[发明专利]基于预见控制的四旋翼飞行器的定点巡航控制方法

权利要求书

1.本发明提供的基于预见控制的四旋翼飞行器的定点巡航控制方法是以未来信息为基础，进行最优预见跟踪控制，跟踪误差减小，系统品质得到提高，预见信息的引入有效的补偿了飞行器的操作时延和干扰。预见控制将未来信息作为控制系统未来地目标值，空气阻力作为控制系统未来地干扰值。

2.根据权利1所述发明实例应用对象和控制方法，四旋翼飞行器各类传感器将相关数据作为预见信息运用到飞行器闭环控制中。其具体预见控制方法步骤如下：

步骤1：假设此四旋翼飞行器控制系统的线性离散状态方程为

其中y(k)为四旋翼飞行器运动轨迹；d(k)为飞行过程中的空气阻力；u(k)为由k时刻的控制量；x(k)为四旋翼飞行器k时刻的状态量。

假设1系统(1)可控，可观。

假设2干扰信号d(k)的预见步数为M_d，即当前时刻值d(k)以及未来M_d步的值d(k+1),d(k+2),…,d(k+M_d)为已知，M_d步以后为定值，也就是

d(k+j)＝d(k+M_d),j＝M_d+1,M_d+2... (2)

假设3干扰信号R(k)的预见步数为M_R，即当前时刻值R(k)以及未来M_R步的值R(k+1),R(k+2),…,R(k+M_R)为已知，M_R步以后为定值，也就是

R(k+j)＝R(k+M_d),j＝M_R+1,M_R+2... (3)

输出信号误差为

e(k)＝R(k)-y(k) (4)

研究系统(1)的预见控制跟踪问题，其目的是设计一个带有预见补偿的跟踪控制器，使得闭环系统的输出y(k)能够无静态误差的跟踪参考输入信号R(k)，即

步骤2：定义如下L阶差分算子

△ξ(k)＝ξ(k)-ξ(k-L) (6)

应用差分性质

△[G(K)V(k)]＝G(k)△V(k)+△G(k)V(k-L) (7)

将一阶差分算子△作用到误差信号e(k)及状态向量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

步骤3：对系统(9)定义性能指标函数

对于式(9)，考虑目标值的变化，求使式(11)的值最小的预见控制输入。方法是通过先假定控制输入的形式，把它代入性能指标函数求取函数值，再通过偏微分求使这个性能指标函数值最小的预见前馈系数F_R(j)，其结果为

式中，

F₀＝-[H+G^TPG]^-1G^TPΦ (13)

而P是满足Riccati方程的正定解：

P＝Q+Φ^TPΦ-Φ^TPΦ[H+G^TPG]^-1G^TPΦ (14)

通过上述计算方法可知：

其中，

ζ＝Φ+GF₀ (16)

步骤4：考虑由四旋翼飞行器与姿态角稳定回路组成的状态方程为：

其中：M--四旋翼飞行器的重量；D--空气阻力系数；K_F--发动机推力。将这些参数代入式(13)以及式(15)，即可求得控制输入。