[發明專利]基于預見控制的四旋翼飛行器的定點巡航控制方法

在審

• 申請號: 202110706990.0
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113342024A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 王昭鴻;黃佳;楊卓
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.本發明提供的基于預見控制的四旋翼飛行器的定點巡航控制方法是以未來信息為基礎，進行最優預見跟蹤控制，跟蹤誤差減小，系統品質得到提高，預見信息的引入有效的補償了飛行器的操作時延和干擾。預見控制將未來信息作為控制系統未來地目標值，空氣阻力作為控制系統未來地干擾值。

2.根據權利1所述發明實例應用對象和控制方法，四旋翼飛行器各類傳感器將相關數據作為預見信息運用到飛行器閉環控制中。其具體預見控制方法步驟如下：

步驟1：假設此四旋翼飛行器控制系統的線性離散狀態方程為

其中y(k)為四旋翼飛行器運動軌跡；d(k)為飛行過程中的空氣阻力；u(k)為由k時刻的控制量；x(k)為四旋翼飛行器k時刻的狀態量。

假設1系統(1)可控，可觀。

假設2干擾信號d(k)的預見步數為M_d，即當前時刻值d(k)以及未來M_d步的值d(k+1),d(k+2),…,d(k+M_d)為已知，M_d步以后為定值，也就是

d(k+j)＝d(k+M_d),j＝M_d+1,M_d+2... (2)

假設3干擾信號R(k)的預見步數為M_R，即當前時刻值R(k)以及未來M_R步的值R(k+1),R(k+2),…,R(k+M_R)為已知，M_R步以后為定值，也就是

R(k+j)＝R(k+M_d),j＝M_R+1,M_R+2... (3)

輸出信號誤差為

e(k)＝R(k)-y(k) (4)

研究系統(1)的預見控制跟蹤問題，其目的是設計一個帶有預見補償的跟蹤控制器，使得閉環系統的輸出y(k)能夠無靜態誤差的跟蹤參考輸入信號R(k)，即

步驟2：定義如下L階差分算子

△ξ(k)＝ξ(k)-ξ(k-L) (6)

應用差分性質

△[G(K)V(k)]＝G(k)△V(k)+△G(k)V(k-L) (7)

將一階差分算子△作用到誤差信號e(k)及狀態向量x(k+1)上，有

整理后，有

X₀(k+1)＝ΦX₀(k)+G△u(k)+G_R△R(k+1)+G_d△d(k) (9)

其中

步驟3：對系統(9)定義性能指標函數

對于式(9)，考慮目標值的變化，求使式(11)的值最小的預見控制輸入。方法是通過先假定控制輸入的形式，把它代入性能指標函數求取函數值，再通過偏微分求使這個性能指標函數值最小的預見前饋系數F_R(j)，其結果為

式中，

F₀＝-[H+G^TPG]^-1G^TPΦ (13)

而P是滿足Riccati方程的正定解：

P＝Q+Φ^TPΦ-Φ^TPΦ[H+G^TPG]^-1G^TPΦ (14)

通過上述計算方法可知：

其中，

ζ＝Φ+GF₀ (16)

步驟4：考慮由四旋翼飛行器與姿態角穩定回路組成的狀態方程為：

其中：M--四旋翼飛行器的重量；D--空氣阻力系數；K_F--發動機推力。將這些參數代入式(13)以及式(15)，即可求得控制輸入。