一种基于MPC的鲁棒全电飞行器控制系统及方法与流程

本发明涉及鲁棒全电飞行器，具体是一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统及方法。

背景技术：

1、近年来，四旋翼型飞行器被广泛应用于多个领域，比如农业植保、边境巡逻和灾后救援。为了满足不同的任务场景和复杂的环境需求，四旋翼的控制技术也在不断地迭代发展。

2、但四旋翼型飞行器控制效率低，对控制鲁棒的保证有效性差，飞行姿态和位置的规划效率低，受外部干扰下无法提供高精准跟踪的轨迹。因此，针对上述问题提出一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统及方法。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统，包括鲁棒全电飞行器、位置环预测模块、姿态环误差控制模块、矢量微分模块、动力分配模块和主控器，鲁棒全电飞行器通过多位传感器与主控器电性连接，位于主控器上的双向输端子处分别与位置环预测模块、姿态环误差控制模块及动力分配模块电性连接，矢量微分模块电性安装在位置环预测模块与姿态环误差控制模块之间，主控器的输出端子处与位于鲁棒全电飞行器上螺旋桨处的电机组电性连接。

3、优选的，所述位置环预测模块，用于将电机的转速约束和响应约束分别施加到状态量和输入量上，充分考虑电机的模型约束进行宽时域预测，位置环预测模块选取状态变量为三轴位置、速度、加速度和加加速度。

4、优选的，所述姿态环误差控制模块，用于空间设计非线性鲁棒姿态控制律。

5、优选的，所述矢量微分模块，用于从状态空间中选择合适的变量，并用这些变量及其导数，描述整个状态空间。

6、优选的，所述动力分配模块，用于通过位置环的期望加速度可以计算期望的推力，再加上姿态环期望的力矩构成螺旋桨期望的动力输入。

7、一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

8、s1、主控器给定鲁棒全电飞行器一段带有时间戳的参考航路点进行飞行，得到三维位置参考信息和偏航角参考信息；

9、s2、基于mpc的宽时域预测结合位置环预测模型对电机所处三维位置进行优化分析；

10、s3、将三维位置中每一个优化的三维位置因子与偏航角中的多个偏航角因子映射关联组成附加三维因子的组合偏航角因子集合；

11、s4、依次取组合偏航角因子集合中的一个组合偏航角因子输入姿态环误差控制优化模型进行计算优化，得到非线性鲁棒姿态控制律；

12、s5、利用矢量微分模型从非线性鲁棒姿态控制律选择最优的变量控制律；

13、s6、根据最优的变量控制律通过动力分配模型得到电机的期望转速。

14、优选的，所述位置环预测模型预测时域n后定义未来一段时域的状态量x、参考输入向量、输出向量y和输入向量u如下所示：

15、

16、考虑鲁棒全电飞行器参考航路点轨迹的跟踪精度和输入量变化率的限制，进一步构造出优化问题，其中g1是位置误差的权重矩阵，g2是输入变化率相关的权重矩阵，如下所示：

17、

18、优选的，所述姿态环误差控制优化模型基于姿态环的欧拉方程如下，其中τdis表示外界干扰，τ是输入力矩：

19、

20、将上述欧拉方程改写，其中h表示外界干扰项，满足||h||∞≤hmax

21、

22、g＝j-1,ξ＝j-1(-wb×jwb),h＝j-1τdis

23、根据欧拉旋转理论，任意旋转矩阵r∈so(3)都等价于绕着某个旋转轴旋转某个特定的的角度。

24、优选的，所述矢量微分模型根据三轴的位置信息通过位置环的mpc方法规划出来，偏航角的信息由用户提前定义给定，进一步利用这些变量及其导数求得姿态环期望的输入信息。

25、优选的，s6中，再进一步将电机转速转化为相应的pwm信号输出到实际电机。

26、本发明的有益效果是：将螺旋桨的电机动力源控制问题解耦为位置环控制和姿态环控制，能够在提高控制效率的同时保证了控制的鲁棒性；避免了姿态环的非线性特性，提高了位置环的规划效率；具有非常优越的控制性能，即便在极大的外部干扰下也能够实现对给定轨迹的高精度跟踪。

技术特征：

1.一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统，其特征在于：包括鲁棒全电飞行器、位置环预测模块、姿态环误差控制模块、矢量微分模块、动力分配模块和主控器，鲁棒全电飞行器通过多位传感器与主控器电性连接，位于主控器上的双向输端子处分别与位置环预测模块、姿态环误差控制模块及动力分配模块电性连接，矢量微分模块电性安装在位置环预测模块与姿态环误差控制模块之间，主控器的输出端子处与位于鲁棒全电飞行器上螺旋桨处的电机组电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统，其特征在于：所述位置环预测模块，用于将电机的转速约束和响应约束分别施加到状态量和输入量上，充分考虑电机的模型约束进行宽时域预测，位置环预测模块选取状态变量为三轴位置、速度、加速度和加加速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统，其特征在于：所述姿态环误差控制模块，用于空间设计非线性鲁棒姿态控制律。

4.根据权利要求1所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统，其特征在于：所述矢量微分模块，用于从状态空间中选择合适的变量，并用这些变量及其导数，描述整个状态空间。

5.根据权利要求1所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制系统，其特征在于：所述动力分配模块，用于通过位置环的期望加速度可以计算期望的推力，再加上姿态环期望的力矩构成螺旋桨期望的动力输入。

6.一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制方法，其特征在于：所述位置环预测模型预测时域n后定义未来一段时域的状态量x、参考输入向量、输出向量y和输入向量u如下所示：

8.根据权利要求6所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制方法，其特征在于：所述姿态环误差控制优化模型基于姿态环的欧拉方程如下，其中τdis表示外界干扰，τ是输入力矩：

9.根据权利要求6所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制方法，其特征在于：所述矢量微分模型根据三轴的位置信息通过位置环的mpc方法规划出来，偏航角的信息由用户提前定义给定，进一步利用这些变量及其导数求得姿态环期望的输入信息。

10.根据权利要求6所述的一种基于mpc的鲁棒全电飞行器控制方法，其特征在于：s6中，再进一步将电机转速转化为相应的pwm信号输出到实际电机。

技术总结本发明公开了一种基于MPC的鲁棒全电飞行器控制系统及方法，该系统包括鲁棒全电飞行器、位置环预测模块、姿态环误差控制模块、矢量微分模块、动力分配模块和主控器。本发明的有益之处在于：将螺旋桨的电机动力源控制问题解耦为位置环控制和姿态环控制，能够在提高控制效率的同时保证了控制的鲁棒性；避免了姿态环的非线性特性，提高了位置环的规划效率；具有非常优越的控制性能，即便在极大的外部干扰下也能够实现对给定轨迹的高精度跟踪。技术研发人员：范丽,徐志雄,项军华,何云瀚,邱炜,文广为受保护的技术使用者：湖州天骥智航科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29