[發明專利]基于非線性模型的無人機姿態模糊自適應預測控制方法及系統

有效

• 申請號: 201710035809.1
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN107065902B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 彭輝;羅旭光;周鋒;曾小勇
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10;G05B13/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 楊萍

本發明公開了一種基于非線性模型的無人機姿態模糊自適應預測控制方法及系統，使用離線數據辨識方法建立系統的Cubic?RBF?ARX非線性模型，然后在所建立的非線性模型基礎上設計了模糊自適應預測控制器，該預測控制器根據無人機姿態控制的實時狀態在線調整預測控制器中目標函數的權重系數。該模糊自適應預測控制器可以保證無人機在姿態控制過程中，所選目標函數符合姿態調整的動態及穩態規律和趨勢，與一般的無人機預測控制器相比，其目標函數參數的設定考慮到了控制的整個動態及穩態過程，從而能起到提高無人機姿態控制動靜態響應指標的作用，具有較高的實用價值和應用前景。

技術領域

本發明涉及空中機器人自動控制技術領域，涉及一種基于非線性模型的無人機姿態模糊自適應預測控制方法及系統。

背景技術

四旋翼無人機具有結構簡單、動力裝置效率高、成本低等優點，其優勢具體可以體現在搜救、監控、航拍等軍事和民用上。鑒于其廣闊的用途和價值，目前四旋翼無人機正在眾多領域中發揮著越來越重要的作用。無人機飛控是指能夠穩定無人機飛行姿態，并能控制無人機自主或半自主飛行的控制系統，是無人機的大腦，因此飛控的好壞直接決定了無人機的性能，而飛控的核心就是控制無人機飛行的控制算法。所以，無人機飛行的穩定精確控制具有很重要的現實意義和廣闊的市場前景。

如圖1所示，無人機飛行控制系統可以看成一個以位置控制環為外環，以姿態控制環為內環的串級控制系統。其姿態環的控制算法好壞直接決定了姿態調整的品質好壞，進而直接影響到四旋翼無人機控制的穩定性。由于四旋翼無人機控制系統存在非線性、欠驅動等特點，常規控制算法如PID控制算法雖然能實現無人機的懸停、運動等控制，但是只能保證四旋翼無人機在局部動作的控制效果，在一些高難度動作的飛行模式中則難以保證良好的控制品質，并且抗干擾能力也是有限的。而基于模型的預測控制算法則體現出了它的優越性，利用預測模型得出系統的輸出預測軌跡，可以為實現被控對象的最優性能指標這一目的，選擇最佳的控制策略。在進行預測控制設計時，控制器的目標函數反映了控制器的優化性能指標，它選取的好壞直接決定了控制效果的好壞。常規的預測控制算法往往通過調整目標函數中的權重系數，即Q,R₁,R₂矩陣，以使系統取得最佳控制效果。但是這種方式的不足之處也是很明顯的，因為系統在不同的控制狀態下其最佳的目標函數也是不一樣的，很難找到一組合適的Q,R₁,R₂保證系統在動態和穩態的過程中都能取得非常好的控制效果，將預測控制效果發揮到最優。

因此，有必要設計一種控制效果更好的無人機姿態改進型預測控制算法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有四旋翼無人機姿態預測算法中的不足，提供一種基于非線性模型的無人機姿態模糊自適應預測控制方法及系統，旨在提高四旋翼無人機控制的穩定性。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種基于非線性模型的無人機姿態模糊自適應預測控制方法，包括以下步驟：

1)建立四旋翼無人機Cubic-RBF-ARX模型(使用三次函數作為基函數的RBF神經網絡型系數的帶外部輸入變量的自回歸模型)；