[发明专利]一种基于GPS的微小型四旋翼无人机速度状态预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及微小型四旋翼无人机建模及飞行控制、数据处理、观测时滞和信息预测等技术领域。

背景技术

小型四旋翼无人机是一种可以实现垂直起降、悬停等动作的飞行器。四旋翼飞行器通过调节四个旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。微型四旋翼无人机具有好的应用前景：在军事领域能够执行低空的侦察、监视等任务；在民用领域能够在地震、有辐射的环境中执行搜索任务等。在巨大的应用前景的驱动下，随着微机械制造技术的成熟、微控制器处理能力的增强以及其他相关技术的发展，微小型四旋翼无人机逐渐发展成为一个国内外的研究热点。作为可垂直起降旋翼无人机的一员，微小型四旋翼无人机具有旋翼式无人机的特点，能够出色地完成高灵活性飞行。此外，它还具有单旋翼无人机所不具备的优点：

（1）由于其旋翼转轴固定于机体，所以避免了单旋翼无人机复杂的机械结构；

（2）微小型四旋翼无人机具有更多的驱动器。相比于同等尺寸的单旋翼无人机，能够产生更大的升力，因而飞行速度更快；

（3）微小型四旋翼无人机由于其自身机体结构的特点，与微小型单旋翼无人机相比，其机动性更强，更适合于在建筑物内部飞行，而且其旋翼尺寸更小，更安全。

GPS是测量微小型四旋翼无人机的位置信息和速度信息的传感器，该传感器的测量数据存在一个1秒左右的延迟。该延迟时间可采用实验方法辨识得到。

控制系统中不可避免地存在着时滞现象，传感器信号的采集和传输、控制器的计算、作动器的作动过程等，都会导致时滞的产生。以往人们为了理论分析和控制设计上的方便，总是忽略时滞，但即使是较小的时滞量也会导致控制效率的下降或控制系统失稳。众所周知,一个自动控制系统中的纯滞后会使系统控制质量明显下降,甚至导致系统不稳定或系统无法工作。

基于状态估计可将时滞系统分为两类：第一类是状态方程中带时滞的情况；第二类是观测结果中带有时滞的情况。这两类情况的主要区别是，第一类情况的时滞现象可能是由系统固有时滞特性引起的，而第二类情况的时滞一般则是因为观测传感器本身的特性或者信号在传输过程中的时延引起的。

在微小型四旋翼无人机的飞行控制系统设计中，GPS数据的延迟是一种观测时滞。由于GPS的数据延迟时间远远大于控制周期，因此该数据延迟对飞行控制系统设计有着比较严重的影响。

发明内容

发明目的：为了克服GPS数据延迟（观测时滞）对微小型四旋翼无人机飞行控制性能的不良影响，本发明提供了一种卡尔曼预测方法以改善该不良影响。

技术方案：一种基于GPS的微小型四旋翼无人机速度状态预测方法，包括顺次相接的如下步骤：

1）对微小型四旋翼无人机飞行得到的数据进行分析，得到GPS数据的延迟时间Td；

2）使用MATLAB的ident工具拟合得到微小型四旋翼无人机的速度模型；

3)依据采样周期，对得到的速度模型进行离散化处理，得到速度的离散化模型；

4)t时刻的GPS数据所反映的速度状态的真实时间为t–Td时刻，将信息融合时刻统一到t–T_d时刻，即利用t时刻的GPS数据对t–T_d时刻的速度状态进行组合滤波，得到t–T_d时刻的速度状态估计值；

5)在t–T_d时刻的速度状态估计值的基础上，利用卡尔曼多步预测方法得到t时刻的速度状态预测值；速度控制器使用所得到的t时刻的速度状态预测值进行控制量的计算。

为计算方便，步骤1）为对微小型四旋翼无人机飞行得到的机载加速度计的数据与机载GPS数据进行比对，得到GPS数据的延迟时间T_d。

为了提高预测的准确性，在步骤2）中根据灰箱原理使用MATLAB的ident工具拟合得到速度模型。

为了预测的简化，同时确保预测的准确性，在步骤2）线性化处理，得到沿y轴方向速度的动力学方程为：

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