[发明专利]一种基于显式模型预测的四旋翼多电机转速协同控制方法

权利要求书

1.一种基于显式模型预测的四旋翼多电机转速协同控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

1)四旋翼的四个电机的转速给定值ω^*的生成：

首先，对四旋翼使用四个控制量u＝[u₁ u₂ u₃ u₄]^T来控制运动，其中u₁、u₂、u₃、u₄分别表示总升力、翻滚力矩、俯仰力矩和偏航力矩，T表示矩阵转置；四旋翼的前端控制器根据期望四旋翼的运动生成控制量的给定值u^*＝[u₁^* u₂^* u₃^*u₄^*]^T，上标*代表给定值；

然后由控制量的给定值u^*计算获得四旋翼的四个电机的转速给定值ω^*＝[ω₁^*ω₂^*ω₃^* ω₄^*]^T，其中ω₁^*、ω₂^*、ω₃^*、ω₄^*分别表示四旋翼的四个电机各自的转速给定值：

2)四旋翼的四个电机的协同控制以及转速给定值的修正值ω_c^*的生成：

2.1)四旋翼的多个电机的转速协同显式模型预测控制器的构造：

建立以下公式表示的四旋翼的终端执行机构的预测模型：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)

其中，x(k)和u(k)表示第k个离散时刻的状态变量x和控制变量u；

1_4×4表示元素均为1的4阶方阵；0_4×4表示元素均为0的4阶方阵；A_p为预测矩阵，分别表示为：

其中，T_s表示离散时刻间隔，b、d分别为四旋翼的升力系数、旋转系数；

然后建立以下公式表示的二次型价值函数J：

其中，N_p、N_c分别表示预测时域和控制时域的离散时刻总数；Q、R分别表示状态变量的权重矩阵和控制变量的权重矩阵；Q_s为跟随矩阵；权重矩阵中的q_s为状态权重因子，q_Δ为控制权重因子；i、j分别表示求和运算中状态变量x、控制变量u的离散时刻的累加计数值；

权重矩阵Q、R和跟随矩阵Q_s分别为：

2.2)四旋翼的多个电机的转速给定值的补偿值Δω^*的获取：

在线下对状态空间进行划分获得有限个临界域，状态空间是由状态变量x构成的多维空间；并通过以下步骤获得每个临界域对应的最优控制变量：每个临界域内，将不同的控制变量u和当前离散时刻的状态变量通过预测模型处理预测获得四旋翼未来的状态变量x，将各个控制变量u及其各自对应的状态变量x均输入到二次型价值函数J中，选择出使得价值函数J最小的一个控制变量u作为最优控制变量，并且根据最优控制变量处理获得最优的转速给定值的补偿值Δω^*；

在四个电机未运行时，通过四旋翼的多个电机的转速协同显式模型预测控制器按上述步骤在线下计算出不同当前离散时刻的状态变量对应的最优的转速给定值的补偿值Δω^*，并将对应关系制作成表格；

在四个电机实时运行时，在线上使用当前离散时刻的状态变量通过查询表格获得最优的转速给定值的补偿值Δω^*，继而获得最优的转速给定值的修正值ω_c^*送入四旋翼的终端执行机构；

2.3)根据转速给定值的补偿值Δω^*获得转速给定值的修正值ω_c^*＝ω^*+Δω^*并送入终端执行机构；

3)四旋翼的四个电机的转速协同控制：

3.1)四旋翼的每个电机对于转速给定值的修正值ω_c^*的跟随控制：

通过构造单个电机的转速跟随显式模型预测控制器，在电机未运行时，根据转速给定值的修正值ω_c^*采用显式模型预测控制方法在线下计算出电机在不同的电流、转速、负载转矩下对应具有的最优电压给定值u_d^*和u_q^*，u_d^*和u_q^*分别表示电机的d轴和q轴最优电压给定值，并将对应关系制成表格；

在电机实时运行时，通过查询表格获得最优电压给定值，送入电压矢量脉冲宽度调制算法中，生成逆变器的六路开关信号，驱动电机正常工作。