[发明专利]一种基于微分平坦特性的无人机轨迹跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于微分平坦特性的无人机轨迹跟踪方法，通过对四旋翼飞行器进行动力学与运动学建模，并对其模型进行微分平坦属性判定，基于此性质通过非线性变化，将欠驱动四旋翼模型转化为全驱动系统。设置虚拟控制量，将高度耦合系统解耦，并将其转化为线性系统。利用模型预测控制处理有约束系统的航迹跟踪控制问题，针对系统时变特性，构造多面体描述系统包含原时变系统，减少在线优化计算复杂度，并以此推导出使系统稳定的实时终端罚值。本发明设计了针对时变系统的模型预测控制方法，处理无人机轨迹跟踪过程中受到的约束与系统时变特性，能够有效的完成无人机轨迹跟踪任务，很好的处理无人机非线性特性，计算复杂度低，跟踪速度快。

技术领域

本发明涉及高度耦合、欠驱动、时变、非线性系统自动控制技术领域，具体涉及一种基于微分平坦特性的无人机轨迹跟踪方法。

背景技术

四旋翼无人机以其无人驾驶、高机动性、小体积、垂直起降、低制造成本等优势迅速受到军用与民用的青睐。其最大优点为无人驾驶，不需要携带与飞行员有关的各种设备，其节省出来的大量的空间和重量可以用于布置更多作业载荷，实现完成更多的飞行任务，如军事地面战场的侦察、监视、情报获取、空中打击支持，民用航拍、危险地域搜救、复杂地形勘探等。复杂的飞行任务依靠的是先进的飞行控制方法，可靠的飞行控制方法可以保证无人机在执行任务时的安全性、稳定性、敏捷性，只有这样，无人机才能准确与及时的完成飞行任务。然而目前对于同时处理、协调具有高度耦合、欠驱动、时变、非线性、带约束的四旋翼无人机系统方面，并没有比较突出的方法，传统的方法或是计算复杂度高，或是进行了诸多假设以提高求解速度，在对无人机跟踪速度要求较高的任务中，很难得到应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于微分平坦特性的无人机轨迹跟踪方法，能够降低计算复杂度，提高跟踪速度，适用于对无人机跟踪速度要求较高的任务。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤一、针对无人机系统进行建模，并通过设置虚拟输入将无人机系统的垂直运动与水平运动解耦。

步骤二、根据无人机系统的微分平坦性质，将无人机系统从六自由度、四输入的欠驱动系统转换为四自由度、四输入的全驱动系统，并求解出姿态内环的角度期望值。

步骤三、根据步骤一解耦后的无人机系统作为实际系统，另外设置参考系统与误差系统，针对误差系统的水平运动通道进行基于模型预测控制的轨迹跟踪；针对误差系统的垂直运动通道，基于多面体微分包含理论，实时求解终端惩罚矩阵，保证系统稳定。

进一步地，步骤一，针对无人机系统进行建模，并通过设置虚拟输入将无人机系统的垂直运动与水平运动解耦，具体为：

首先针对无人机系统构建地面坐标系和机体坐标系；

地面坐标系固定于地球表面，坐标系原点O_E固定于地面上飞行器的起飞点，O_EX_E轴指向飞行器指定的飞行方向，O_EZ_E轴铅垂向下，O_EY_E轴垂直O_EX_EZ_E平面，按右手定则确定。

机体坐标系固定在无人机的机体上，并随无人机运动，原点O_B在无人机质心，O_BX_B轴在无人机对称平面内，平行于无人机前后旋翼的连接线，指向前；竖轴O_BZ_B平行于左右旋翼连线，指向右为正方向；O_BY_B与O_BX_BZ_B平面垂直，方向按照右手定则确定。

利用无人机的三个姿态角度俯仰角θ、偏航角φ和滚转角ψ计算地面坐标系与机体坐标系的转换矩阵R：