[發明專利]基于ROS平臺的六旋翼無人機MPC控制方法

在審

• 申請號: 202110492436.7
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113190043A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 邵云峰;范靜;鄒蘇酈;張涵羽;范益民;馬中靜
• 申請（專利權）人: 國網山西省電力公司呂梁供電公司;北京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明公開的一種基于ROS平臺的六旋翼無人機MPC控制方法，屬于無人機智能控制領域。本發明建立了六旋翼無人機的動力學模型，通過將模型線性化處理，解決了六旋翼無人機模型高度非線性、強耦合的問題，大大簡化了控制目標；采用模型預測控制方法設計出了無人機單級控制器，控制結構采用閉環控制方法，實現對無人機位置和姿態的控制，突破了傳統無人機需要級聯兩級控制器的桎梏。具有自主性強，跟蹤精準，穩定性高，成本低等優點，可應用于無人機電力線路巡檢等領域。

技術領域

本發明屬于無人機智能控制領域，尤其涉及一種基于ROS平臺的六旋翼無人機MPC控制方法。具體涉及一種基于模型預測控制(model prediction control，MPC)和機器人操作系統(robot operating system，ROS))進行六旋翼無人機軌跡跟蹤控制的方法。

背景技術

隨著電力基礎設施的完善和普及，為了確保電力系統的穩定運行，有必要對電力線路進行巡檢。而電力線路所在位置往往是崇山峻嶺，環境惡劣，威脅電力工作人員的生命健康。因此，采用無人機進行安全有效的電力巡檢至關重要。與多旋翼系統相比，固定翼飛機更適合監視以及大規模的測繪任務，因為它們具有更長的續航能力和更高的速度，而對于需要靠近結構飛行以獲得詳細信息的檢查任務，多旋翼無人機更合適。

但是目前傳統的多旋翼無人機電力巡檢需要人工遙控、依賴操作人員的技術和經驗，缺乏自主性，人工控制精度低且成本高。這在一定程度上影響了電力巡檢的有效性，存在漏檢等問題。除此之外為解決無人機位置量和姿態角強耦合的問題，傳統的無人機控制方法均是位置控制器和姿態控制器級聯，兩級控制器設計復雜度高，占用硬件資源。可見，可用于多旋翼無人機實現精準穩定的自主軌跡跟蹤的控制方法有待進一步開發。

發明內容

本發明公開的一種基于ROS平臺的六旋翼無人機MPC控制方法，尤其能解決傳統無人機電力巡檢依賴人工遙控、控制精度低、巡檢有效性差以及無人機飛行穩定性差等問題，能實現電力線路的自主精準巡檢。

本發明通過以下的技術方案實現以上發明目的。

本發明公開的一種基于MPC的六旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法，包括如下步驟：

步驟一：建立動力學模型。

根據Newton-Euler方法建立六旋翼無人機的非線性動力學模型，其表達式如下：

式(1)中x、y和z分別表示無人機的三維坐標，θ和ψ分別表示無人機的橫滾角、俯仰角和偏航角，ω_i(i＝1,2,…,6)表示六旋翼無人機六個旋翼的轉速，b是無人機的升力系數，m是無人機的質量，g是重力加速度，I_x、I_y和I_z分別是無人機x軸、y軸、z軸的轉動慣量。M_x、M_y和M_z分別是無人機的橫滾力矩、俯仰力矩和偏航力矩，其表達式如下所示

式(2)中d是無人機的阻力系數，l是無人機力臂長度，ω_i(i＝1,2,…,6)是無人機六個旋翼的轉速。由式(1)可知，六旋翼無人機動力學模型存在高度非線性，狀態量之間以及狀態與控制輸入之間強耦合的問題，增加了其控制難度，因此傳統無人機控制方法往往是分別設計位置和姿態控制器，二者級聯以達到解耦的目的。由于無人機動力學模型為二階系統，模型預測控制無法直接應用到無人機系統上去，因此需要降維處理，選取狀態量q(t)為無人機位置量和姿態角以及線速度和角速度，即無人機的升力以及三個坐標軸上的力矩M_x、M_y和M_z作為控制輸入量u(t)，得到六旋翼簡化動力學模型：

式(3)中f:

步驟二：求取參考軌跡。