[發明專利]基于在線安全學習的四旋翼無人機路徑跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201710758952.3
• 申請日: 2017-08-29
• 公開（公告）號: CN107563044B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 楊艷華;程歡;柴利
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;G06F30/15;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發明涉及一種基于在線安全學習的四旋翼無人機路徑跟蹤控制方法。其技術方案是，首先建立四旋翼無人機名義模型根據殘差g(X,U)的數據得到學習模型再采用四旋翼無人機在線實時避障的概率約束條件實現在線避障，然后將控制系統狀態安全域融入學習過程，在線計算安全域，保證四旋翼無人機安全性，提高跟蹤性能。最后采用反饋線性化方法獲得線性模型，針對線性模型在相應的約束條件下設計模型預測控制器。本發明能夠在線獲得環境參數，自主適應巡檢環境的變化，因此，能顯著提高控制系統的魯棒性和響應性能，具有穩定性高、跟蹤性能好和安全性強的特點。

技術領域

本發明屬于旋翼無人機路徑跟蹤控制技術領域。具體涉及一種基于在線安全學習的四旋翼無人機路徑跟蹤控制方法。

背景技術

隨著機器人和航天航空技術的不斷發展，無人機的研究得到了越來越多的關注。四旋翼無人機作為一種典型的無人飛行器，擁有四個驅動電機，可以通過控制四個電機的轉速來調整飛行器的飛行姿態和位置。正由于其結構小巧、成本低廉、使用起來安全靈活，因此在環境監測、抗災救援、軍事偵察等領域具有十分廣闊的應用前景。

由于四旋翼無人機具有六個自由度，多于控制量的個數，是一個典型的欠驅動控制系統。此外，四旋翼無人機模型還具有非線性、強耦合、不精確等特點。以上特點均給四旋翼無人機的控制帶來了巨大的困難。

為了使這種無人機能夠靈活地飛行并完成期望的飛行任務，研究者們對四旋翼無人機的控制問題提出了多種方法，包括PID、模型預測控制、反演控制、滑模控制、反饋線性化等。以上控制方法通常需要聯合其它魯棒控制方法，以自適應或優化的方式調整模型參數或控制器參數，才能在一定程度上應對系統存在的不確定性問題。引入的參數調節方法存在過程繁瑣、效率低下、缺少最優性、易陷入局部極小、控制誤差較大等各種各樣的問題。采用學習的方法可以在線獲得參數，但是單純的學習方法又無法保證系統的穩定性。雖然模型預測控制方法固有的滾動優化策略和處理約束的能力在四旋翼無人機控制上具有一定的優勢，但是該方法必須依賴一個比較可靠的動力學模型。而現有的魯棒控制方法在解決不確定性問題時，通常在給定不確定界的前提下設計控制器，不可避免地帶來了保守性，甚至造成方法不實用，也不能保證四旋翼無人機對安全性能嚴格的要求。

發明內容

本發明旨在克服現有技術缺陷，目的在于提供一種基于在線安全學習的四旋翼無人機路徑跟蹤控制方法，該方法魯棒性好、響應性強、穩定性高、跟蹤性能優異和安全性優良。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

步驟1、四旋翼無人機名義模型的建立

構建四旋翼無人機和機體坐標系，所述機體坐標系是：以北為坐標系x軸的正方向，以東為坐標系y軸的正方向，以地為坐標系z軸的正方向。

建立四旋翼無人機的名義模型

式(1)中：φ表示四旋翼無人機的滾轉角，rad；

表示四旋翼無人機的滾轉角角速度，rad/s；

θ表示四旋翼無人機的俯仰角，rad；

表示四旋翼無人機的俯仰角角速度，rad/s；

ψ表示四旋翼無人機的偏航角，rad；

表示四旋翼無人機的偏航角角速度，rad/s；

z表示四旋翼無人機在z軸的位置，m；

表示四旋翼無人機z軸方向的線速度，m/s；

x表示四旋翼無人機在x軸的位置，m；

表示四旋翼無人機x軸方向的線速度，m/s；

y表示四旋翼無人機在y軸的位置，m；