本發(fā)明屬于無人機(jī)控制，特別涉及一種基于魯棒無窮的雙串級(jí)mpc四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，四旋翼無人機(jī)在軍事、農(nóng)業(yè)、物流等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際飛行過程中，四旋翼無人機(jī)往往會(huì)遭遇各種不確定的環(huán)境因素，其中隨機(jī)氣流干擾是尤為常見且具有挑戰(zhàn)性的問題。隨機(jī)氣流會(huì)影響無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性和控制精度。

2、為了研究風(fēng)擾動(dòng)對(duì)無人機(jī)控制的影響，現(xiàn)階段無人機(jī)控制方法主要有pid、滑模和反步法控制，也有些研究人員提出了一種通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式來補(bǔ)償擾動(dòng)帶來的不確定性。雖然研究人員在無人機(jī)的控制算法上不斷地取得了技術(shù)上的創(chuàng)新，但是當(dāng)隨機(jī)氣流過大或者過于復(fù)雜時(shí)，無人機(jī)的跟蹤總是存在跟蹤不準(zhǔn)確且姿態(tài)控制穩(wěn)定性差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提出一種基于魯棒無窮的雙串級(jí)mpc四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法，解決了無人機(jī)遭遇隨機(jī)氣流干擾時(shí)，無人機(jī)跟蹤精度低，姿態(tài)控制穩(wěn)的問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下：

3、一種基于魯棒無窮控制的雙串級(jí)mpc控制方法，包括以下步驟：

4、步驟1：確定四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角通道連續(xù)的狀態(tài)空間方程如下：

5、

6、其中，為四旋翼無人機(jī)的狀態(tài)向量，方程中輸出值表示四旋翼無人機(jī)俯仰角、橫滾角和偏航角。矩陣分別代表系統(tǒng)狀態(tài)空間方程的參數(shù)，為四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角的控制輸入；

7、步驟2：設(shè)計(jì)魯棒無窮控制器，對(duì)無人機(jī)的姿態(tài)角進(jìn)行初步控制，并將控制結(jié)果作為mpc控制器的輸入；

8、步驟3：將四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角通道狀態(tài)空間方程離散化，得到四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角的離散化狀態(tài)空間模型：

9、

10、其中，分別代表姿態(tài)角標(biāo)稱系統(tǒng)的狀態(tài)變量、控制輸入變量和控制輸出變量；

11、步驟4：對(duì)于步驟1的連續(xù)時(shí)間狀態(tài)模型和離散狀態(tài)模型的控制輸入變量確定兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系所示如下：

12、

13、其中，ts與表示姿態(tài)角的采樣時(shí)間和控制輸入矩陣；

14、步驟5：將魯棒無窮控制器的矩陣k作為初始控制率，確保系統(tǒng)的初始狀態(tài)在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的；

15、步驟6：設(shè)計(jì)角度環(huán)mpc控制器，通過離散化姿態(tài)角動(dòng)力學(xué)模型，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算最優(yōu)控制輸入；

16、步驟7：確定無人機(jī)的姿態(tài)角速度的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

17、

18、

19、

20、其中，θ、φ和分別表示無人機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的俯仰角、橫滾角、偏航角，和分別表示俯仰角角速度、橫滾角角速度和偏航角角速度，且近似于p、近似于q、近似于r；

21、步驟8：設(shè)計(jì)角速度環(huán)mpc控制器，結(jié)合姿態(tài)角的速度變化，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的精確控制。

22、進(jìn)一步的，在步驟2中魯棒無窮控制器，其工作流程包括以下步驟：

23、步驟2.1：求解廣義代數(shù)riccati方程，得到魯棒無窮控制器的增益矩陣。riccati方程的形式如下：

24、atx+xa-xbr-1btx+q＝0

25、其中：x是riccati方程的解。r和q是權(quán)重矩陣，a和b分別代表系統(tǒng)狀態(tài)方程的參數(shù)；

26、步驟2.2：通過uk＝-kxk來實(shí)現(xiàn)約束，其中xk為riccati方程的解。

27、進(jìn)一步的，在步驟6中角度環(huán)mpc控制器，其工作流程包括以下步驟：

28、步驟6.1：將相鄰兩個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)變量取差值，得到四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角兩個(gè)相鄰時(shí)刻的差分方程：

29、

30、步驟6.2：確定離散狀態(tài)空間方程增量模型為：

31、

32、

33、步驟6.3：通過無人機(jī)姿態(tài)角兩個(gè)相鄰時(shí)刻的差分方程得出姿態(tài)角狀態(tài)增量的控制增量形式：

34、

35、步驟6.4：確定四旋翼無人機(jī)差分方程的增量形式：

36、

37、步驟6.5：對(duì)于姿態(tài)角的標(biāo)稱模型，選擇目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)：

38、

39、步驟6.6：得出第k時(shí)刻姿態(tài)角的最優(yōu)控制輸入序列：

40、

41、步驟6.7：確定第k時(shí)刻系統(tǒng)輸入δuζ(k)的值，選擇最優(yōu)輸入序列的第一個(gè)元素，得出系統(tǒng)輸入表達(dá)式為：

42、

43、步驟6.8：最后得到姿態(tài)角在t時(shí)刻的實(shí)際控制輸入表達(dá)式：

44、δuζ(k)＝kζmpceζ(k+1|k)＝δuf(k)+δus(k)

45、進(jìn)一步的，在步驟8中角速度環(huán)mpc控制器，其工作流程包括以下步驟：

46、步驟8.1：建立帶有擾動(dòng)的姿態(tài)角控制系統(tǒng)狀態(tài)空間方程如下：

47、

48、y＝cx+du

49、其中：

50、

51、

52、其中x＝[p,q,r,φ,θ,ψ]t，u＝[τφ,τθ,τψ]t，σi(i＝u,v,w)為x,y,z三個(gè)方向的紊流強(qiáng)度，li(i＝u,v,w)為x,y,z三個(gè)方向的紊流尺度，v為無人機(jī)飛行速度；

53、步驟8.2：后續(xù)mpc角速度環(huán)控制器的設(shè)計(jì)同角度環(huán)設(shè)置相同。

54、本發(fā)明提出的一種基于魯棒無窮控制的雙串級(jí)mpc控制方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比其有益效果包括以下幾點(diǎn)：

55、1.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：通過將mpc角度環(huán)設(shè)為主控制器、角速度環(huán)為輔控制器，減少實(shí)時(shí)姿態(tài)調(diào)整引發(fā)的震蕩，使無人機(jī)在遭遇擾動(dòng)后能夠更快速地恢復(fù)平衡，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性與穩(wěn)定性；

56、2.減少計(jì)算復(fù)雜度：魯棒無窮控制引入角度環(huán)預(yù)處理數(shù)據(jù)，減少了mpc控制器對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理需求，降低了計(jì)算復(fù)雜度，提高了控制系統(tǒng)的效率；

57、3.優(yōu)化控制精度：通過mpc優(yōu)化算法，最小化了預(yù)測(cè)誤差與控制目標(biāo)之間的偏差，確保了無人機(jī)姿態(tài)控制的高精度，尤其在應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境或擾動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出更優(yōu)的控制效果。

技術(shù)特征：

1.一種基于魯棒無窮的雙串級(jí)mpc四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法，用于無人機(jī)的飛行姿態(tài)控制，該方法的核心設(shè)計(jì)是將模型預(yù)測(cè)控制(mpc)角度環(huán)設(shè)為主控制器，負(fù)責(zé)無人機(jī)姿態(tài)的主要調(diào)節(jié)，而mpc角速度環(huán)則作為輔助控制器，mpc角度環(huán)的控制周期較長，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，而mpc角速度環(huán)用來以較短的控制周期快速響應(yīng)角速度變化，姿態(tài)控制器基于模型預(yù)測(cè)控制，通過優(yōu)化算法，最小化預(yù)測(cè)誤差與控制目標(biāo)之間的偏差，為了減少mpc控制器的計(jì)算復(fù)雜度并增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，在mpc角度環(huán)中引入了魯棒無窮控制，該魯棒控制首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低系統(tǒng)對(duì)外部干擾的敏感性，隨后將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給mpc角度環(huán)控制器，從而提高姿態(tài)控制的穩(wěn)定性和精度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于魯棒無窮的雙串級(jí)mpc四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法，其特征在于，所述方法可以包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于魯棒無窮的雙串級(jí)mpc四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法，其特征在于，步驟2所述的魯棒無窮控制器，其工作流程包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于魯棒無窮的雙串級(jí)mpc四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法，其特征在于，步驟6所述的角度環(huán)mpc控制器，其工作流程包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于魯棒無窮的雙串級(jí)mpc四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法，其特征在于，步驟8所述的角速度環(huán)mpc控制器，其工作流程包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于魯棒無窮的雙串級(jí)MPC四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制方法，設(shè)計(jì)出一種魯棒無窮控制和雙串級(jí)模型預(yù)測(cè)控制(MPC)相結(jié)合的技術(shù)。該方法通過設(shè)計(jì)魯棒無窮控制器、角度環(huán)MPC控制器和角速度環(huán)MPC控制器來提升無人機(jī)在隨機(jī)氣流擾動(dòng)下的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定性。魯棒無窮控制器確保系統(tǒng)在擾動(dòng)條件下的初始穩(wěn)定性，角度環(huán)MPC優(yōu)化姿態(tài)角，角速度環(huán)MPC精確控制角速度。該方法相比傳統(tǒng)的PID和ADRC控制器，在擾動(dòng)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和跟蹤精度上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：回楠木,郭云乾,韓曉微,吳寶舉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：沈陽大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19