[發(fā)明專利]一種基于學(xué)習(xí)的旋翼無人機(jī)路徑跟蹤預(yù)測(cè)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011288152.8
• 申請(qǐng)日: 2020-11-17
• 公開（公告）號(hào): CN112416021B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊睿;鄭磊;成慧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/12
• 分類號(hào): G05D1/12;G05D1/10;G05B13/04;G05B13/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 王曉玲

1.一種基于學(xué)習(xí)的旋翼無人機(jī)路徑跟蹤預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.構(gòu)造旋翼無人機(jī)平動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿射控制模型，基于高斯過程回歸對(duì)環(huán)境不確定擾動(dòng)進(jìn)行建模；

S2.以雙積分器作為預(yù)測(cè)模型，構(gòu)造模型預(yù)測(cè)路徑跟隨控制器，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)x計(jì)算路徑上的參考目標(biāo)點(diǎn)，以及參考狀態(tài)量x_d和參考控制量；在所述的步驟S2中，給定以參數(shù)θ參數(shù)化的空間路徑P(θ)，利用雙積分器作為預(yù)測(cè)模型，在當(dāng)前t_k時(shí)刻求解非線性模型預(yù)測(cè)控制問題：

s.t.

式中，T為預(yù)測(cè)時(shí)域，半正定矩陣正定矩陣和R_θ0均為權(quán)系數(shù)矩陣；為軌跡參數(shù)的變化速度，和分別為系統(tǒng)和軌跡參數(shù)控制輸入；Ξ和分別表示和的可行域；求解得到的最優(yōu)解和分別作為參考軌跡參考控制量和參考控制輸入dt為控制周期；

S3.基于反饋線性化非線性控制器，結(jié)合高斯過程的擾動(dòng)預(yù)測(cè)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線性積分器，并準(zhǔn)確跟蹤參考狀態(tài)量x_d，提供高概率穩(wěn)定性保證，輸出計(jì)算得到的控制量u；

S4.根據(jù)微分平坦性質(zhì)，將計(jì)算得到的控制量轉(zhuǎn)換為旋翼無人機(jī)的姿態(tài)角和推力指令，應(yīng)用于無人機(jī)相應(yīng)的控制接口，輸入到系統(tǒng)；

S5.在線收集無人機(jī)與環(huán)境交互的狀態(tài)和控制序列，用于更新高斯過程；

S6.重復(fù)步驟S1至步驟S6直至交互結(jié)束。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于學(xué)習(xí)的旋翼無人機(jī)路徑跟蹤預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述的步驟S1中，旋翼無人機(jī)非線性仿射系統(tǒng)可建模為：

其中x＝[x₁，x₂]^T為系統(tǒng)狀態(tài)量，分別表示無人機(jī)系統(tǒng)的位置和速度，為系統(tǒng)控制量，為從機(jī)體坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，f_u為總推力；f(x)+G(x)u代表對(duì)系統(tǒng)平動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模所得的先驗(yàn)?zāi)Ｐ停琭(x)＝[x₂,-mg]^T，G(x)＝[0，1]^T，d(x)＝[0,f_a]^T，f_a表示不確定的環(huán)境擾動(dòng)，m為無人機(jī)質(zhì)量，g為重力加速度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于學(xué)習(xí)的旋翼無人機(jī)路徑跟蹤預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)矩陣R表示為：

式中，c和s分別表示cos和sin，Θ、φ和ψ分別表示無人機(jī)俯仰角、橫滾角和航向角。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于學(xué)習(xí)的旋翼無人機(jī)路徑跟蹤預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，在所述的步驟S1中，通過在線收集的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集，高斯過程回歸通過貝葉斯推理得到狀態(tài)x^*的下偏差d(x^*)的均值μ(x)和方差σ(x)；得到關(guān)于d(x^*)的高置信區(qū)間：D(x^*)＝{d|μ(x^*)-c_δσ(x^*)≤d≤μ(x^*)+c_δσ(x^*)}，c_δ0是高斯分布中(1-δ)置信度對(duì)應(yīng)的常數(shù)。