特點(diǎn)，能夠出色地完成高靈活性飛行。此外，它還具有單旋翼無人機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn):
(I)由于其旋翼轉(zhuǎn)軸固定于機(jī)體，所以避免了單旋翼無人機(jī)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)；(2)微小型四旋翼無人機(jī)具有更多的驅(qū)動(dòng)器。相比于同等尺寸的單旋翼無人機(jī)，能夠產(chǎn)生更大的升力，因而飛行速度更快；(3)微小型四旋翼無人機(jī)由于其自身機(jī)體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，與微小型單旋翼無人機(jī)相比，其機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，更適合于在建筑物內(nèi)部飛行，而且其旋翼尺寸更小，更安全。GPS是測量微小型四旋翼無人機(jī)的位置信息和速度信息的傳感器，該傳感器的測量數(shù)據(jù)存在一個(gè)I秒左右的延遲。該延遲時(shí)間可采用實(shí)驗(yàn)方法辨識得到?？刂葡到y(tǒng)中不可避免地存在著時(shí)滯現(xiàn)象，傳感器信號的采集和傳輸、控制器的計(jì)算、作動(dòng)器的作動(dòng)過程等，都會導(dǎo)致時(shí)滯的產(chǎn)生。以往人們?yōu)榱死碚摲治龊涂刂圃O(shè)計(jì)上的方便，總是忽略時(shí)滯，但即使是較小的時(shí)滯量也會導(dǎo)致控制效率的下降或控制系統(tǒng)失穩(wěn)。眾所周知，一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的純滯后會使系統(tǒng)控制質(zhì)量明顯下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或系統(tǒng)無法工作?；跔顟B(tài)估計(jì)可將時(shí)滯系統(tǒng)分為兩類:第一類是狀態(tài)方程中帶時(shí)滯的情況;第二類是觀測結(jié)果中帶有時(shí)滯的情況。這兩類情況的主要區(qū)別是，第一類情況的時(shí)滯現(xiàn)象可能是由系統(tǒng)固有時(shí)滯特性引起的，而第二類情況的時(shí)滯一般則是因?yàn)橛^測傳感器本身的特性或者信號在傳輸過程中的時(shí)延引起的。在微小型四旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，GPS數(shù)據(jù)的延遲是一種觀測時(shí)滯。由于GPS的數(shù)據(jù)延遲時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制周期，因此該數(shù)據(jù)延遲對飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著比較嚴(yán)重的影響。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為了克服GPS數(shù)據(jù)延遲(觀測時(shí)滯)對微小型四旋翼無人機(jī)飛行控制性能的不良影響，本發(fā)明提供了一種卡爾曼預(yù)測方法以改善該不良影響。
技術(shù)方案:一種基于GPS的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法，包括順次相接的如下步驟:1)對微小型四旋翼無人機(jī)飛行得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間Td;2)使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型；3)依據(jù)采樣周期，對得到的速度模型進(jìn)行離散化處理，得到速度的離散化模型；4) t時(shí)刻的GPS數(shù)據(jù)所反映的速度狀態(tài)的真實(shí)時(shí)間為t-Td時(shí)刻，將信息融合時(shí)刻統(tǒng)一到t - Td時(shí)刻，即利用t時(shí)刻的GPS數(shù)據(jù)對t - Td時(shí)刻的速度狀態(tài)進(jìn)行組合濾波，得到t - Td時(shí)刻的速度狀態(tài)估計(jì)值；5)在t - Td時(shí)刻的速度狀態(tài)估計(jì)值的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼多步預(yù)測方法得到t時(shí)刻的速度狀態(tài)預(yù)測值；速度控制器使用所得到的t時(shí)刻的速度狀態(tài)預(yù)測值進(jìn)行控制量的計(jì)為計(jì)算方便，步驟I)為對微小型四旋翼無人機(jī)飛行得到的機(jī)載加速度計(jì)的數(shù)據(jù)與機(jī)載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間Td。為了提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，在步驟2)中根據(jù)灰箱原理使用MATLAB的ident工具擬合得到速度模型。為了預(yù)測的簡化，同時(shí)確保預(yù)測的準(zhǔn)確性，在步驟2)線性化處理，得到沿y軸方向速度的動(dòng)力學(xué)方程為:
權(quán)利要求
1.一種基于GPS的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法，其特征在于，包括順次相接的如下步驟: 1)對微小型四旋翼無人機(jī)的加速度計(jì)數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間Td ； 2)使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型； 3)結(jié)合采樣周期，對得到的速度模型進(jìn)行離散化處理，得到速度的離散化模型； 4)t時(shí)刻的GPS數(shù)據(jù)所反映的速度狀態(tài)的真實(shí)時(shí)間為t-Td時(shí)刻，將信息融合時(shí)刻統(tǒng)一到t-Td時(shí)刻，即利用t時(shí)刻的GPS速度數(shù)據(jù)對t-Td時(shí)刻的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)進(jìn)行卡爾曼濾波，推算出t-Td時(shí)刻的速度狀態(tài)估計(jì)值； 5)在t-Td時(shí)刻的速度狀態(tài)估計(jì)值的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼多步預(yù)測方法得到t時(shí)刻的速度狀態(tài)預(yù)測值；控制器使用所得到的t時(shí)刻的速度狀態(tài)預(yù)測值進(jìn)行控制量的計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)中使微小型四旋翼無人機(jī)完成從靜止?fàn)顟B(tài)變化為加速度恒定狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)過程，得到該運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)載加速度計(jì)得到的加速度測量值與機(jī)載GPS得到的速度測量值，由于機(jī)載加速度計(jì)數(shù)據(jù)無延遲，將加速度測量值與速度測量值進(jìn)行比對，即將速度測量值從零值變?yōu)榉橇阒档臅r(shí)刻減去加速度測量值從零值變?yōu)榉橇阒档臅r(shí)刻，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間Td。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:在步驟2)中根據(jù)灰箱原理使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型，微小型四旋翼無人機(jī)沿y軸方向速度的動(dòng)力學(xué)方程為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:在步驟3)對采樣方式和保持方式作如下約定:采樣器的采樣方式為以常數(shù)T為周期的等間隔采樣；采樣周期T的選取滿足香農(nóng)采樣定理的條件；離散時(shí)間信號到連續(xù)時(shí)間信號的轉(zhuǎn)換采用零階保持方式；基于以上約定，結(jié)合微控制器處理能力，選取控制頻率為50Hz，將第2)步中擬合得到的速度模型離散化，得到速度的離散化模型:x(k+l)=0.9932.χ (k) +0.0028.u(k)y(k) =x(k-50) 其中，狀態(tài)量χ為微小型四旋翼無人機(jī)沿I軸方向的速度值，控制輸入u為微小型四旋翼無人機(jī)的橫滾角口，y表示GPS量測得到的微小型四旋翼無人機(jī)沿y軸方向的速度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:在步驟4)中GPS量測得到的速度數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間為Td，微小型四旋翼無人機(jī)的速度控制頻率為50Hz，將y(k)作為狀態(tài)χ (k-50)的觀測值，基于狀態(tài)χ (k - 51)的估計(jì)值進(jìn)行狀態(tài)一步預(yù)測，通過卡爾曼濾波得到狀態(tài)χ (k -50)的估計(jì)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:在步驟5)基于第4)步得到的狀態(tài)χ(k -50)的估計(jì)值，通過速度的離散化模型遞推得到狀態(tài)x(k)的預(yù)測值χ (k)，控制器使用所得到的t時(shí)刻的狀態(tài) 預(yù)測值χ (k)進(jìn)行控制量的計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于GPS的微小型四旋翼無人機(jī)速度狀態(tài)預(yù)測方法，包括如下步驟數(shù)據(jù)分析，得到GPS數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間Td；使用MATLAB的ident工具擬合得到微小型四旋翼無人機(jī)的速度模型；對速度模型進(jìn)行離散化處理，得到速度的離散化模型；利用t時(shí)刻的GPS數(shù)據(jù)對t-Td時(shí)刻的速度狀態(tài)進(jìn)行組合濾波，得到t-Td時(shí)刻的速度狀態(tài)估計(jì)值；利用卡爾曼多步預(yù)測方法得到t時(shí)刻的速度狀態(tài)預(yù)測值；速度控制器使用所得到的t時(shí)刻的速度狀態(tài)預(yù)測值進(jìn)行控制量的計(jì)算。本發(fā)明提高了GPS數(shù)據(jù)的質(zhì)量，預(yù)測得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對微小型四旋翼無人機(jī)飛行控制性能的提升具有積極的作用，具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號G05B17/02GK103246203SQ20131014441
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者孫長銀, 王偉, 賀俊旺, 董大著, 沈才云, 徐洪菊 申請人:東南大學(xué)